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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
Y AGROINDUSTRIA
ESTUDIO DE UN SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES PROVENIENTES DE UNA FÁBRICA DE EMBUTIDOS
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA
QUÍMICA
ANDREA SOFÍA JIMÉNEZ CORAL
[email protected]
DIRECTORA: ING. LUCÍA MARGARITA MONTENEGRO AGUAS, MsC.
[email protected]
Quito, febrero 2016
Escuela Politécnica Nacional (2016)
Reservados todos los derechos de reproducción
DECLARACIÓN
Yo, Andrea Sofía Jiménez Coral, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría;
que no ha sido previamente presentado por ningún grado o calificación profesional; y,
que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Escuela Politécnica Nacional puede hacer uso de los derechos correspondientes a
este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su
Reglamento y por la normativa institucional vigente.
________________________
Andrea Sofía Jiménez Coral
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por la Srta. Andrea Sofía Jiménez
Coral bajo mi supervisión.
______________________
Ing. Lucía Montenegro
DIRECTORA DE PROYECTO
AGRADECIMIENTOS
A Dios y a mi Madre Dolorosa por darme sabiduría y entendimiento para poner fin a un
largo camino de estudio y sacrificio, y así, culminar mi carrera profesional con éxito.
A mis padres Jenny y Germán que han sabido guiarme en todo el trayecto de mi vida
y han sido mi apoyo, mi motor, mi fuerza y mi inspiración.
A mis hermanos Fátima y Sebastián, a mi mami Susy por ser la alegría de todos mis
días y pilares fundamentales en mi formación; a mi angelito que está en el cielo.
A mi directora de tesis Ing. Lucía Montenegro por su paciencia y sus conocimientos
compartidos en la elaboración de este proyecto de titulación.
A mis amigas de toda la vida Tere, Jessy y Eri por su amistad incondicional y duradera,
por tantos momentos compartidos y experiencias vividas.
A mis amigos Silvi, Lu, Lili, Dennis, Marce y Sory por todo los momentos vividos, por
su valiosa amistad y porque sólo ustedes saben lo que significa estudiar en la Facultad
de Ingeniería Química de la EPN.
En especial, a mis amigos Diego y Omar que fueron un apoyo incondicional para la
realización de este proyecto, mis sinceros agradecimientos.
DEDIATORIA
Con todo mi amor para las personas que hicieron todo en la vida para que yo
pudiera lograr mis sueños, por motivarme y darme la mano cuando sentía que
el camino se terminaba, a ustedes por siempre mi corazón y mi
agradecimiento.
A mis padres
i
ÍNDICE DE CONTENIDO
PÁGINA
RESUMEN
INTRODUCCIÓN
1
1.1
1.2
2
2.1
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
Proceso de producción de cárnicos y embutidos
1.1.1
La carne
1.1.2
Composición química de la carne
1.1.3
Aditivos y conservantes utilizados en la elaboración de productos
cárnicos
1.1.4
Procesos de producción de cárnicos y embutidos
1.1.4.1 Recepción de la materia prima
1.1.4.2 Picado o molido
1.1.4.3 Mezclado y amasado
1.1.4.4 Embutido
1.1.4.5 Cocimiento y ahumado
1.1.4.6 Enfriamiento
1.1.4.7 Empacado y etiquetado
1.1.4.8 Almacenamiento y distribución del producto terminado
Tratamientos de efluentes de industrias alimenticias
1.2.1
Principales contaminantes de aguas residuales en la
industria de productos cárnicos
1.2.2
Tratamiento de efluentes de industrias cárnicas
1.2.2.1 Trampas de grasa
1.2.2.2 Lombrifiltro o biofiltro
1.2.2.3 Tamizado en tratamiento de aguas residuales
1.2.2.4 Flotación por aireación
1.2.3
Diseño de diagramas de proceso
1.2.4
Norma técnica para el control de descargas líquidas establecidas
en la Resolución N°2-SA-2014 del Municipio del Distrito
Metropolitano de Quito
1.2.5
Factibilidad económica de un proyecto
PARTE EXPERIMENTAL
Caracterización de las aguas residuales de una fábrica de embutidos
x
xii
1
1
1
1
4
7
7
8
9
10
11
12
13
13
14
14
16
16
18
25
26
29
31
34
37
37
ii
2.1.1
2.1.2
2.2
2.3
3
Muestreo compuesto
Caracterización de las aguas residuales
37
38
Evaluación de un sistema de tratamiento con base en una trampa de grasa, un
biofiltro y flotación por aireación
2.2.1
Evaluación de la trampa de grasa a escala laboratorio
2.2.2
Evaluación de un lombrifiltro a escala laboratorio
2.2.2.1 Tamizado
2.2.3
Evaluación del sistema de flotación por aireación
39
39
40
41
42
Diseño de una planta de tratamiento de aguas residuales
2.3.1
Diseño de la trampa de grasa
2.3.2
Diseño del lombrifiltro
2.3.2.1 Determinación del área específica del aserrín
2.3.2.2 Determinación de la eficiencia del lombrifiltro
2.3.2.3 Diseño del tanque de almacenamiento
2.3.2.4 Diseño de un sistema de flotación por aireación
2.3.2.5 Diseño del agitador de la celda de flotación
43
43
44
44
45
48
49
50
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
54
3.1
Caracterización de las aguas residuales de una fábrica de embutidos
3.1.1
Muestreo compuesto
3.1.2
Caracterización de las aguas residuales
54
54
57
3.2
Evaluación de un sistema de tratamiento con base en una trampa de grasa, un
biofiltro y flotación por aireación
3.2.1
Evaluación en la trampa de grasa a escala laboratorio
3.2.1.1 Tiempo de separación de aceites y grasas del agua residual
3.2.1.2 Diseño de la trampa de grasa
3.2.2
Resultados de la evaluación del lombrifiltro a escala laboratorio
3.2.2.1 Determinación del área específica del aserrín
3.2.2.2 Determinación la eficiencia del lombrifiltro
3.2.2.3 Orden de reacción en el lombrifiltro
3.2.2.4 Diseño del lombrifiltro
3.2.2.5 Aplicación de un tamiz a las aguas residuales
3.2.2.6 Dimensionamiento del tanque de almacenamiento
3.2.3
Evaluación de un sistema de flotación por aireación
3.2.3.1 Flotación por aireación a diferentes velocidades de agitación
3.2.3.2 Diseño de la celda de flotación
3.2.3.3 Diseño del agitador
59
59
60
62
63
64
65
72
75
76
80
80
80
84
85
iii
3.3
4
4.1
4.2
Diseño de una planta de tratamiento de aguas residuales
3.3.1
Diagramas del proceso
3.3.2
Dimensionamiento de tuberías y selección de bombas
3.3.2.1 Diagrama de instrumentación y tuberías
3.3.3
Evaluación económica
3.3.3.1 Costos de inversión
3.3.3.2 Costos por mano de obra
3.3.3.3 Costos variables
3.3.3.4 Costos de operación
3.3.3.5 Ingresos
3.3.3.6 Indicadores económicos
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones
Recomendaciones
86
88
91
95
98
98
100
101
101
102
104
107
107
109
BIBLIOGRAFÍA
110
ANEXOS
123
iv
ÍNDICES DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1.1.
Composición química de la carne de distintos animales
Tabla 1.2.
Parámetros principales para la caracterización de efluentes de
la industria cárnica
14
Tabla 1.3.
Parámetros de diseño de una trampa de grasa
18
Tabla 1.4.
Composición química del humus de lombriz
21
Tabla 1.5.
Simbología utilizada en el diagrama PFD
29
Tabla 1.6.
Frecuencia de muestreo según la Resolución Nº2-SA-2014 del
DMQ
32
1
Tabla 1.7.
Límites permisibles de las descargas líquidas por cuerpo
receptor en la Resolución Nº2-SA-2014
32
Tabla 3.1.
Volúmenes de cada muestra simple para formar 6 L de
muestra compuesta en los tres días de muestreo
55
Tabla 3.2.
Caudales de cada muestra simple para formar 6 L de muestra
compuesta en los tres días de muestreo
55
Caracterización de los efluentes provenientes de la fábrica de
embutidos en los tres días de muestreo
58
Tiempo de separación gravitatoria de aceites y grasa del agua
residual
61
Aceites y grasas, DBO5, DQO y sólidos suspendidos después
de la trampa de grasa
62
Tabla 3.6.
Parámetros de diseño para el escalado de la trampa de grasa
63
Tabla 3.7.
Dimensiones de la trampa de grasa
63
Tabla 3.8.
Área superficial del aserrín
64
Tabla 3.9.
Alturas del lecho filtrante y concentraciones de DBO5 del
efluente en el lombrifiltro para un caudal de 1,5 L/día
65
Alturas del lecho filtrante y concentraciones de DBO5 del
efluente en el lombrifiltro para un caudal de 3,5 L/día
66
Tabla 3.3.
Tabla 3.4.
Tabla 3.5.
Tabla 3.10
v
Alturas del lecho filtrante y de DQO del efleunte en el
lombrifiltro para un caudal de 1,5 L/día
68
Alturas del lecho filtrante y DQO del efluente en el
lombrifiltro para un caudal de 3,5 L/día
69
Sólidos suspendidos del efleunte en el lombrifiltro para un
caudal de 1,5 L/día
71
Sólidos suspendidos del efluente en el lombrifiltro para un
caudal de 3,5 L/día
72
Resultados del método integral para determinar el orden de
reacción en el lombrifiltro
73
Tabla 3.16.
Constantes cinéticas de las diferentes órdenes de reacción
75
Tabla 3.17.
Resultados de las dimensiones del lombrifiltro
76
Tabla 3.18.
DBO5 del efleunte en el lombrifiltro después de la aplicación
de un tamiz para un caudal de 1,5 L/día y 3,5 L/día
77
DQO del efluente en el lombrifiltro después de la aplicación
de un tamiz para un caudal de 1,5 L/día y 3,5 L/día
78
Tabla 3.11
Tabla 3.12.
Tabla 3.13.
Tabla 3.14.
Tabla 3.15.
Tabla 3.19.
Tabla 3.20.
Sólidos suspendidos del efluente en el lombrifiltro después de
la aplicación de un tamiz para un caudal de 1,5 L/día y 3,5
L/día
79
Sólidos suspendidos a una velocidad de agitación de 1 400
rpm
81
Sólidos suspendidos a una velocidad de agitación de 1 200
rpm
82
DBO5 del efluente a una velocidad de agitación de 1 400 rpm
y 1 200 rpm
83
DQO del efluente a una velocidad de agitación de 1 400 rpm
y 1 200 rpm
84
Tabla 3.25.
Resultados de las dimensiones de la celda de flotación
85
Tabla 3.26.
Nomenclatura de equipos dispuestos en el diagrama PFD
88
Tabla 3.27.
Detalle de las tuberías de acero inoxidable de cédula 40 en la
planta de tratamiento de aguas residuales
92
Detalle de accesorios de las tuberías de la planta de
tratamiento de aguas residuales
93
Tabla 3.21.
Tabla 3.22.
Tabla 3.23.
Tabla 3.24.
Tabla 3.28.
vi
Tabla 3.29.
Detalles de bombas seleccionadas para el tratamiento de aguas
residuales
Tabla 3.30.
Parámetros económicos del proyecto de sistema de
tratamiento de aguas residuales provenientes de una fábrica
de embutidos
98
Detalle de costos de inversión en equipos, tuberías e
instrumentación
99
Tabla 3.31.
94
Tabla 3.32.
Detalle de costos de obras civiles
100
Tabla 3.33.
Detalle de gastos de mano de obra
100
Tabla 3.34.
Detalle de costos variables
101
Tabla 3.35.
Detalle de costos de operación
101
Tabla 3.36.
Detalle de costos de inversión
102
Tabla 3.37.
Detalle de ventas
103
Tabla 3.38.
Flujo de caja para 4 años
104
Tabla 3.39.
Indicadores económicos para la implementación del sistema
de tratamiento de aguas residuales
105
Tabla AII.1.
Equipos y materiales para análisis de DQO
128
Tabla AII.2.
Reactivos para análisis de DQO
129
Tabla AII.3.
Equipos y materiales para análisis de DBO
131
Tabla AII.4.
Reactivos para análisis de DBO
132
Tabla AIII.1.
Principales característias de los filtros percoladores
139
Tabla AIV.1.
Rango de velocidades específicas superficiales para el diseño
del agitador
140
Tabla AVI.1.
Requerimientos energéticos para tanques agitados
142
Tabla AXII.1.
Rango de velocidades para el diseño de tuberías
160
vii
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1.1.
Almacenamiento de materia prima cárnica en cuartos fríos a
4 ºC – 6 °C
7
Figura 1.2.
Máquina picadora de carne
8
Figura 1.3.
Proceso de mezclado y amasado de las materias primas para
elaboración de embutidos
9
Figura 1.4.
Máquina embutidora
10
Figura 1.5.
Hornos de ahumado de embutidos
11
Figura 1.6.
Cuartos de enfriamiento para embutidos
12
Figura 1.7.
Proceso de empacado y etiquetado de productos
13
Figura 1.8.
Esquema de una trampa de grasa
17
Figura 1.9.
Lombriz Eisenia foetida
20
Figura 1.10.
Humus de lombriz
21
Figura 1.11.
Esquema del lombrifiltro
25
Figura 1.12.
Esquema de un tamiz estático
26
Figura 1.13.
Esquema de una celda Denver
27
Figura 1.14.
Agitadores de turbina para elevar sólidos suspendidos
28
Figura 1.15.
Nomenclatura de equipos en la planta de tratamiento
30
Figura 1.16.
Nomenclatura para identificación de tuberías
31
Figura 1.17.
Nomenclatura para identificación de válvulas
31
Figura 3.1.
Ubicación del sitio de muestreo de las aguas residuales
54
Figura 3.2.
Caudales de las muestras individuales durante los tres días
de muestreo
56
Figura 3.3
Muestra del agua residual de la fábrica de embutidos
57
Figura 3.4.
Separación de aceites y grasas de la fase acuosa
60
viii
Figura 3.5.
Trampa de grasa construida en el laboratorio
61
Figura 3.6.
Lombrifiltro construido en el laboratorio
64
Figura 3.7.
DBO5 del efluente en función del tiempo para los caudales
de 1,5 L/día y 3,5 L/día
67
Resultados de DQO del efluente en función del tiempo para
diferentes caudales
70
Figura 3.9.
Regresión lineal de la reacción de primer orden
73
Figura 3.10.
Regresión lineal de la reacción de segundo orden
74
Figura 3.11.
Regresión lineal de la reacción de tercer orden
74
Figura 3.12.
Dimensiones de la celda de flotación y agitador
86
Figura 3.13.
Balance de masa en la planta de tratamiento de aguas
residuales
87
Figura 3.14.
Diagrama BFD de la planta de tratamiento de aguas
residuales
89
Diagrama PFD de la planta de tratamiento de aguas
residuales
90
Figura 3.16.
Sistema de control en el tanque de almacenamiento TK-105
95
Figura 3.17.
Diagrama PID de la planta de tratamiento de aguas
residuales
96
NORMA NTE INEN 2 176:1998 (1998-08). Agua. Calidad
del agua. Muestreo, Manejo y Conservación de muestras
124
Figura AV.1.
Número de bombeo
141
Figura AVIII.1
Dimensiones del Lombrifiltro
147
Figura AXII.1.
Diámetros de tuberías
163
Figura AXII.2.
Diagrama de Moddy
166
Figura AXIII.1. Especificaciones de bombas centrífugas
170
Figura 3.8.
Figura 3.15.
Figura AI. 1.
ix
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO I
Norma técnica ecuatoriana NTE INEN 2 169:98. Agua. Calidad del agua.
Muestreo. Manejo y conservación de muestras
124
ANEXO II
Procedimientos APHA para determinar DQO, DBO5, sólidos suspendidos
y aceites y grasas
128
ANEXO III
Principales características de los filtros percoladores
139
ANEXO IV
Rango de velocidades específicas superficiales para el diseño del agitador
140
ANEXO V
Diagrama del número de bombeo, Np para el diseño del agitador
141
ANEXO VI
Potencia requerida para el diseño del agitador
142
ANEXO VII
Escalado de trampa de grasa
143
ANEXO VIII
Escalado del lombrifiltro
145
ANEXO IX
Diseño del tanque de almacenamiento
148
ANEXO X
Escalado de un sistema de flotación por aireación
149
ANEXO XI
Balance de masa
153
ANEXO XII
Diseño de tuberías
160
ANEXO XIII
Selección de bombas
168
x
RESUMEN
El presente estudio tuvo como principal objetivo el diseño de un sistema de
tratamiento de aguas residuales provenientes de una fábrica de embutidos, con el
fin de que el efluente tratado cumpla con la Resolución N°2-SA-2014 del Distrito
Metropolitano de Quito para descargas líquidas al alcantarillado. Para el efecto, se
realizó un muestreo compuesto durante tres días que permitió recoger una muestra
representativa de los efluentes de la fábrica, se caracterizaron los parámetros más
relevantes de una industria de embutidos, los cuales fueron: aceites y grasas que
presentaron un porcentaje de excedente de 2 984,3 %; de DBO5 con exceso de
1 261,3 %; DQO con 772,2 % y sólidos suspendidos con 3 030,5 %.
Los resultados obtenidos de la caracterización determinaron que los efluentes
industriales no cumplieron con lo establecido en la norma técnica mencionada, por
lo que para reducir los contaminantes al límite permisible se evaluó un tratamiento
de aguas residuales con base en una trampa de grasa, un lombrifiltro y un sistema
de flotación por aireación.
Para el diseño de la planta de tratamiento se utilizaron las condiciones óptimas de
operación de los tratamientos realizados en el laboratorio; se tomaron 5,2 min como
tiempo de separación gravitatoria en la trampa de grasa, un tiempo de filtración de
14 h en el lombrifiltro, con una eficiencia de 86,7 % en remoción de DBO 5 y 20 min
en el sistema de flotación por aireación.
La planta contempla una trampa de grasa de 0,3 m de longitud, 0,3 m de ancho,
1,4 m de altura, una bomba centrífuga de 0,06 kW; tres lombrifiltros de 2,7 m de
altura total, 1,5 m de altura del lecho, 5,5 m de ancho, 6,5 m de longitud y un tiempo
de contacto entre el agua y el lecho de 14 horas. Como resultado del tratamiento
biológico se obtiene humus de lombriz que genera ingresos a la empresa. Tambien
cuenta con un tanque de almacenamiento de 4,2 m de diámetro y 2,1 m de alto; una
bomba de 0,18 kW, un sistema de flotación por aireación con una celda de 0,70 m
de largo, 0,70 m de ancho, 1,40 m de altura, un tiempo de flotación de 40 min y un
agitador de cuchillas inclinadas con 0,19 kW. El sistema de tuberías se diseñó con
xi
base en la ubicación y la distancia comprendida entre los equipos dispuestos en la
planta.
Los efluentes de la fábrica de embutidos cumplieron con la Resolución Nº2-SA-2014
al presentar valores de DBO5 de 34,7 mg/L, DQO de 53,4 mg/L, concentración de
sólidos suspendidos de 95,0 mg/L y 62,3 mg/L de aceites y grasas.
La evaluación económica determinó que la implementación de una planta que
permita tratar aguas residuales en el sector industrial de Carcelén tendría una
inversión inicial de $ 60 066,97, que generaría un VAN positivo de 19 195,87 USD
y un TIR de 24,00 %, lo que significa que el proyecto es viable. El funcionamiento
adecuado de la planta representaría una inversión para la fábrica, ya que al cumplir
con la Resolución Nº2-SA-2014, no tendría que cancelar multas impuestas en la
Ordenanza Nº 404.
xii
INTRODUCCIÓN
En el Ecuador el mercado de embutidos está constituido por más de 300 fábricas,
de las cuales solo 30 pertenecen a la industrial formal, es decir, están legalmente
constituidas, y solo tres grandes empresas lideran el mercado. De todos los
productos que se ofrecen en una fábrica de embutidos, las mortadelas y salchichas
son las más comunes y consumidas por los ecuatorianos, seguidos del chorizo y
jamón (Flores, 2011, p. 2; ProChile Guayaquil, 2014, p. 7).
El principal impacto ambiental derivado de la actividad de las industrias cárnicas se
produce en forma de vertidos líquidos; el alto contenido de sólidos, la mezcla de
sangre, grasas y carne constituyen una carga contaminante elevada, lo que
establece que los parámetros más relevantes en la caracterización de los efluentes
de este tipo de fábricas, sean: DBO5, DQO, sólidos suspendidos, aceites y grasas
que al ser descargados al alcantarillado sin tener un tratamiento adecuado generan
contaminación del entorno y un elevado costo para la empresa (Kusanovic, 2009, p.
1; Ramos, 2014, p. 3).
Todos los vertidos líquidos industriales, comerciales o de servicios descargados al
alcantarillado o en cuerpos receptores deben presentar un límite permisible de
contaminantes establecidos en la norma técnica para el control de descargas
líquidas. Resolución Nº2-SA-2014, con la finalidad de preservar el bienestar y la
salud de la comunidad (MDMQ, 2014, p.18).
Las aguas residuales de la fábrica de embutidos contienen un concentración
promedio de 2 159,0 mg/L de aceites y grasas, 2 314,2 mg/L de DBO5, 3 054,5 mg/L
de DQO y 3 130,5 mg/L de sólidos suspendidos valores que incumplen con los
límites permisibles en la Resolución Nº2-SA-2014; debido a la alta concentración de
DBO5 es necesario el desarrollo de un tratamiento biológico, puesto que la
descomposición de la materia biológica ocurre de manera rápida cuando las aguas
residuales presentan relaciones entre DBO5 y DQO de 0,5 o mayores a 0,5
(Fresenius, Schneider, Böhnke y Pöppinghaus, 2013, p. 126).
El lombrifiltro es un tratamiento que consiste en un biofiltro dinámico y aeróbico que
xiii
utiliza la lombriz Eisenia foetida; estos organismos consumen la materia orgánica
presente en los efluentes residuales y la transforman en humus, el cual no causa
impactos negativos, no produce olores ni lodos. Este sistema puede llegar a
eficiencias de remoción de DBO5 hasta 95 %, es una alternativa económica y de
fácil uso, en comparación con otros tratamientos como lodos activos o lagunas de
estabilización (Cano y Palacios, 2013, p. 21; Hernández, 2005, p. 45).
A la lombriz se le conoce como un animal ecológico que transforma todos los
residuos de la sociedad humana en humus de alta calidad y lo devuelve al suelo
revitalizándolo. La lombriz Eisenia foetida es una de las especies que puede
sobrevivir
mejor
en
presencia
de
residuos
carbónicos,
además
ingiere
aproximadamente su propio peso, expele el 60 % materia orgánica transformada en
humus, y el 40 % lo usa para procesos vitales. Se puede encontrar fácilmente a
estos organismos en la tierra o en lugares dispuestos para su crianza (Salazar,
2005, p. 60).
Para el desarrollo adecuado del tratamiento biológico es necesario remover
primeramente las grasas y aceites del efluente ya que pueden generar alteraciones
en el lombrifiltro debido a que estos contaminantes causan dificultades en procesos
aeróbicos, en la difusión del oxígeno en el agua y la degradación de materia
orgánica. Consecuentemente, a continuación del lombrifiltro es necesario un
sistema de flotación por aireación que permita remover los sólidos provenientes del
lombrifiltro (Zamora, 2011, p. 129).
La implementación de este sistema de tratamiento permite mejorar la calidad del
agua, evitar sanciones y el posteriormente el cierre de la fábrica de embutidos por
el incumplimiento de la Ordenanza Nº 404.
1
1 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
1.1 PROCESO DE PRODUCCIÓN DE CÁRNICOS Y EMBUTIDOS
1.1.1 LA CARNE
La carne es el tejido muscular de animales faenados, que ha sido dictaminada
inocua y apta para el consumo humano, constituye una fuente de proteínas, grasas
y minerales. Se considera como carnes a las partes comestibles de los músculos
de animales de sangre caliente (Galeas, Inga, Peñaranda y Rojas, 2009, p. 26).
Se entiende por embutidos y derivados cárnicos a los alimentos elaborados a partir
de la mezcla entre carne, sal, grasas, condimentos, especias y aditivos introducidos
en tripas naturales o artificiales (Carballo y Jiménez, 2011, p. 2).
1.1.2 COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA CARNE
La composición de la carne varía de acuerdo al animal y a las distintas partes de
donde procede la misma. Las proteínas ocupan un lugar preferencial ya que se
encuentran en mayor porcentaje que en otros alimentos, en la Tabla 1.1 se presenta
la composición química de la carne de distintos animales (Galeas et al. 2009, p. 27).
Tabla 1.1. Composición química de la carne de distintos animales
Carne
Agua
(%)
Proteinas
(%)
Grasas
(%)
Minerales
(%)
Contenido
energetico
(kcal/100 g)
Vacuno
60,0
17,5
22,0
0,9
96
Ternera
66,0
18,8
14,0
1,0
93
Cerdo
42,0
11,9
45,0
0,6
108
Cordero
56,0
15,7
27,7
0,8
120
Pollo
66,0
20,2
12,6
1,0
136
Pavo
58,3
20,1
20,2
1,0
270
Pato
52,8
16,2
30,0
1,0
234
(Mendoza, Pacheco y Quiroz, 2004, p. 68)
2
Proteínas
Las proteínas son sustancias elementales que proporcionan aminoácidos
esenciales al organismo del ser humano, permitiendo un adecuado desarrollo de los
sistemas, obtención de energía, vitalidad y fuerzas para reaccionar ante infecciones
y enfermedades (González, Nájera, Sampedro y Téllez, 2007, p. 4).
La mayor parte de las proteínas se encuentran en productos alimenticios de origen
animal, como la carne y sus derivados. Todos los tipos de carnes separados de la
grasa visible y de los huesos contienen porcentajes de proteínas entre 16 % y
22 %. Las proteínas principales que contiene la carne son la mioglobina y el
complejo actinamiosina, las cuales son responsables de la contracción muscular
(Galeas et al., 2009, p. 27).
Grasas
Las grasas provienen de una variedad de grupos de alimentos, principalmente de
grupos derivados de la carne, leche y aceites. Estos componentes constituyen una
considerable fuente de energía y ayudan a la absorción de vitaminas en las
personas (Ortega, 2006, p. 2).
Las grasas cárnicas están constituidas en su mayoría por ácidos grasos saturados,
con presencia notable de colesterol dependiendo de la alimentación del animal. El
contenido graso de las carnes varía entre 2 % y 25 %, dependiendo de la especie
de animal o de sus distintas partes comestibles (Alcolea, Martínez y Rubiales, 2007,
p. 199; Galeas et al., 2009, p. 29).
Con base en el contenido de grasa, se puede diferenciar tres tipos de carne:
·
Carnes magras: aquellas que poseen menos del 10 % de grasa
·
Carnes con poca grasa: son las que tienen un contenido graso entre 10 % y
20 %
3
·
Carnes grasas: presentan entre 20 % y 25 % de grasa (Alcolea, Martínez y
Rubiales, 2007, p. 199).
Carbohidratos
Los carbohidratos son biomoléculas que proporcionan energía y se presentan en la
carne en concentraciones insignificantes, a excepción del hígado que puede
alcanzar hasta un 6 %.
El glucógeno, presente en la carne al llegar al consumo humano es transformado
en ácido láctico, por lo cual el balance final de hidratos de carbono es cero (Alcolea,
Martínez y Rubiales, 2007, p. 200).
Vitaminas
Son compuestos orgánicos imprescindibles para asegurar las funciones vitales de
los seres vivos, participan en la formación de hormonas, células sanguíneas y
material genético. En su mayoría, se desempeñan como biocatalizadores,
combinándose con proteínas para formar enzimas metabólicamente activas. Estas
sustancias no pueden ser generadas de manera directa por el organismo por lo que
necesita ser ingerido en la dieta (Pardo, 2004, p. 234).
Las carnes son fuente importante de vitaminas tales como B12, niacina y B2 de las
cuales las carnes proporcionan de 25 % al 50 % de las necesidades diarias de las
personas (Carvajal, 2001, p. 7).
Agua
El agua es el componente principal de la carne, constituye del 65 % al 80 % del peso
de la misma. El agua presente en este tejido muscular se considera un factor de
calidad debido a que afecta a la jugosidad, consistencia, color, terneza y sabor; es
4
el medio en donde se dan las reacciones biológicas e influye en los cambios que
ocurren durante su almacenamiento y procesado (Amézquita, Arango y Restrepo,
2001, p. 32; Galeas et al., 2009, p. 29).
1.1.3 ADITIVOS Y CONSERVANTES UTILIZADOS EN LA ELABORACIÓN DE
PRODUCTOS CÁRNICOS
En la fabricación de los productos cárnicos la materia prima principal es la carne de
los animales, el resto de sustancias añadidas en pequeñas cantidades
corresponden a ingredientes o aditivos que permiten la conservación, textura y el
mejoramiento del sabor de los productos (Hernández, 2011, p. 1).
A continuación se describen sustancias que se añaden intencionalmente en el
proceso de transformación de la carne para obtener como producto final embutidos
o derivados cárnicos (Oña, Pérez y Serrano, 2012, p. 64).
Condimentos y especias
Las especias y condimentos son sustancias vegetales que se encuentran en estado
sólido o líquido, tienen una acción sazonante y aromatizante que puede ser
modificada según el producto. Las especies deben estar libres de microorganismos
o de sustancias extrañas que no den las características esperadas en los productos
cárnicos (Mármol, 2011, p. 11).
Los condimentos y especias más utilizados en la elaboración de embutidos son: ajo,
perejil, orégano, romero, laurel, pimienta entre otros.
Sal
La sal común o el cloruro de sodio es el ingrediente más crítico en la elaboración
5
de embutidos, es utilizada debido a que aporta sabor y olor a los productos cárnicos,
ayuda a reducir la actividad de agua de manera que inhibe el crecimiento bacteriano
y facilita la conservación de un producto (Freixanet, 2012 p. 28).
Potenciadores de sabor
Estas sustancias se utilizan en pequeñas concentraciones en los alimentos, no
presentan ningún sabor por sí solos pero refuerzan la intensidad de otros
componentes presentes en los productos, acentuando sabores básicos y
modificando así las características organolépticas (Quingatuña, 2009, p. 41).
Entre los principales se tienen glutamato monosódico y aminoácidos como la
asparagina.
Saborizantes
Son compuestos que poseen un sabor propio a diferencia de los potenciadores de
sabor, son extraídos de productos naturales o sintetizados artificialmente; son
capaces de reforzar el sabor o el aroma de un producto cárnico. Los saborizantes
más importantes son: aceites esenciales, extractos, bálsamos, infusiones, etc
(Galeas et al., 2009, p. 54).
Azúcares
Son biomoléculas orgánicas que se utilizan básicamente como depresores de la
actividad de agua, se añaden por su capacidad edulcorante y para minimizar el
sabor salado generado por adición de salmueras en los alimentos, son dosificados
en concentraciones mínimas dependiendo de la acidez del producto.
Los azúcares más utilizados son: la sacarosa, glucosa, lactosa y maltosa (Freixanet,
2012 p.29; Gavilán, 2012, p.12).
6
Nitritos y nitratos
Los nitratos y nitratos son compuestos iónicos que se utilizan en la elaboración de
productos cárnicos como aditivos para proporcionar un color adecuado a la carne,
retrasar el proceso de oxidación de los lípidos, dar aroma, producir mayor firmeza
en
la
textura,
conservar los
alimentos y contribuir con
características
antimicrobianas debido a que inhiben el crecimiento del Clostridium botulinum
(Antón y Lizaso, 2001 p. 3; Galeas et al., 2009, p. 56).
Espesantes y gelificantes
Los espesantes son sustancias compuestas por carbohidratos que se agregan a los
alimentos para aumentar su consistencia y viscosidad. El almidón es una sustancia
que al calentarse absorbe agua y aumenta de tamaño, lo que provoca que los
líquidos se espesen (Galeas et al. 2009, p. 57; Rodríguez, 2012, p. 51).
Los agentes gelificantes son proteínas o carbohidratos que a diferencia de los
espesantes, son capaces de formar geles. El almidón, es un compuesto que
también actúa como gel, al disolverse en los alimentos espesan y estabilizan,
dándoles mayor textura y una apariencia sólida, facilitando la manipulación de los
embutidos (Rodríguez, 2012, p. 51).
Antioxidantes
Las reacciones de oxidación pueden generar radicales libres y estos empezar a
reaccionar en cadena produciendo daños a las células de la carne. Los
antioxidantes son sustancias que inhiben o retardan el proceso oxidativo de las
moléculas, protegen la calidad sensorial de los alimentos y ayudan a prolongar la
vida útil de los productos cárnicos frente al enranciamiento de la grasa y los cambios
de color. Entre los más utilizados se tienen: al ácido ascórbico, ascorbato sódico,
ácido cítrico y citratos (Descalzo, Insani, Pensel y Rossetti et al, 2000, p. 1; Gavilán,
2012, p. 24).
7
1.1.4 PROCESOS DE PRODUCCIÓN DE CÁRNICOS Y EMBUTIDOS
Los residuos más importantes en este tipo de industrias son los vertidos líquidos,
debido al elevado consumo de agua, la cual se utiliza tanto para la limpieza de los
equipos como para la preparación de los embutidos o productos cárnicos (CAR-PL,
2006, p. 111).
En función del tipo de producto, la fabricación de embutidos y derivados cárnicos
puede constar de diferentes fases que en general, se pueden agrupar en los
procesos que se describen a continuación:
1.1.4.1 Recepción de la materia prima
La materia prima se transporta en vehículos adecuados para conservar alimentos y
se recibe en cuartos herméticos a una temperatura entre 4 ºC y 6 ºC como se
observa en la Figura 1.1, en donde es inspeccionada por los trabajadores para
mantener su inocuidad (Loarca, 2011, p. 5).
Figura 1.1. Almacenamiento de materia prima cárnica en cuartos fríos a 4 ºC – 6 °C
(AMEG, 2015, p. 1)
8
Cuando la carne va a ser utilizada inmediatamente, se envía
al cuarto de
deshuesado donde se corta y se retiran los huesos en mesas de acero inoxidable y
base de tubos galvanizados. Una vez terminado este proceso las mesas son
lavadas con agua, arrastrando consigo residuos generados como grasas, carnes y
sangre, las cual es dirigida hacia canaletas ubicadas en el cuarto de deshuesado
(Loarca, 2011, p. 5).
1.1.4.2 Picado o molido
La carne troceada se introduce en una máquina picadora compuesta generalmente
de una tolva de carga, un tornillo sinfin que transporta la carne hacia unas cuchillas
giratorias, para luego enviarla a un disco perforado con diferentes tamaños de
diámetros. De acuerdo a su grado de picado los embutidos se pueden diferenciar
en: los que se sometieron a picado grueso (chorizo), medianamente picados
(salami) y finamente picados (mortadela) (Carballo y Jiménez, 2011, p. 8).
En la Figura 1.2 se observa la tolva que contiene la carne en pedazos y la salida
final de la materia prima después de ser picada y molida.
Figura 1.2. Máquina picadora de carne
(Mitmaq, 2014, p.2)
9
La limpieza de este equipo provoca la contaminación del agua al remover los sólidos
que quedan del picado y molido de las carnes, el agua de este proceso es conducida
por canaletas hasta el punto de descarga de la fábrica (Loarca, 2011, p. 6).
1.1.4.3 Mezclado y amasado
Luego del picado y enfriamiento de la materia prima cárnica, se envía a una máquina
mezcladora, donde se amasa con el resto de ingredientes como salmuera, especias
y aditivos. Este proceso se realiza en mezcladoras-amasadoras provistas de
paletas, giratorias, con el fin de conseguir una masa uniforme como se puede
observar en la Figura 1.3 (Carballo y Jiménez, 2011, p. 8).
Figura 1.3. Proceso de mezclado y amasado de las materias primas para elaboración de
embutidos
En el mezclado y amasado se debe mantener la masa cárnica a una temperatura
de 4 ºC para evitar que la grasa llegue a su punto de fusión y permitir un mejor
acondicionamiento de la mezcla, el lavado de este equipo provoca la contaminación
del agua al remover los sólidos como carnes, especias, condimentos, etc. que
10
permanecieron en la máquina mezcladora después de este proceso (Carballo y
Jiménez, 2011, p. 8; Loarca, 2011, p. 4).
1.1.4.4 Embutido
La pasta de carne preparada en la mezcladora pasa inmediatamente a una máquina
embutidora que impide el calentamiento de la masa y la introduce en tripas formando
el embutido; este proceso debe darse entre 4 ºC y 5 ºC. Las tripas tienen el objetivo
de dar forma, elasticidad y protección al producto, además de facilitar la estabilidad
al momento de comercializarlos, En la Figura 1.4 se observa el proceso en el que la
masa cárnica es introducida en las tripas (Loarca, 2011, p. 4).
Figura 1.4. Máquina embutidora
(Vemag, 2007, p. 1)
Las tripas o envolturas pueden ser de materiales naturales provenientes de los
intestinos de los animales como de la vaca o del cerdo, artificiales constituidas por
fibras de colágeno o sintéticas elaborados a partir de celulosa y polímeros (Carballo
y Jiménez, 2011, p. 10; Loarca, 2011, p. 4).
11
1.1.4.5 Cocimiento y ahumado
El cocimiento se realiza en un área ubicada en forma independiente del resto de
áreas de producción por la gran cantidad de humo, vapor generado por los hornos
y la excesiva temperatura del ambiente. Dependiendo del tipo de producto, el
cocimiento puede durar varias horas o algunos días (Loarca, 2011, p. 5).
En la Figura 1.5 se muestran productos cárnicos en hornos para obtener
características de ahumado (Carballo y Jiménez, 2011, p. 12).
Figura 1.5. Hornos de ahumado de embutidos
(Doral, 2012, p. 10)
La cocción tiene como objetivo dar una consistencia firme al embutido debido a la
coagulación de las proteínas y a la deshidratación parcial del producto, además fija
su color. La temperatura de este proceso depende del tipo de producto a elaborar
generalmente se utiliza temperaturas entre 75 ºC y 80 °C durante períodos de
tiempo de 10 a 120 minutos. El descongelamiento de la carne, la cocción del
producto cárnico y la limpieza del equipo produce la alteración del agua ya que
arrastra residuos sólidos como grasas, carnes, especias, azúcares, sangre y
aditivos a las canaletas ubicadas en la planta de producción (Loarca, 2011, p. 5).
12
El ahumado es un proceso en el cual se da al producto un aspecto y aroma
característico, los compuestos de humo tienen un efecto bactericida por lo que
inhiben el crecimiento de bacterias y los protegen frente a la oxidación de las grasa,
se puede realizar a temperaturas entre 20 ºC y 80 °C con períodos de tiempo de
30 minutos a 48 horas dependiendo del tipo de embutido (Carballo y Jiménez, 2011,
p. 12).
1.1.4.6 Enfriamiento
Los embutidos se cuelgan en carros durante el proceso de enfriamiento como se
presenta en la Figura 1.6.
Figura 1.6. Cuartos de enfriamiento para embutidos
Después del período de cocimiento es conveniente enfriar los embutidos fuera de
los hornos, para esto se utilizan duchas especiales que distribuyen de manera
uniforme agua sobre los carros donde se encuentra el producto. Esta agua a parte
de enfriar el producto permite limpiar los embutidos removiendo residuos de
especias, carne, etc. que han quedado adheridas a la superficie de la tripa que
envuelve el producto (Loarca, 2011, p. 6).
13
1.1.4.7 Empacado y etiquetado
Una vez que la producción haya terminado, es necesario preparar el producto para
su empaque final.
Para evitar la proliferación de microorganismos y mantener la calidad del producto
cárnico hasta la distribución al consumidor se empacan en bolsas individuales al
vacío con gas inerte y se etiquetan con la fecha límite de consumo, en la Figura 1.7
se observa el empaquetado y etiquetado de productos (Loarca, 2011, p. 6).
Figura 1.7. Proceso de empacado y etiquetado de productos
(Dipack, 2014, p.2)
1.1.4.8 Almacenamiento y distribución del producto terminado
El producto debe ser despachado con base en la fecha de elaboración y expiración
debido a que son alimentos perecederos, su trasporte a sitios de distribución se
debe realizar en vehículos que cuenten con un sistema de refrigeración que
mantenga y garantice la cadena fría de los productos; es decir, cuando se transporte
productos frescos, la temperatura se encontrará entre 0 ºC y 4 ºC, y de ser el caso
14
de productos congelados se deberá mantener una temperatura mínima de -18 °C
(Loarca, 2011, p.3; Senasica, 2012, p.15).
1.2
TRATAMIENTOS
DE
EFLUENTES
DE
INDUSTRIAS
ALIMENTICIAS
1.2.1 PRINCIPALES CONTAMINANTES DE AGUAS RESIDUALES EN LA
INDUSTRIA DE PRODUCTOS CÁRNICOS
Los principales parámetros que definen las características físico químicas de las
aguas residuales de una industria cárnica se indican en la Tabla 1.2 (Rodríguez y
Fabiola, 2012, p. 9).
Tabla 1.2. Parámetros principales para la caracterización de efluentes de la industria
cárnica
Parámetros
Fuentes principales de
contaminación
DBO5 y DQO
Sangre, proteínas, aditivos, carne
Sólidos suspendidos
Residuos de carne, especias
Aceites y grasas
Carne, tejidos, pieles
(Kusanovic, 2009, p.1; Ramos, 2014, p.3)
A continuación se describen los parámetros mas importantes en la calidad del agua
residual de una industria cárnica.
Grasas y aceites
Se consideran aceites y grasas a los compuestos de carbono, hidrógeno y oxígeno
que flotan en el agua residual. Estos lípidos se caracterizan por ser insolubles en
15
agua y solubles en ciertos solventes orgánicos no polares, cubren superficies con
las se encuentran en contacto, pueden causar problemas en el mantenimiento, daño
en las tuberías y alterar la actividad biológica debido a que no se degradan
fácilmente (Crites y Tchobanglous, 2000, p. 42; Romero, 2001, p. 59).
Materia orgánica
Los sólidos suspendidos presentes en el efluente pueden llegar a contener 75 % de
materia orgánica y 40 % de sólidos disueltos. La materia orgánica de las aguas
residuales procedentes de industrias de alimentos es una combinación de carbono,
hidrógeno, oxígeno y nitrógeno (CHON) principalmente; las proteínas de (40 % a 60
%), los carbohidratos de (25 % a 50 %) como grupos más importantes. Las
concentraciones de materia orgánica se mide mediante DBO5, DQO y COT
(Romero, 2001, p. 60).
Sólidos suspendidos
Los sólidos suspendidos comprenden la materia orgánica e inorgánica que se
encuentra en fase sólida en los efluentes industriales causantes de la turbidez de
las aguas como por ejemplo: restos de carnes, especias, condimentos, etc. Son
materiales retenidos por un filtro estándar de fibra de vidrio y secados a
103 °C-105 °C. (Ramos, Sepulveda, y Villalobos, 2003, p. 87).
Demanda bioquímica de oxígeno (DBO5)
Es la cantidad de oxígeno que necesitan los microrganismos para oxidar en
condiciones aeróbicas la materia orgánica biodegradable presente en las aguas
residuales (Gómez y Álvarez, 2008, p. 25).
La DBO5 es el parámetro más utilizado para medir la calidad de las aguas residuales
de industrias alimenticias y al momento de diseñar sistemas de tratamiento biológico
16
debido a que permite valuar la eficiencia de los tratamientos y fijar cargas orgánicas
permisibles en fuentes receptoras (Lehmann, Martínez y Muñoz, 2000, p. 212).
Los vertidos que presentan valores altos de DBO5 son aquellos que aportan grandes
cantidades de materia orgánica como las aguas residuales urbanas, efluentes de
mataderos e industrias alimentarias, entre otros. El componente que presenta una
elevada concentración de carga orgánica en las aguas residuales, principalmente
en los efluentes de mataderos y fábricas de productos cárnicos, es la sangre, debido
a la naturaleza de la materia prima (Aldás, 2004, p. 31).
Demanda química de oxígeno (DQO)
La demanda química de oxígeno corresponde a la cantidad de oxígeno necesaria
para oxidar la materia orgánica mediante la utilización de un fuerte oxidante químico
en un medio ácido. En general, la DQO es más alta que la DBO5, debido a que un
mayor número de compuestos pueden ser oxidados químicamente que
biológicamente (Rengel, 2000, p. 20).
La demanda química de oxígeno se usa para determinar la carga orgánica de los
efluentes que no son biodegradables o que presentan compuestos que inhiben la
actividad de los microrganismos (Aldás, 2004, p. 32).
1.2.2 TRATAMIENTO DE EFLUENTES DE INDUSTRIAS CÁRNICAS
1.2.2.1 Trampas de grasa
Las trampas de grasa forman parte de un tratamiento primario diseñado y construido
para separar los aceites y grasas de las aguas residuales procedentes de la
industria. Un tanque separador de aceites y grasas consiste en una cámara
diseñada para retener estos contaminantes, de manera que el material flotante
ascienda y permanezca en la superficie hasta que pueda ser retirado, Su objetivo
es impedir que obstruyan tuberías, dañen equipos, intervengan en la difusión del
17
oxígeno en el agua y en la degradación de la materia orgánica ya que puedan
provocar la disminución de la eficiencia del tratamiento secundario (Solís, 2014,
p. 59).
Generalmente el agua residual ingresa al tanque por debajo de la superficie libre del
agua mientras que el efluente clarificado es descargado por el interior del tanque
opuesto a la entrada, La trampa de grasa tiene un diseño hidráulico y un tiempo de
retención de acuerdo al caudal, proceso y naturaleza de los efluentes (Solís, 2014,
p. 59).
Figura 1.8. Esquema de una trampa de grasa
(Alba y Moya, 2000, p.22)
La Figura 1.8 muestra el esquema típico de una trampa de grasa y las dimensiones
consideradas para el diseño.
·
Existen recomendaciones para el diseño de trampas de grasa tomadas de
bibliografía, las cuales consideran que el diámetro de entrada ሺߪሻ debe tener
mínimo 50 mm y el de salida ሺ߶ሻ por lo menos 100 mm. El extremo final del
tubo de entrada del agua residual ሺߙሻ se debe encontrar sumergido por lo
menos 150 mm y el extremo del tubo de salida ሺߚሻ debe encontrarse hasta
una distancia mínima de 150 mm del fondo del tanque y con una sumergencia
ሺߛሻ de por lo menos 900 mm. La altura de la trampa de grasa está
representado por ߜ y la longitud del tanque por ߝ (Romero, 2001, p. 723).
18
Estos tanques se deben ubicar lo más cerca del punto de descarga de los efluentes
de la empresa para evitar la generación de malos olores (Ayala, 2008, p. 181).
Parámetros de diseño de la trampa de grasa
En la Tabla 1.3 se presentan los parámetros de diseño para una trampa de grasa.
Tabla 1.3. Parámetros de diseño de una trampa de grasa
Parámetro
Rango
Unidad
Área superficial
0,25
m2/(L/s)
Relación ancho/longitud
1 – 1/18
-
Tiempo de retención
3-5
min
(Fonseca, 2014, p. 132)
1.2.2.2 Lombrifiltro o biofiltro
Los lombrifiltros constituyen un tratamiento biológico para tratar aguas residuales
industriales que contengan un alto contenido de materia orgánica pues
adecuadamente diseñados, mantenidos y operados pueden llegar a una eficiencia
del 95 %. Constituyen una tecnología innovadora que permite el ahorro de energía
y genera un subproducto a través de la depuración de aguas residuales industriales
(Cano y Palacios, 2013, p. 20).
Los biofiltros no están diseñados para cumplir una acción de tamizado o filtración
sino para generar un efecto de oxidación biológica al poner en contacto al agua
residual con la biomasa presente en un medio de soporte fijo (Romero, 2001,
p. 551).
El biofiltro dinámico-aeróbico es una biotecnología que utiliza la lombriz Eisenia
foetida o lombriz roja californiana; estos organismos consumen la materia orgánica
presentes en los efluentes residuales y la transforman por oxidación en anhídrido
carbónico (CO2) y agua. No producen lodos, ya que generan un subproducto que
19
puede ser utilizado como abono natural debido a que parte de la materia orgánica
consumida se convertirá en humus de lombriz, este tratamiento de aguas es
dinámico por el constante movimiento de las lombrices y aeróbico por los
organismos y microorganismos que lo constituyen (Hernández, 2005, p. 45).
Lombricultura
La lombricultura es un biotecnología que usa la especie Eisenia foetida o lombriz
roja californiana; este organismo digiere cualquier tipo de materia orgánica y la
transforma en un abono 100 % natural conocido como humus, un fertilizante de
primer orden que corresponde a la heces de la lombriz y es utilizado para la
producción agrícola al mejorar los suelos por su alto contenido nutritivo (Hernández,
2005, p. 32).
Características físicas de la lombriz Eisenia foetida
Las características fisiológicas y morfológicas de esta especie la convierten en una
fábrica procesadora de materia orgánica de todo tipo, obteniendo como producto
final, el humus de lombriz (Cajas, 2009, p. 19).
La lombriz Eisenia foetida tiene un cuerpo alargado cilíndrico con extremos
delgados, está formado por 94 o 96 anillos donde cada uno tiene una función
específica, son animales invertebrados que se movilizan por contracción de sus
anillos y músculos. (Salazar, 2005, p, 62).
Este organismo es hermafrodita, es decir tiene ambos sexos pero no puede auto
fecundarse para reproducirse, necesita aparearse cada 7 días. De esta unión resulta
una cápsula que contiene de 2 a 20 lombrices que nacerán después de 3 semanas,
es decir, estas lombrices pueden duplicar su población cada 3 meses y alcanzar la
adultez entre los 7 y 9 meses, pueden vivir en cautiverio de 14 a 16 años, miden de
6,0 a 8,0 cm de largo, su cuerpo presenta un diámetro entre 3,0 a 5,0 mm y pesa
de 0,4 a 1,0 g, consume cada día el equivalente a su peso.
20
Las lombrices utilizadas en el proyecto presentaron diversos pesos y tamaños
debido a que existían organismos jóvenes (pequeñas y delgadas) y adultas (gruesas
y largas) (Salazar 2005, p. 63).
En la Figura 1.9 se observa a la lombriz Eisenia foetida o lombriz roja californiana
que se utilizó en el desarrollo de este proyecto.
Figura 1.9. Lombriz Eisenia foetida
Humus de lombriz
El humus es un fertilizante natural que se produce como resultado de la digestión
de las lombrices al consumir residuos orgánicos. Este abono natural posee una
riqueza en flora microbiana aproximadamente de 2 billones de microorganismos
vivos y activos, que al tener contacto con el suelo disuelven los minerales presentes
haciendo que aumente su capacidad biológica y por lo tanto su producción vegetal
(Cajas, 2009, p. 37; Tenecela, 2012, p. 49).
Como se observa en la Figura 1.10., el humus de lombriz presenta un color café, es
granulado y homogéneo de un olor similar a la tierra, su color oscuro favorece la
21
absorción de energía calórica y además neutraliza la presencia de insecticidas y
herbicidas (Salazar, 2005, p. 67).
Figura 1.10. Humus de lombriz
(Nova, 2011, p. 5)
El humus es un abono natural rico en elementos energéticos y minerales, ayuda al
drenaje, aireación y porosidad del suelo, el pH neutro permite la germinación de las
semillas, contiene sustancias fitoreguladoras que aumentan la inmunología de las
plantas, ayuda a controlar plagas, producen el aumento del tamaño de las plantas,
minimiza los cambios bruscos de temperatura y humedad y protege al suelo de la
erosión (Tenecela, 2012, p. 50).
En la Tabla 1.4 se presenta la composición química del humus de lombriz.
Tabla 1.4. Composición química del humus de lombriz
Parámetro
Valores
Humedad
30 % - 60 %
pH
6,8-7,2
Nitrógeno
1,0 % - 2,6 %
22
Tabla 1.4. Composición química del humus de lombriz (continuación…)
Parámetro
Valores
Fósforo
2,0 % -8,0 %
Potasio
1,0 % - 2,5 %
Calcio
2,0 % - 8,0 %
Magnesio
1,2 % - 5,0 %
Materia orgánica
30,0 % -70,0 %
Carbono orgánico
14, 0 % -30,0 %
Ácido fulvónicos
14,0 % -30,0 %
Sodio
0,02 %
Cobre
0,05 %
Hierro
0,02 %
Manganeso
0,006 %
Relación C-N
10, 0 -11,0
(Fuentes, Martínez y Yanes, 2005, p.27)
Condiciones del hábitat de la lombriz Eisenia foeida
·
El rango de temperatura en el que puede vivir oscila entre los 15 ºC y 24 °C,
siendo la temperatura adecuada aproximadamente 20 °C. No soporta el frío
excesivo (0°C) ni altas temperaturas (> 42°C) en cualquiera de estas dos
condiciones se reflejará la disminución de la actividad sexual y de la
producción de humus.
·
El sustrato debe tener un pH entre 4,5 y 8,5, fuera de este rango la lombriz
entra en un período de latencia afectando su reproducción.
·
Debe habitar en un medio de baja luminosidad ya que la exposición a los
rayos ultravioletas puede llegar a matarla en cuestión de minutos debido a
que disminuye la humedad de su cuerpo.
23
·
La humedad favorable para que la lombriz se reproduzca y genere abono
natural es de 70 % al 80 %. Debajo del límite inferior de humedad el ambiente
puede ser mortal para las lombrices. Si la humedad sobrepasa el 80 % fallará
la oxigenación de estos organismos y entrarán en un período de latencia,
afectando la producción de humus.
·
La lombriz se alimenta de cualquier sustancia orgánica, azúcares, sales y
celulosa, los que ayudarán a la reproducción y generación de humus
(Salazar, 2005, p. 65).
Esta especie no contrae ni transmite enfermedades, ya que al ingerir organismos
patógenos como bacterias, hongos y protozoos los destruye en su tracto intestinal,
convirtiéndolos en abono natural (Hernández, 2005, p. 39).
Para el proceso biológico involucrado en la filtración de aguas residuales
industriales a través de un lecho con lombrices; los organismos y microorganismos
presentes en el sustrato permiten una alta eficiencia en la degradación de la materia
orgánica, siendo la lombriz muy útil en la aireación, remoción y porosidad del medio
con su constante movimiento (Salazar, 2005, p. 64).
Ventajas del uso del lombrifiltro
·
No se satura, debido a la acción de las lombrices que con su constante
movimiento crean túneles o canales que aseguran la permeabilidad del filtro,
los sólidos que podrían causar obstrucción son digeridos por las lombrices.
·
Genera como subproducto humus de lombriz, que puede ser utilizado como
abono natural.
·
No utiliza reactivos químicos que contaminen el ambiente.
·
Los costos de inversión y mantenimiento son mínimos ya que no consumen
energía eléctrica ni se utilizan insumos adicionales.
24
·
Este tratamiento puede ser dimensionado a diferentes escalas (Hernández,
2005, p. 36).
Desventajas del uso del lombrifiltro
·
No es recomendado para aplicación en proyectos de tratamiento de aguas
residuales con caudales mayores a 4 000 m3 /día, debido a que requiere de
extensas superficies de tierra para su implementación y consecuentemente
el aumento de humedad en el medio hace que las lombrices entren en un
período de latencia afectando la producción de humus y la eficiencia de
remoción de DBO5.
·
No soporta amplios períodos sin alimentación ya que las lombrices se
alimentan de la materia orgánica que aportan las aguas residuales.
·
Necesita de protección de los rayos ultravioletas y de animales que pueden
alimentarse de las lombrices como: pájaros, ratas, ratones, sapos, etc. por lo
que se sugiere cubrir al lombrifiltro con mallas resistentes que permitan la
aireación del sistema y protejan al filtro de los depredadores de estos
organismos (Dourojeanni, 2013, p. 5).
Funcionamiento del lombrifiltro
Este sistema está constituido por tres capas de diversos materiales. La capa
superior constituye un gran número de lombrices y microorganismos en un lecho de
aserrín y viruta los cuales forman el medio en el que se desarrollan estos seres
vivos, los mismos que digieren la materia orgánica dejando al agua sin su principal
contaminante, le sigue una capa de grava o ripio y finalmente una tercera capa
formada por piedras de mayor tamaño, las capas constituidas por piedras
proporcionan soporte y aireación al sistema garantizando su permeabilidad, el
esquema del lombrifiltro se presenta en la Figura 1.11 (Kusanovic, 2009, p. 5).
25
El agua residual que es rociada sobre el lombrifiltro atraviesa el lecho que contiene
a las lombrices, el efluente desciende mediante gravedad descargando un efluente
claro y sin materia orgánica (Kusanovic, 2009, p. 5).
Figura 1.11. Esquema del lombrifiltro
(Salazar, 2005, p. 76)
Se puede observar el orden en el que se debe colocar las diferentes capas filtrantes
en el lombrifiltro y sus respectivas especificaciones donde; ߙcorresponde a la altura
total del lombrifiltro y ߚ es la altura del lecho filtrante, es decir, el aserrín, la viruta y
las lombrices correspondiente al 55 % de la altura total del lombrifiltro y ɣ la longitud
del filtro (Coca, 2008, p.3; Kusanovic, 2009, p. 5).
1.2.2.3 Tamizado en tratamiento de aguas residuales
Es un método físico utilizado para separar sólidos suspendidos presentes en aguas
residuales industriales, consiste en hacer pasar el efluente sobre una malla tejida
con un grado de inclinación de 70º o más con respecto a la horizontal, presenta
orificios con dimensiones inferiores a 1,5 cm. El efluente ingresa por la parte superior
mientras el agua tratada es descargada por la parte inferior del equipo opuesto al
tamiz, la alimentación del agua permite el arrastre de los sólidos retenidos por el
tamiz y su eliminación por la parte inferior (Jiménez, 2007, p. 41).
26
El objetivo de este proceso es retener sólidos como: arenas, materia orgánica,
aserrín, etc. que dificulten el tratamiento de las demás unidades de depuración y
puedan obstruir canalizaciones, bombas o afecten a la calidad del agua tratada.
Este proceso retiene del 5 al 15 % de sólidos suspendidos. En la Figura 1.12 se
presenta el esquema de un tamiz estático (Jiménez, 2007, p. 41).
Figura 1.12. Esquema de un tamiz estático
(Gedar, 2011 p. 1)
1.2.2.4 Flotación por aireación
La flotación por aireación es un proceso de separación física para el tratamiento de
los efluentes industriales que remueve aceites y grasas y sólidos suspendidos
(Salager y Forgiarini, 2007, p. 11).
Este tratamiento de aguas residuales utiliza equipos mecánicos como: aireadores,
turbinas, flotadores mecánicos que consisten en un impeler movido por un motor,
27
que succiona aire del ambiente e induce el gas dentro de la fase acuosa. El impeler
presenta pequeñas perforaciones que producen burbujas. El tamaño de la burbuja
generada es superior a 1 mm, este tratamiento se utilizó para la disminuir la
concentración de los sólidos suspendidos presentes en el efluente tratado después
de pasar por el lombrifiltro, debido a que el efluente contiene pequeñas partículas
de aserrín y de biomasa (Blandón et al., 2001, p. 2).
Celda Denver
La celda Denver es un tipo de celda clásico que se utilizó en el desarrollo de este
proyecto para eliminar los sólidos suspendidos del efluente en la Figura 1.13 se
presenta el esquema de este sistema (Salager y Forgiarini, 2007, p. 11).
Figura 1.13. Esquema de una celda Denver
(Salager y Forgiarini, 2007, p. 11)
Comprende un recipiente rectangular, en el centro se ubica un sistema de agitación
por turbina que produce un movimiento centrífugo de la dispersión sólido-líquido, un
tubo concéntrico o cualquier otro dispositivo que permite que el aire sea aspirado
cerca del centro del recipiente, este aire va a la zona turbulenta y forma burbujas.
El agitador presenta un sistema de rotor-estator que funciona por impacto y
cizallamiento para dividir el aire.
28
Aireadores
Aireadores mecánicos, son equipos que mediante su movimiento permiten elevar
partículas sólidas a la superficie de la celda Denver.
Existe gran variedad de aireadores mecánicos, entre los más importantes se
presentan los siguientes:
De paletas sumergidas, son aquellas que hacen circular el agua en las cámaras de
aireación y renuevan la interfaz de aire-agua.
De paletas o cepillos superficiales, se encuentran sumergidas en el tanque de
aireación con una profundidad suficiente para hacer circular las aguas, desprender
burbujas de aire y arrojar por aspersión gotas sobre la superficie del agua.
De paletas impulsadoras, son aquellas que están acopladas al final de un tubo
central descendente y aspiran aire en el interior del agua en el tanque de aireación.
De paletas de turbina, aquellos que se encuentran al fondo de un tubo central
descendente y asperjan gotas sobre su superficie.
En la Figura 1.14 se observa varios tipos de agitadores utilizados para suspender
sólidos suspendidos en las aguas residuales (Campanini, Chirinos y Valera, 2012,
p. 4).
Figura 1.14. Agitadores de turbina para elevar sólidos suspendidos
(Ludwig, 2001 .p.294)
29
Como se observa en la Figura 1.14 los agitadores de turbina pueden ser de paletas
rectas, inclinadas o curvas las cuales que permiten llevar a la superficie los sólidos
presentes en el efluente (Ludwig, 2001, p. 292).
1.2.3 DISEÑO DE DIAGRAMAS DE PROCESO
Diagrama BFD
El BFD (Block Flow Diagram), conocido comúnmente como diagrama de bloques es
la representación simple de una operación, es un instrumento de lectura rápida del
proceso, las operaciones unitarias de la planta de tratamiento de aguas residuales
se muestran mediantes bloques etiquetados de acuerdo al proceso, las líneas de
flujo se representan con flechas que van de izquierda a derecha, las corrientes
tienen nombres que identifican a cada flujo y composiciones de grasas y sólidos
suspendidos con respecto en las pruebas realizadas en el laboratorio (Couper, Fair,
Roy Penny y Walas, 2012, p. 17).
Diagrama PFD
Simbología utilizada en el diagrama PFD
La Tabla 1.5 presenta la simbología utilizada para variables importantes en el
proceso.
Tabla 1.5. Simbología utilizada en el diagrama PFD
Símbolos
Variables
Entrada o salida del proceso
Presión del proceso
Número de corriente
Temperatura del proceso
(Couper, Fair, Roy y Walas, 2012. p. 25)
30
El PFD (Process Flow Diagram), muestra mayor detalle acerca de los equipos; se
representa a cada equipo con una simbología estandarizada, presenta tablas de
corrientes con los balances de masa, se usa nomenclatura precisa de cada equipo
con números de corrientes en banderas y valores de variables importantes (Couper,
Fair, Roy Penny y Walas, 2012, p. 17).
Nomenclatura de equipos en el diagrama PDF
En la Figura 1.15 se muestra la identificación asignada a los equipos presentes en
la planta.
Figura 1.15. Nomenclatura de equipos en la planta de tratamiento
(Couper, Fair, Roy y Walas, 2012. p. 25)
Tuberías, bombas y válvulas
El sistema de tuberías permite transportar los fluidos de un tratamiento a otro,
enlazar equipos y accesorios que conforman la planta de tratamiento de aguas
residuales, La nomenclatura utilizada para identificar las tuberías se presenta en la
Figura 1.16.
31
Figura 1.16. Nomenclatura para identificación de tuberías
(Skousen, 2004, p.13)
En la Figura 1.17 se presenta la nomenclatura para identificación de válvulas y
bombas.
Figura 1.17. Nomenclatura para identificación de válvulas
(Skousen, 2004, p.281)
1.2.4 NORMA TÉCNICA PARA EL CONTROL DE DESCARGAS LÍQUIDAS
ESTABLECIDAS EN LA RESOLUCIÓN N°2-SA-2014 DEL MUNICIPIO DEL
DISTRITO METROPOLITANO DE QUITO
El principal objetivo de esta norma es mejorar la calidad del agua descargada, sea
comercial, industrial o de servicio, estableciendo límites permisibles de
32
concentraciones de contaminantes en los efluentes líquidos, para resguardar la
salud e integridad de las personas y del medio ambiente (DMQ, Resolución N°22014, p. 20).
En la Tabla 1.6 se presenta la frecuencia de muestreo en el caso de flujo continuo
para muestras compuestas presentes en la Resolución Nº2-SA-2014.
Tabla 1.6. Frecuencia de muestreo según la Resolución Nº 2-SA-2014 del DMQ
Horas por día que opera el
proceso generador de la descarga
Número de
muestras simples
Intervalo entre toma de
muestras simples (horas)
Mínimo
Máximo
Hasta 8
4
1
2
Más de 8 y hasta 16
4
2
3
Más de 16 y hasta 24
6
3
4
(DMQ, Resolución N°2-SA-2014, 2014)
En la Tabla 1.7 se presentan los límites máximos permisibles por cuerpo receptor
para descargas líquidas de fábricas en el Distrito Metropolitano de Quito según la
Resolución Nº2-SA-2014.
Tabla 1.7. Límites permisibles de las descargas líquidas por cuerpo receptor en la
Resolución Nº2-SA-2014
Parámetros
Expresado
como
Unidad
Límite máximo permisible
Alcantarillado
Cauce de
agua
Aceites y grasas
AyG
mg/L
70,0
30,0
Aluminio
Al
mg/L
5,0
5,0
Arsénico Total
As
mg/L
0,1
0,1
Bario
Ba
mg/L
-
2,0
Boro Total
B
mg/L
-
2,0
Cadmio
Cd
mg/L
0,02
0,02
Cianuro Total
CN-
mg/L
1,0
0,1
Cloro Activo
Cl
mg/L
-
0,5
33
Tabla 1.7. Límites permisibles de las descargas líquidas por cuerpo receptor en la
Resolución Nº2-SA-2014 (continuación…)
Límite máximo permisible
Parámetros
Expresado
como
Unidad
Cloroformo
Ext. Carbón
Cloroformo
ECC
mg/L
Cloruros
CL-
mg/L
Cobre
Cu
mg/L
2,0
2,0
Cobalto
Co
mg/L
0,5
0,5
Coliformes Fecales
NMP
NPM/100m
l
Remoción >
al 99,9%
Color real
Color real
Unidades
de color
*Inapreciable
en dilución:
1/20
Compuestos
fenólicos
Expresados
como fenol
mg/L
0,2
0,2
Cromo Hexavalente
Cr+6
mg/L
0,5
0,5
Demanda
Bioquímica de
Oxígeno (5 días)
DBO5
Unidades
de color
170,0
100,0
Demanda Química
de Oxígeno
DQO
mg/L
350,0
160,0
Estaño
Sn
mg/L
5,0
Floruros
F
mg/L
5,0
Fósforo Total
P
mg/L
15,0
10,0
Hierro
Fe
mg/L
25,0
10,0
Hidrocarburos
Totales
TPH
mg/L
20,0
10,0
Materia flotante
Visible
-
Ausencia
Ausencia
Manganeso
Mn
mg/L
10,0
2,0
Mercurio (total)
Hg
mg/L
0,01
0,005
Níquel
Ni
mg/L
2,0
2,0
Nitrógeno
amoniacal
N
mg/L
Nitrógeno Total
kjedahl
N
mg/L
Alcantarillado
Cauce de
agua
0,1
0,1
1 000
30
60,0
50,0
34
Tabla 1.7. Límites permisibles de las descargas líquidas por cuerpo receptor en la
Resolución Nº2-SA-2014 (continuación…)
Parámetros
Expresado
como
Unidad
Compuestos
Organoclorados
Organoclorados
Totales
Organofosforados
Y carbamatos
Límite máximo permisible
Alcantarillado
Cauce de agua
mg/L
0,05
0,05
Organofosfados
Totales
mg/L
0,1
0,1
Plata
Ag
mg/L
0,5
0,1
Plomo
Pb
mg/L
0,5
0,2
Potencial de hidrógeno
pH
mg/L
6,0-9,0
6,0-9,0
Selenio
Se
mg/L
0,5
0,1
Sulfuros
S
mg/L
1,0
0,5
SS
mg/L
100,0
80,0
SS
mg/L
100,0
80,0
Solidos suspendidos
Sólidos Suspendidos
(Autoridad Ambiental Distrital, 2014, p. 24)
1.2.5 FACTIBILIDAD ECONÓMICA DE UN PROYECTO
El estudio de la factibilidad económica de un proyecto corresponde al análisis que
debe realizarse en una fábrica para evaluar si la propuesta es viable o no antes de
ser ejecutada (Luna, 2010, p. 7).
Costos de inversión
Estos costos son los recursos económicos destinados al valor de equipos y obras
civiles, adquisición, creación o mejora de la capacidad de una planta de tratamiento
de aguas (Errosa, 2004, p. 155).
Costos por mano de obra
Los costos por mano de obra presentan el desglose de pagos al personal que va a
laborar en la planta (Medina, 2014, p. 2).
35
En la planta de tratamiento de aguas se cuenta con un operario que es el encargado
de retirar los sólidos grasosos que salen de la trampa de grasa y de entregarlos a
un gestor ambiental, remueve el aserrín de los lombrifiltros tres veces al día para
permitir la aireación en este tratamiento biológico y retira los sólidos de la celda de
flotación. El supervisor controla que la planta opere de manera adecuada, resuelve
cualquier problema o inconveniente que se presente, y toma las muestras de los
efluentes para comprobar que cumplan la Resolución N°2-SA-2014.
Costos variables
Los costos variables corresponden a la materia prima e insumos que intervienen en
la implementación del proyecto, (Medina, 2014, p. 2).
Costos de operación
En los costos de operación se consideran los valores por mantenimiento de equipos,
instalaciones, depreciación e imprevistos que puede presentar un proyecto al
momento de ser ejecutado (Guzmán, 2009, p.138).
Ingresos
Los ingresos se producen cuando una empresa recibe dinero a cambio de productos
o servicios prestados, las aportaciones de los socios no se consideran en ningún
caso como ingresos en un proyecto (Guzmán, 2009, p. 145).
Indicadores económicos
Dos parámetros utilizados al momento de determinar la viabilidad de un proyecto
son el VAN (Valor Actual Neto) y el TIR (Tasa Interna de Retorno). Los dos
36
indicadores se basan en la valoración de los flujos de caja que tenga la fábrica, es
decir, ingresos menos gastos netos (Cohen y Franco, 2006, p. 155).
Las industrias que no cumplan con un tratamiento adecuado para descargas de sus
aguas residuales al alcantarillado o a un cuerpo receptor deberán cancelar las
multas impuestas por la Ordenanza Nº 404, en donde señala que serán sancionados
con cantidades entre 30 a 60 remuneraciones básicas unificadas (RBU) y con la
restauración al entorno afectado, por lo que, las fábricas que cumplan con la
Resolución Nº2-SA-2014 tendrán un ahorro económico al no tener que cancelar
dichas multas (Ordenanza Nº404, 2014, p. 65).
37
2 PARTE EXPERIMENTAL
2.1 CARACTERIZACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES DE UNA
FÁBRICA DE EMBUTIDOS
2.1.1 MUESTREO COMPUESTO
Para la caracterización inicial de las aguas residuales de la fábrica de embutidos se
efectuaron tres muestreos de los efluentes en el punto de descarga. Se tomaron las
medidas necesarias de seguridad tanto como para protección personal como para
no contaminar las muestras con otros agentes, con base en la norma NTE INEN 2
169:98, descrita en el Anexo I, para conservar y transportar las muestras.
Para obtener una muestra representativa que garantice la caracterización de los
efluentes de la fábrica de embutidos que opera las 24 horas del día, se tomaron los
criterios de muestreo establecidos de la Tabla 1.6, es decir, seis muestras simples
con un intervalo de tiempo de tres horas para formar una muestra compuesta de 6
litros cada día, en total tres días de muestreo.
El tiempo de recolección de cada toma de muestras simples que van a formar la
muestra compuesta durante un día de muestreo se obtiene a partir de la Ecuación
2.1 (Romero, 2001, p. 77).
Volumen de muestra completa(L)
Tiempo de recolección(s)= caudal promedio de las mediciones(L/s)ൈ número de mediciones
ሾ2.1ሿ
El cálculo de la obtención del volumen de una muestra simple se obtiene con la
Ecuación 2.2 (Romero, 2001, p. 76).
V=tiempo de recolecciónൈCaudal
ሾ2.2ሿ
La caracterización de los parámetros de DBO5, DQO fue realizada en un laboratorio
certificado y las concentraciones de sólidos suspendidos, aceites y grasas de los
38
efluentes de la fábrica se analizaron en el Laboratorio de Análisis Instrumental de la
Escuela Politécnica Nacional.
2.1.2 CARACTERIZACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
Despues de haber realizado el muestreo compuesto de la fábrica de embutidos
ubicada en el sector industrial de Carcelén, se realizaron los análisis de los
principales contaminantes que se presentan en las aguas empleadas en actividades
de procesamiento de productos cárnicos, los cuales son: sangre, grasas, aceites y
carne.
Estos contaminantes se incorporan en el agua en los procesos de traslado de la
materia prima, lavado, molido, cocción de la carne y limpieza de instalaciones, por
lo que en la caracterización inicial de los efluentes de la fábrica de embutidos se
analizaron: la demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) mediante el procedimiento
APHA 5210 B y la demanda química de oxígeno (DQO) con el procedimiento APHA
5220 D, en un laboratorio certificado y los sólidos suspendidos a través del
procedimiento APHA 2540 D, aceites y grasas con el procedimiento APHA 5520 B
fueron analizados en el Laboratorio de Análisis Instrumental de la Escuela
Politécnica Nacional.
La caracterización inicial de los efluentes de la fábrica de embutidos correspondió
al promedio de los parámetros analizados en las muestras compuestas durante los
tres muestreos.
Los resultados obtenidos de los análisis se compararon con la Tabla 1.8
correspondiente con las normas técnicas para el control de descargas líquidas
establecidas del Municipio del Distrito Metropolitano de Quito. Los procedimientos
utilizados para determinar DBO5, DQO, sólidos suspendidos, aceites y grasas en
las caracterizaciones de las aguas residuales se detallan en el Anexo II (APHA,
2012, p. 5).
39
2.2 EVALUACIÓN DE UN SISTEMA DE TRATAMIENTO CON BASE
EN UNA TRAMPA DE GRASA, UN BIOFILTRO Y FLOTACIÓN
POR AIREACIÓN
2.2.1 EVALUACIÓN DE LA TRAMPA DE GRASA A ESCALA LABORATORIO
Separación gravitatoria
Una vez caracterizado el efluente proveniente de la fábrica de embutidos se evaluó
el sistema de trampa de grasa, para lo cual se realizaron 3 pruebas de separación
gravitatoria del agua residual en embudos de separación a temperatura ambiente
con base en ensayos SOS (Sucepibility Oil Separation) (Salager y Fernandez, 2004,
p. 125).
Las muestras de agua se aforaron en embudos de separación de 1 000 mL, y se
cronometró el tiempo que se demoraron en separar los aceites y grasas de la fase
acuosa. Estos ensayos fueron realizados con el objetivo de determinar el tiempo de
separación gravitatoria del agua residual en una trampa de grasa a nivel industrial
para eliminar la mayor concentración de aceites y grasas presentes en el efluente.
Construcción de la trampa de grasa
Para la evaluación de la trampa de grasa se utilizó el tiempo de separación obtenido
en las pruebas de separación gravitatoria, los materiales utilizados para la
construcción de la trampa de grasa fueron los siguientes:
·
Mangueras
·
Balde de 8 L
·
Recipiente rectangular plástico de 6 L
·
Bomba electro sumergible, PE-1WG, 1,15V-60Hz
Para la remoción de aceites y grasas presentes en el vertido líquido de la fábrica de
40
embutidos se construyó un sistema de trampa de grasa que permitió determinar la
remoción de este contaminante con base en el tiempo de separación gravitatoria
para ello.
·
Se colocó el agua residual muestreada en un balde de 8 litros y se acopló a
una bomba electro sumergible una manguera para que traslade el agua del
balde al recipiente de plástico
·
El recipiente de plástico fue adaptado para que cumpla la función de una
trampa de grasa.
·
Una vez sumergida la bomba en el balde con el agua residual se accionó el
sistema, en donde con base en el tiempo de separación gravitatoria y el área
superficial se tomaron muestras del agua residual para un caudal de
14,8 mL/s (Ayala y Diaz, 2008, p. 189).
·
Se tomaron tres muestras de los efluentes en donde se analizaron los
parámetros de DBO5, DQO en un laboratorio certificado y sólidos
suspendidos, aceites y grasas en el Laboratorio de Análisis Instrumental de
la Escuela Politécnica Nacional.
2.2.2 EVALUACIÓN DE UN LOMBRIFILTRO A ESCALA LABORATORIO
Construcción del lombrifiltro a escala laboratorio
Para la construcción del lombrifiltro se dispuso de los siguientes materiales:
·
Recipiente plástico de 30 L
·
Piedras entre 2,5 y 10,0 cm de diámetro y grava
·
Aserrín
·
120 g de Lombrices Eisenia foetida
Se seleccionó el lombrifiltro debido a la alta concentración de materia orgánica que
41
presentaron las aguas residuales y porque la relación entre DBO 5 y DQO fue
superior a 0,5, lo que haría que el tratamiento biológico presente mejores resultados
al momento de depurar este contaminante (Fresenius, Schneider, Böhnke y
Pöppinghaus, 2013, p. 126).
Se realizaron 3 pruebas en el lombrifiltro a diferentes tiempo de filtración y con dos
caudales, donde se determinó el tiempo óptimo que se demoraron las lombrices en
consumir la materia orgánica del efluente para que se cumpla con la Resolución
Nº2-SA-2014 con respecto a la DBO5 y DQO.
En el lombrifiltro se utilizó el agua proveniente de la trampa de grasa y se construyó
con base en el sistema Tohá descrito por Salazar (2005), el cual establece la
disposición tres lechos filtrantes en un recipiente plástico. Se colocó como primera
capa, piedras de diámetro entre 2,5 y 10,0 cm, seguidas por una capa de grava
que dio soporte al filtro y permitió un adecuado drenaje, se adicionó como tercera
capa viruta y aserrín que fue el medio donde se desarrollaron las lombrices
(Romero, 2001, p. 557; Salazar, 2005, p. 60).
El agua residual fue rociada por un atomizador en la superficie del lombrifiltro que
actuó como aspersor, simulando el dispositivo que se colocará en la planta de
tratamiento de aguas residuales.
El elfuente se escurrió por el medio filtrante en donde la materia orgánica fue
consumida por las lombrices, el agua proveniente del lombrifiltro fue descargado por
la parte inferior del recipiente y recolectado para posteriormente realizar análisis de
DBO5, DQO, sólidos suspendidos y aceites y grasas.
2.2.2.1 Tamizado
El agua proveniente del lombrifiltro presentó pequeñas partículas de aserrín y
biomasa de diámetro mayor a 1,0 mm, por lo que se desarrollaron dos alternativas
para disminuir la presencia de estos sólidos: el tamizado y la flotación por aireación.
42
Para el tamiz, se colocó en la salida del lombrifiltro una malla plástica Nº 10 que
presentó orificios de tamaño de 1,0 mm, en la cual quedaron retenidas por partículas
de aserrín provenientes del lombrifiltro de tamaños superiores a 1,0 mm. Al agua
que atravesó el tamiz se le realizaron análisis de DBO5 y DQO en un laboratorio
certificado y de sólidos suspendidos en el Laboratorio de Análisis Instrumental de la
Escuela Politécnica Nacional.
Los resultados fueron comparados con la Resolución Nº2-SA-2014 antes
mencionada para determinar si cumplió con los límites permitidos de sólidos
suspendidos para descargas de agua al alcantarillado.
Se realizaron tres ensayos con los caudales (1,5 y 3,5 L/día) y tiempos de filtración
del tratamiento biológico (0, 4, 8, 14, 17, 21,24 horas).
Los lodos obtenidos en este proceso corresponden a partículas de aserrín
provenientes del medio filtrante las mismas que fueron regresadas al lombrifiltro.
2.2.3 EVALUACIÓN DEL SISTEMA DE FLOTACIÓN POR AIREACIÓN
Para la evaluación de sistema de flotación por aireación se utilizó la celda Denver
ubicada en el Departamento de Metalurgia Extractiva en la Escuela Politécnica
Nacional, se trabajó con el agua residual proveniente del lombrifiltro, debido a que
el agua presentaba partículas de aserrín, se utilizó este tratamiento como otra
alternativa al tamiz, para eliminar la mayor concentración de sólidos suspendidos y
descargar agua sin la presencia de los principales contaminantes de una fábrica de
embutidos.
Se realizaron 3 ensayos de flotación con 1 200 rpm y 1 400 rpm en un tiempo de
flotación de 20 min, se tomaron muestras cada 5 min y se analizaron parámetros de
DBO5, DQO y sólidos suspendidos. Este tratamiento ya que permite llevar a la
superficie los sólidos que son atrapados por las burbujas de aire inyectadas y
generadas por la agitación del impulsor.
43
2.3 DISEÑO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES
2.3.1 DISEÑO DE LA TRAMPA DE GRASA
Para eliminar aceite y grasas del agua residual se diseñó una trampa de grasa con
base en los resultados obtenidos en la separación gravitatoria y en los parámetros
de diseño que se presentaron en la Tabla 1.3. Este tratamiento primario permitió
disminuir la concentración de grasas en el agua residual (Solís, 2014, p. 118).
Para determinar el volumen de la trampa de grasa se considerará un factor de
seguridad de 110 % y se utilizó la Ecuación 2.3 (IDU; 2007, p. 180).
f
ቇ
V= Q × TR × ቆ
100
ሾ2.3ሿ
Donde:
V:
Volumen de la trampa de grasa (m3)
Q:
Caudal de descarga de aguas residuales (m3/s)
TR:
Tiempo de separación gravitatoria (s)
fǣ
Factor de seguridad (%)
El área superficial del tanque se determinó a través de la Ecuación 2.4 (Ayala y
Díaz, 2008, p. 186; Solís, 2014, p. 60).
As=TaൈQ
ሾ2.4ሿ
Donde:
As:
Área superficial de la trampa de grasa (m2)
Ta:
0,25 m2 por cada L/s
Q:
Caudal de descarga de los efluentes de la empresa (m3/día)
La longitud de la trampa de grasa se calculó mediante la Ecuación 2.5 (Ayala y Díaz,
44
2008, p.187).
l= ξAsൈr
Donde:
l:
Longitud de la trampa de grasa (m)
As:
Área superficial de la trampa de grasa (m2)
r:
Relación entre ancho/longitud (adimensional)
ሾ2.5ሿ
El ancho de la trampa de grasa fue determinado con la Ecuación 2.6 (Ayala y Díaz,
2008, p.188).
r=
l
a
ሾ2.6ሿ
Donde:
a:
Ancho de la trampa de grasa (m)
La altura de la trampa de grasa se determinó mediante la Ecuación 2.7 (Ayala y
Díaz, 2008, p.188).
V=Asൈh
Donde:
V:
Volumen de la trampa de grasa (m3)
h:
Altura de la trampa de grasa (m)
ሾ2.7ሿ
2.3.2 DISEÑO DEL LOMBRIFILTRO
2.3.2.1 Determinación del área específica del aserrín
Se realizaron pruebas experimentales con base en la Ecuación 2.8 a nivel
45
laboratorio para determinar el área específica del aserrín, en donde se tomaron
caudales arbitrarios de 1 000, 710, 1 000 mL/d y con alturas de 4,0, 5,0, 8,0 cm
respectivamente. Se trabajaró con estos caudales para que el filtro no se inunde y
para que exista una adecuada distribución del agua sobre el lecho. Mediante
observación se obtuvo el tiempo de filtración en cada prueba y una vez establecidos
los parámetros se pudo determinar el valor del área específica (Valencia, 2014, p.5).
El área específica del aserrín se obtuvo con la Ecuación 2.8 (Valencia, 2014, p. 6).
t=
C×D
Q
n
ሾ2.8ሿ
Donde:
t:
Tiempo de contacto entre el agua residual y el lecho biológico (h)
C:
Área superficial del aserrín (m2/g)
D:
Profundidad del filtro (m)
Q:
Caudal del fluido (m3/h)
n:
Exponente correspondiente a flujo laminar (adimensional)
La constante C y el exponente n incorporan los efectos del área superficial del medio
calculado en el laboratorio y la viscosidad del líquido que varían con el medio filtrante
respectivamente. El valor de n es igual a 0,333 para flujo laminar y 0,667 para flujo
turbulento; se consideró un flujo laminar debido a que no existió ninguna
perturbación en el lombrifiltro (Valencia, 2014, p. 6).
2.3.2.2 Determinación de la eficiencia del lombrifiltro
Para determinar la eficiencia del lombrifiltro se utilizó el valor promedio de DBO 5
obtenido en la caracterización del agua residual después de la aplicación de la
trampa de grasa.
Se realizaron 3 ensayos con caudales de 1,5 y 3,5 L/d determinados a partir de las
46
cargas hidráulicas de 0,05 y 0,12 m/día, respectivamente, con base en la Tabla
AIII.1 del Anexo III a diferentes tiempos de retención (4, 8, 14, 17, 21, 24 horas),
siendo 24 horas el tiempo máximo en el que una lombriz puede degradar la materia
orgánica presente en los efluentes (Cano y Palacios, 2013, p. 63; Romero, 2001,
p.560; Sainz, 2005, p. 282).
Posteriormente, después de cada tiempo de retención se realizaron análisis de
DBO5, DQO y sólidos suspendidos, se determinó la eficiencia del lombrifiltro con la
Ecuación 2.9 al tiempo que presentó una concentración de DBO 5 permitida en la
Resolución Nº2-SA-2014 (Romero, 2001, p 589).
E=
DBO0 -DBOf
DBO0
ሾ2.9ሿ
Donde:
E:
Eficiencia fraccional de remoción de DBO5 para el proceso
(adimensional)
DBO0:
Resultado de DBO5 de la caracterización inicial del agua residual
(mg/L)
DBOf:
Resultado de DBO5 después del tiempo de retención óptimo (mg/L)
Diseño del lombrifiltro
Para el diseño del lombrifiltro se seleccionó el método sugerido por Romero (2001)
para diseño de filtros percoladores por la irregularidad de las piedras que se
utilizaron y porque es aplicado para filtros de una o varias fases sin recirculación o
con recirculación diversa (Gelves y Méndez, 2005, p. 30; Romero, 2001, p. 566).
El lombrifiltro desarrollado en el laboratorio no presentó recirculación debido a que
el agua descargada cumplió con los límites permitidos de DBO5 y DQO establecidos
en la Resolución Nº2-SA-2014, por lo tanto no fue necesario volver a recircular el
agua en el filtro.
47
El volumen del lombrifltro se determinó mediante la Ecuación 2.10 y se consideró
un factor de seguridad de 130 % (Romero, 2001, p. 566; Villén, 2009, p. 45).
V1 =
2
f
W1 0,443 E
൬
൰ ×ቆ
ቇ
1-E
100
F1
ሾ2.10ሿ
Donde:
W1:
Carga orgánica aplicada al filtro (kg DBO5/día)
V1:
Volumen total del medio filtrante del filtro (m3)
F1:
Factor de recirculación del filtro de primera etapa o número de pasos del
material orgánico, si no existe recirculación F1 = 1 (adimensional)
Factor de seguridad (%)
f:
Determinación del orden de reacción en el lombrifiltro
Para determinar el orden de la reacción se usó el método integral de las reacciones,
el cual mediante la gráfica de los datos concentración-tiempo determinados a partir
de la integración de la ecuación diferencial de la velocidad de reacción debe ser
lineal (Fogler, 2001, p. 235).
Con base en los datos de concentración de DBO5 con respecto al tiempo de
retención, se realizaron las regresiones lineales a partir de las Ecuaciones 2.11,
2.12 y 2.13.
Ecuación de primer orden
ln
XA0
= kt
XA
Donde:
XA ǣ
Concentración de DBO5 a tiempo t (mg/L)
ሾ2.11ሿ
48
XA0 ǣ
kǣ
Constante cinética de la reacción (1/día)
tǣ
Tiempo (día)
Concentración de DBO5 a tiempo 0 (mg/L)
Ecuación de segundo orden
1 1
=kt
X XA0
ሾ2.12ሿ
Donde:
XA ǣ
Concentración de DBO5 a tiempo t (mg/L)
XA0 ǣ
kǣ
Constante cinética de la reacción (L/mg día)
tǣ
Tiempo (día)
Concentración de DBO5 a tiempo 0 (mg/L)
Ecuación de tercer orden
1
XA
2
-
1
XA0
2
= kt
ሾ2.13ሿ
Donde:
ܺA ǣ
Concentración de DBO5 a tiempo t (mg/L)
XA0 ǣ
kǣ
Constante cinética de la reacción (L2/mg2 día)
tǣ
Tiempo (día)
Concentración de DBO5 a tiempo 0 (mg/L)
2.3.2.3 Diseño del tanque de almacenamiento
Para el tanque de almacenamiento se utilizó el método propuesto para el diseño
de un tanque circular a presión atmosférica. La relación altura-diámetro del tanque
49
se presenta en la Ecuación 2.14 (Moss, 2004, p. 15).
H
D
ሾ2.14ሿ
=0,5
Donde:
H:
Altura del tanque de almacenamiento (m)
D:
Diámetro del tanque de almacenamiento (m)
El volumen del tanque de almacenamiento consideró un factor de seguridad de
115 % y se determinó con la Ecuación 2.15 (Moss, 2004, p.16).
f
ሾ2.15ሿ
Vt = V × ቀ100ቁ
Donde:
Vt :
Volumen total del tanque de almacenamiento (m)
Vǣ
Volumen teórico del tanque de almacenamiento (m)
fǣ
Factor de seguridad (%)
El diámetro del tanque de almacenamiento se calculó con la Ecuación 2.16 y la
altura del tanque con la Ecuación 2.14 (Moss, 2004, p. 16)
3
D= ට
8 ×Vt
π
ሾ2.16ሿ
Donde:
D:
Diámetro del tanque de almacenamiento (m)
2.3.2.4 Diseño de un sistema de flotación por aireación
El tiempo de flotación a escala industrial se obtuvo a través de la Ecuación 2.17,con
un factor de seguridad igual a 2 (Wills y Napier, 2007, p. 308).
50
[2.17]
td = tlab × fd
Donde:
td :
Tiempo de flotación para el diseño de la celda Denver (h)
tlab :
Tiempo de flotación en el laboratorio (h)
fd :
Factor de seguridad (adimensional)
El volumen de la celda Denver se calculó con la Ecuación 2.18.
V=Q× td
Donde:
V:
Volumen de la celda (m3)
Q:
Caudal del fluido (m3/h)
[2.18]
Se tomó la Ecuación 2.19 como parámetro de diseño para la celda Denver y se
utilizó la Ecuación 2.20 para diseñar el tanque donde se va a llevar a cabo la
flotación de las aguas residuales provenientes del lombrifiltro (Moya, 2014, p. 153).
l= a
h= 2×l
ሾ2.19ሿ
ሾ2.20ሿ
Donde:
l:
Longitud de la celda (m)
a:
Ancho de la celda (m)
h:
Altura de la celda (m)
2.3.2.5 Diseño del agitador de la celda de flotación
Para el diseño del agitador se tomaron en consideración los siguientes aspectos:
51
Se estimó la velocidad superficial específica del agitador para la mayoría de
características aplicadas a sólidos suspendidos de la Tabla AIV.1 en el Anexo IV.
Debido a la presencia de sólidos suspendidos se seleccionó el agitador y se estimó
una relación de diámetro del impeler y diámetro del tanque entre 0,3 - 0,6 (Coulson
& Richardson´s, 2005, p. 472).
Se obtuvo el caudal de agitación mediante la Ecuación 2.21
Q= A×V
Donde:
A:
Área del impeler (m2)
V:
Velocidad superficial específica de agitación (m/s)
ሾ2.21ሿ
El número de bombeo, Np, es el número adimensional más importante para
representar el flujo actual durante la agitación en un tanque, depende del número
de Reynolds y de la geometría del impeler, se determinó a través de la Figura AV.1
del Anexo V.
Mediante la Ecuación 2.22 y la Figura AV.1 del Anexo V también se calculó el valor
de Ni (Ludwig, 2001, p. 298).
d2 ×Ni×δ
Re=
μ
ሾ2.22ሿ
Donde:
Reǣ
Número adimensional de Reynolds
d:
Diámetro del impeler (m)
δ:
Densidad del agua residual (kg/m3)
μǣ
Viscosidad del agua residual (kg/m s)
Una vez obtenidos el valor de Np y Ni se pudo determinar la potencia requerida por
52
el agitador con la Ecuación 2.23; en este caso, la potencia se encontró dentro de
los valores señalados en la Tabla AVI.1 presentada en el Anexo VI (Ludwig, 2001,
p. 305).
Np=
P
δ×Ni3 ×dହ
ሾ2.23ሿ
Donde:
Np:
Número adimensional de bombeo (adimensional)
P:
Potencia requerida por el impeler (kg m2/s3)
d:
Diámetro del impeler (m)
Análisis económico de la planta de tratamiento de aguas residuales
Con el fin de evaluar económicamente la viabilidad de la implementación de la planta
de tratamiento de aguas residuales fue necesario considerar varios aspectos
económicos como: la inversión del capital, costos operativos, costos de equipos,
salario de empleados, aporte al IESS, décimos, mantenimiento de equipos y de
instalaciones, imprevistos e ingresos por conceptos de multas establecidas en la
Ordenanza Nº 404, amortizaciones de equipos y transporte.
Las multas impuestas en la Ordenanza N° 404 a fábricas que descarguen al
alcantarillado o a cuerpos receptores de aguas residuales sin un tratamiento
adecuado que les permita cumplir con los valores permisibles en la Resolución N°2SA-2014 serán sancionados con el pago de 30 a 60 remuneraciones básicas
unificadas y con la remediación del entorno contaminado.
Las auditorías a las fábricas se realizan cada 6 meses con el fin de verificar el
cumplimiento de la Resolución N°2-SA-2014. (Ordenanza N° 404, 2014, p. 65).
Con los valores determinados se desarolló una matriz en MS ExcelTM en la cual
se determinó la factibilidad del proyecto mediante la evaluación de indicadores eco-
53
nómicos como el VAN y el TIR.
El valor de valor actual neto se calculó con la Ecuación 2.24 (Cohen y Franco, 2006,
p. 156).
VAN= ෍
ܸt
- I0
t
t=1 ሺ1 + iሻ
n
ሾ2.24ሿ
Donde:
Vt ǣ
Flujo de caja en cada período t (USD)
i:
Tasa de interés de descuento (%)
n:
número de períodos considerados (adimensional)
I0 ǣ
Valor de desembolso inicial de la inversión (USD)
Cuando el VAN es igual a 0, se denomina tasa interna de retorno (TIR) y se calculó
mediante la Ecuación 2.25 (Cohen y Franco, 2006, p.156)
TIR = ෍
ܸt
- I0 = 0
t
t=1 ሺ1 + iሻ
n
ሾ2.25ሿ
54
3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 CARACTERIZACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES DE UNA
FÁBRICA DE EMBUTIDOS
3.1.1 MUESTREO COMPUESTO
Los vertidos líquidos provenientes de la planta de producción de embutidos son
conducidas a través de canaletas distribuidas en toda la fábrica, el efluente es
llevado hacia el punto de descarga ubicado en los exteriores de la empresa como
se observa en la Figura 3.1.
Figura 3.1. Ubicación del sitio de muestreo de las aguas residuales
Para la evaluación de las características del agua residual de la fábrica de
embutidos se realizó un muestreo compuesto durante tres días diferentes en donde
se tomaron muestras puntuales cada 3 horas y se almacenaron
en envases
independientes; para luego ser mezcladas en un recipiente de 6 L, obteniendo de
55
esta manera la muestra compuesta requerida para los análisis en los laboratorios.
El tiempo de recolección de las muestra fue de 3,46 s como se observa en el
siguiente cálculo.
Tiempo de recolección=
6L
= 3,46 s
L
0,289 × 6
s
Los volúmenes de cada muestra simple se presentan en la Tabla 3.1.
Tabla 3.1. Volúmenes de cada muestra simple para formar 6 L de muestra compuesta en
los tres días de muestreo
Alícuotas de muestra simple (mL)
Nº
muestras
Hora
1
Primer día
Segundo día
Tercer día
6:00
760,9
720,8
760,9
2
9:00
1 361,6
1 241,4
961,1
3
12:00
1 401,6
1 441,7
1 281,5
4
15:00
1 081,3
1 041,2
1 361,6
5
18:00
720,8
841,0
881,0
6
21:00
680,8
680,8
760,9
Total
6 006,9
5 966,9
6 006,9
Promedio
1 001,2 ± 327,3
994,5 ± 303,3
1 001,2 ± 260,8
En la Tabla 3.2 se presentan los caudales de cada muestra simple requerida para
conformar la muestra compuesta durante los tres días de muestreo.
Tabla 3.2. Caudales de cada muestra simple para formar 6 L de muestra compuesta en los
tres días de muestreo
Caudal (m3/día)
Nº
muestras
Hora
1
2
Primer día
Segundo día
Tercer día
6:00
19
18
19
9:00
34
31
24
56
Tabla 3.2. Caudales de cada muestra simple para formar 6 L de muestra compuesta en los
tres días de muestreo (continuación…)
Caudal (m3/día)
Nº
muestras
Hora
3
Primer día
Segundo día
Tercer día
12:00
35
36
32
4
15:00
27
26
34
5
18:00
18
21
22
6
21:00
17
17
19
Total
150
149
150
Promedio
25 ± 8,17
25 ± 7,57
25 ± 6,51
Los tres días de muestreo presentan la misma media aritmética pero diferentes
desviaciones estándar, en el primer día los caudales fueron más dispersos con
respecto a la media que en los siguientes días.
Para una mejor visualización de las variaciones de los caudales con respecto al
tiempo durante el proceso de muestreo se presenta la Figura 3.2.
40
Caudal (m3/d)ía)
35
30
25
20
15
10
5
0
0:00
2:24
4:48
7:12
9:36
12:00
14:24
16:48
19:12
21:36
0:00
Tiempo (h)
Primer día
Segundo día
Tercer día
Caudal promedio
Figura 3.2. Caudales de las muestras individuales durante los tres días de muestreo
Se observa la tendencia creciente y decreciente que tienen los caudales de los
efluentes durante un día, es decir, la variación que han experimentado los caudales
de aguas residuales a lo largo de todo el proceso de muestreo.
57
El caudal pico registrado durante el primer y segundo día de toma de muestras es
35 m3/día y 36 m3/día, respectivamente, a las 12h00, Esto se debe a que en las
horas de la mañana se recibe la carne y es necesario el lavado inmediato de la
materia prima para evitar la proliferación de bacterias adquiridas en el transporte y
continuar con la producción de los embutidos. En el tercer día de muestreo el caudal
pico se produjo a las 15h00 con un valor de 34 m 3/día; el incremento del caudal en
horas de la tarde se dio por un cambio inusual en la orden de producción, por lo que
se tuvo que lavar los equipos y limpiar las instalaciones para elaborar un nuevo
producto.
Por lo tanto, debido a la variación de los caudales se utilizará el caudal promedio
(25 m3/d) de la fábrica de embutidos para el diseño de la planta de tratamiento de
efluentes residuales.
3.1.2 Caracterización de las aguas residuales
En la Figura 3.3 se observa la muestra del agua residual procedente de la fábrica
de embutidos.
Figura 3.3. Muestra del agua residual de la fábrica de embutidos
58
La calidad del agua descargada del proceso de elaboración de embutidos y
derivados cárnicos se ve afectada por la materia prima utilizada en la fabricación de
los productos, la muestra del agua residual procedente de la fábrica presenta una
capa de grasa animal con residuos de especias en la superficie del recipiente y gran
contenido de sólidos suspendidos.
Como resultado del proceso de caracterización del agua residual en la Tabla 3.3 se
presenta la composición del efluente de la fábrica de embutidos así como también
la media aritmética y la desviación estándar de cada uno de los parámetros físicoquímicos analizados.
Tabla 3.3. Caracterización de los efluentes provenientes de la fábrica de embutidos en los
tres días de muestreo
Parámetros
Nº
muestras
DBO5
(mg/L)
DQO
(mg/L)
Sólidos
suspendidos
(mg/L)
Aceites y grasas
(mg/L)
1
2 318,8
3 060,0
3 074,0
2 031,0
2
2 434,5
3 213,5
3 314,0
2 439,0
3
2 189,3
2 889,9
3 102,3
2 007,0
Promedio
2 314,2 ± 122,7
3 054,5 ± 161,9
3 130,5 ± 14,5
2 159,0 ± 242,8
En la Tabla 3.3 se observan que los valores de los parámetros analizados
sobrepasan los límites permisibles para descargas líquidas al alcantarillado
establecido en la Resolución N°2-SA-2014 del Distrito Metropolitano de Quito,
presentados en la Tabla 1.7.
El parámetro de aceites y grasas tiene una elevada concentración debido a la
cantidad de desechos grasos en la producción de embutidos, presenta una media
de 2 159,0 ± 242,8 mg/L valor que supera a la concentración de 70,0 mg/L
permisible en la Resolución Nº2-SA-2014, es decir, presenta un porcentaje de
excedente de 2 984,3 %.
Además, se puede observar que los parámetros de DBO5 y DQO no se encuentran
dentro de los valores norma correspondientes a 170,0 mg/L y 350,0 mg/L respectiva-
59
mente, la concentración de DBO5 es de 2 314,2 ± 122,7 mg/L con un porcentaje de
excedente de 1 261,3 % y de DQO de 3 054,5 ± 161,9 mg/L con un excedente de
772,7 %, los elevados valores de estos parámetros se deben a que la principal
materia prima utilizada en el proceso de elaboración de embutidos es la carne la
cual aporta gran cantidad de materia orgánica. El parámetro de sólidos suspendidos
presenta una media de 3 130,5 ± 14,5 mg/L, con un excedente de 3 030,5 % valor
que también incumple con lo establecido en la Resolución Nº2-SA-2014 que permite
hasta una concentración de 100,0 mg/L.
Con base en los resultados de la Tabla 3.3 se concluyó que es necesario plantear
un sistema de tratamiento de aguas residuales que permita disminuir la
concentración de aceites y grasas a través de una trampa de grasas, al igual que
un tratamiento biológico
mediante un lombrifiltro
que ayude a
reducir
considerablemente la concentración de DBO5, DQO y sólidos suspendidos;
finalmente un sistema de flotación por aireación para disminuir los sólidos
provenientes del lombrifiltro como partículas de aserrín y biomasa.
Para el diseño de la planta de tratamiento de aguas residuales se tomó la media
aritmética de la caracterización de los parámetros DBO5, DQO, sólidos
suspendidos, aceites y grasas debido a que es utilizada como un punto de tendencia
central, es decir, el valor hacia el cual tienden los datos.
3.2 EVALUACIÓN DE UN SISTEMA DE TRATAMIENTO CON BASE EN
UNA TRAMPA DE GRASA, UN BIOFILTRO Y FLOTACIÓN POR
AIREACIÓN
3.2.1 EVALUACIÓN EN LA TRAMPA DE GRASA A ESCALA LABORATORIO
El proceso de separación de aceites y grasas del agua residual se diseñó con base
en la separación gravitatoria, es decir, el tiempo en el cual el material graso se
separó del agua. Con el resultado del tiempo de retención y parámetros de diseño
tomados de Romero (2001) y la Norma CPE INEN 5 (Código de práctica para el
60
diseño de abastecimientos de agua potable, disposición de excretas y residuos
líquidos en el área rural) se diseñó la trampa de grasa a nivel industrial (CPE
INEN 5, 2001, p. 229).
3.2.1.1 Tiempo de separación de aceites y grasas del agua residual
En la Figura 3.4 se observa la separación de los aceites y grasas del agua residual
realizadas en el laboratorio después de haber transcurrido el tiempo de separación
gravitatoria.
Figura 3.4. Separación de aceites y grasas de la fase acuosa
Se realizaron tres ensayos de separación gravitatoria, en la Tabla 3.4 se muestran
los resultados de tiempo de separación de los aceites y grasas del agua residual.
61
Tabla 3.4. Tiempo de separación gravitatoria de aceites y grasa del agua residual
N° de ensayos
Tiempo de separación
(s)
1
5,4
2
5,2
3
5,0
Promedio
5,2 ± 0,2
Esto se produce debido a que en la fábrica de embutidos se elaboran productos con
diferentes tipos de carne animal, unos con más contenido de grasas que otros, como
por ejemplo; la carne de cerdo contiene 45,0 % de grasas mientras que la carne de
pollo presenta 12,6 %, la grasa con menor peso asciende a la superficie mucho más
rápido que la grasa que presenta mayor gravedad específica, lo que provoca la
demora en su ascenso (Mendoza, Pacheco y Quiroz, 2004, p.68).
Figura 3.5. Trampa de grasa construida en el laboratorio
En la Figura 3.5 se presenta la trampa de grasa construida en el laboratorio donde
se observa la acumulación de grasa en la superficie y la descarga del agua tratada
sin la presencia de este contaminante después de haber transcurrido el tiempo de
separación gravitatoria.
62
Los análisis de aceites y grasas, DBO5, DQO y sólidos suspendidos para el tiempo
de separación gravitatoria de 5,2 min en la trampa de grasa se muestran en la
Tabla 3.5.
Tabla 3.5. Aceites y grasas, DBO5, DQO y sólidos suspendidos del efluente después de la
trampa de grasa
N° de ensayos
Aceites y
grasas (mg/L)
DBO5
(mg/L)
DQO
(mg/L)
Sólidos suspendidos
(mg/L)
1
65,0
1 051,3
1 367,1
2 805,2
2
60,0
1 011,2
1 348,3
2 792,3
3
59,0
997,4
1 386,1
2 810,1
Promedio
61,3 ± 3,2
1 020,0 ± 28,0
1 367,2 ± 18,9
2 802,5 ± 9,2
El valor de la caracterización inicial de grasas y aceites fue de 2 159,0 mg/L, el
primer ensayo de separación gravitatoria dio como resultado un porcentaje de
remoción de 96,7 % con un valor final de 65,0 mg/L, el segundo ensayo presentó
un porcentaje de remoción de 97,2 % de remoción de grasas y aceites y el tercer
ensayo una remoción de 97,3 %. El promedio de estos datos es de 61,3 mg/L con
± 3,2 mg/L, lo que señala que la dispersión de las tres muestras analizadas es baja
por lo que el valor de la concentración de aceites y grasas es confiable y permite
cumplir con la Resolución Nº2-SA-2014 para el parámetro de aceites y grasas.
La trampa de grasas remueve principalmente la materia grasosa, debido a que es
su objetivo principal y para la cual es diseñada, en cuanto a los demás parámetros
consigue disminuir su concentración pero no en la medida necesaria para cumplir
con las Resolución N°2-SA-2014, por lo tanto el efluente necesita de tratamientos
adicionales para eliminar DBO5, DQO y sólidos suspendidos.
3.2.1.2 Diseño de la trampa de grasa
El escalado de la trampa de grasa se basó en lo establecido por Romero (2001), la
63
Norma CPE INEN 5 para trampas de grasa y en la metodología de diseño señalado
por Calderón (2014) (Calderón, 2014, p.31; INEN, 2014, p.229).
En la Tabla 3.6 se muestran las variables y parámetros de diseño para el
dimensionamiento de la trampa de grasa, donde se utilizó el caudal promedio las
aguas residuales correspondiente a 25 m3/día (Norma CPE INEN 5).
Tabla 3.6. Parámetros de diseño para el escalado de la trampa de grasa
Parámetro
Valor
Unidad
Caudal
25,00
m3/día
Tiempo de retención
5,20
min
Área superficial
0,25
m2/(L/s)
Relación ancho/longitud
1
-
(Norma CPE INEN 5, 2001, p. 229)
Los cálculos de diseño de la trampa de grasa se detallan en el Anexo VII.
En la Tabla 3.7 se muestran las dimensiones calculadas para el diseño de la trampa
de grasa.
Tabla 3.7. Dimensiones de la trampa de grasa
Dimensiones
Valor
Unidad
Altura
1,4
m
Longitud
0,3
m
Ancho
0,3
m
3.2.2 RESULTADOS DE LA EVALUACIÓN DEL LOMBRIFILTRO A ESCALA
LABORATORIO
El lombrifiltro construido en el laboratorio se presenta en la Figura 3.6 en donde se
observa la disposición de los materiales utilizados.
64
Figura 3.6. Lombrifiltro construido en el laboratorio
3.2.2.1 Determinación del área específica del aserrín
Para la determinación del área específica del aserrín se tomaron tres caudales
aleatorios, se establecieron las alturas del medio filtrante (aserrín) y mediante
observación se determinó el tiempo que se demoró el lombrifiltro en descargar el
efluente, posteriormente a partir de la Ecuación 2.8 se determinó el área específica
del aserrín.
En la Tabla 3.8 se indican los resultados del área específica del medio para
diferentes tiempos de retención y distintas alturas del lecho.
Tabla 3.8. Área superficial del aserrín
Altura
(m)
Caudal
(mL/día)
Tiempo de
retención (h)
Área
específica
del aserrín
(m2/g)
0,04
1 000
4
3,40
0,05
710
6
3,70
0,08
1 000
8
3,60
Promedio
3,60 ± 0,15
65
Se establece que el valor del área específica del aserrín es igual a 3,6 m2/g, la
misma que se va a utilizar para determinar el tiempo de retención en que disminuye
la concentración de DBO5 para que cumpla con la Resolución Nº2-SA-2014.
El resultado del área específica del aserrín determina que se trata de un polvo fino,
de forma irregular que producen resistencia al flujo, tiende a acumular el
contaminante en la superficie debido a su configuración de poros permitiendo a las
lombrices alimentarse de la materia orgánica retenida (Portero, 2014, p. 39).
3.2.2.2 Determinación la eficiencia del lombrifiltro
En la Tabla 3.9 se presentan los resultados de las alturas del lecho filtrante y de las
concentraciones de DBO5 para los diferentes tiempos de retención con un caudal
de 1,5 L/día realizados en un laboratorio certificado.
Tabla 3.9. Alturas del lecho filtrante y concentraciones de DBO5 del efluente en el
lombrifiltro para un caudal de 1,5 L/día
Tiempo de
retención
(h)
Altura del
medio
filtrante
(cm)
DBO5
(mg/L)
Ensayo 1
Ensayo 2 Ensayo 3
Promedio
0
0,0
1 020,0
1 020,0
1 020,0
1 020,0 ± 0,0
4
4,4
375,3
384,7
287,9
349,3 ± 53,4
8
8,8
179,4
214,6
189,0
194,3 ± 18,2
14
15,5
112,0
116,5
110,6
113,0 ± 3,08
17
18,8
98,1
86,9
104,0
96,3 ± 8,7
21
23,2
88,4
81,0
91,7
87,0 ± 5,5
24
26,5
88,5
82,7
66,0
79,0 ± 11,7
66
Como se puede observar en la Tabla 3.9, a medida que aumenta el tiempo de
retención y la altura del lecho, el valor de DBO 5 disminuye hasta llegar a
79,0 ± 11,7 mg/L a las 24 horas con una altura del lecho de 26,5 cm, esto se debe
a que la materia orgánica presente en los efluentes quedó retenida en la superficie
del aserrín, permitiendo la depuración del agua residual, la concentración de DBO 5
al tiempo máximo de retención es inferior al límite permisible (170,0 mg/L) en la
Resolución Nº2-SA-2014, por lo que el tratamiento biológico permite remover hasta
el 92,2 % de materia orgánica. A tiempo de 14 horas la DBO 5 cumple con la
normativa ambiental vigente con un porcentaje de remoción de 88,9 % de eficiencia,
es decir, que no es necesario mantener un día de filtración para cumplir con la
Resolución Nº2-SA-2104.
En la Tabla 3.10 se presentan las alturas del lecho filtrante y las concentraciones
DBO5 para un caudal de 3,5 L.
Tabla 3.10. Alturas del lecho filtrante y concentraciones de DBO5 del efluente en el
lombrifiltro para un caudal de 3,5 L/día
DBO5
(mg/L)
Altura del
medio
filtrante
(cm)
Ensayo 1
Ensayo 2
Ensayo 3
Promedio
0
0,0
1 020,0
1 020,0
1 020,0
1 020± 0,0
4
5,8
402,2
355,0
431,8
396,3 ± 38,8
8
11,7
191,5
209,3
203,2
201,3 ± 9,3
14
20,4
130,3
139,2
135,0
135,0 ± 7,5
17
24,8
100,4
108,0
101,5
103,3 ± 6,1
21
30,7
88,3
94,0
92,7
91,7 ± 3,5
24
35,1
84,9
89,9
90,0
88,3 ± 3,8
Tiempo de
retención (h)
Se observa que la concentración de DBO5 disminuye a 88,3 ± 3,8 mg/L al transcurrir
67
24 horas de retención con una altura de 35,1 cm y un porcentaje de remoción de
materia orgánica de 91,3 %, presentando mejor resultado de remoción de DBO 5 que
con el caudal de 1,5 L/día.
A las 14 horas presenta una remoción de 86,7 % la cual es suficiente para que el
agua residual cumpla con la Resolución N°2-SA-2014 al tener un valor de
135,0 ± 7,5 mg/L de DBO5.
Para una mejor visualización se construyó una gráfica con los promedios de la DBO5
de cada caudal con respecto al tiempo de retención como se observa en la Figura
3.7 donde se muestra la tendencia a descender que tiene este parámetro conforme
aumenta el tiempo de retención.
1200
1000
DBO5 (mg/L)
800
600
400
135 mg/L
200
113 mg/L
0
0
5
10
14
15
20
25
30
Tiempo (h)
Caudal 3,5 L/d
Caudal 1,5 L/d
Norma ambiental (170 mg/L)
Figura 3.7. DBO5 del efluente en función del tiempo para los caudales de 1,5 L/día y
3,5 L/día
Por lo tanto, se puede decir que un estudio de tratabilidad previa a la realización del
diseño del lombrifiltro permitió establecer el tiempo de retención óptimo para que las
lombrices presentes en el medio remuevan la mayor cantidad de materia orgánica.
68
El tiempo de retención para que la DBO5 del agua residual cumpla con lo establecido
en la Resolución N°2-SA-2014 dispuesta por el Municipio de Quito es de 14 horas,
de igual manera, mediante las pruebas experimentales, se determinó la eficiencia
de remoción de materia orgánica correspondiente a 88,9 % para el caudal de
1,5 L/día y 86,8 % para 3,5 L/día.
En el tratamiento biológico también se analizaron otros parámetros relacionados con
el DBO5 como son: el DQO y sólidos suspendidos, con el fin de determinar sus
eficiencias de remoción en el lombrifiltro.
En la Tabla 3.11 se presenta las concentraciones de DQO para diferentes tiempos
de retención con un caudal de 1,5 L/día.
Tabla 3.11. Alturas del lecho filtrante y de DQO del efluente en el lombrifiltro para un
caudal de 1,5 L/día
Tiempo de
retención
(h)
Altura
del medio
filtrante
(cm)
DQO
(mg/L)
Ensayo 1
Ensayo 2
Ensayo 3
Promedio
0
0,0
1 367,1
1 367,1
1 367,1
1 367,1 ± 0,0
4
4,4
538,0
532,7
482,0
517,6 ± 30,9
8
8,8
271,3
268,1
265,0
268,1 ± 3,2
14
15,5
128,9
147,0
143,1
139,7 ± 9,5
17
18,8
128,3
132,0
127,1
129,1 ± 2,6
21
23,2
126
132,3
115,7
124,7 ± 8,4
24
26,5
111,6
128,0
123,1
120,9 ± 8,4
Se observa que en el período de 0 a 4 horas los resultados del agua residual en
estudio presentan concentraciones de DQO superiores a la mínima (350,0 mg/L)
mencionada en la Resolución Nº2-SA-2014; en el rango de 8 a 24 horas los niveles
69
de remoción de DQO cumplieron con la normativa ambiental vigente al presentar un
valor de 120,9 ± 8,4 mg/L a las 24 horas, con un porcentaje de remoción de DQO
de 91,1 %.
En la Tabla 3.12 se presenta los resultados de las concentraciones DQO a
diferentes tiempos de retención para un caudal de 3,5 L/día.
Tabla 3.12. Alturas del lecho filtrante y DQO del efluente en el lombrifiltro para un caudal
de 3,5 L/día
Altura
Tiempo de
del medio
retención
filtrante
(h)
(cm)
DQO
(mg/L)
Ensayo 1
Ensayo 2
Ensayo 3
Promedio
0
0,0
1 367,1
1 367,1
1 367,1
1 367,1 ± 0,0
4
5,8
512,1
521,0
515,3
516,1 ± 4,5
8
11,7
235,5
246,0
238,1
239,9 ± 5,5
14
20,4
132,0
143,0
134,0
136,3 ± 5,8
17
24,8
129,0
132,1
138,0
133,0 ± 4,6
21
30,7
116,8
123,0
127,0
122,3 ± 5,1
24
35,1
124,1
118,2
121,0
121,1 ± 3,0
En la Tabla 3.12 se observa las variaciones de las concentraciones de DQO que
tuvo el agua residual al descender las diferentes alturas de lecho en distintos
tiempos de retención, a las 8 horas el efluente presentó un valor de 239,9 ± 5,5 mg/L
con un porcentaje de remoción de 82,4 %, es decir, el efluente cumplió con la
Resolución Nº2-SA-2014 que indica que la DQO debe ser inferior a 350,0 mg/L.
En la Figura 3.8 se observan los valores de DQO para los dos caudales con respecto
al tiempo de retención en el lombrifiltro.
70
1600
1400
1200
DQO (mg/L)
1000
800
600
400
268,1 mg/L
239,9 mg/L
200
0
0
5
8
10
15
20
25
30
Tiempo (h)
Caudal 1,5 L/d
Caudal 3,5 L/d
Norma ambiental (350 mg/L)
Figura 3.8. Resultados de DQO del efluente en función del tiempo para diferentes
caudales
La concentración de DQO tiende a disminuir conforme aumenta el tiempo de
retención del agua residual en el lombrifiltro.
Considerando el tiempo óptimo en que se reduce la concentración de DBO 5 es de
14 horas y la reducción del DQO cumplió con la norma ambiental vigente a partir de
las 8 horas se puede establecer que el tiempo necesario para que el lombrifiltro
cumpla con los dos parámetros corresponde a 14 horas.
Además, en las aguas provenientes del lombrifiltro se analizaron los sólidos
suspendidos del efluente para determinar su eficiencia de remoción ya que gran
parte de su concentración se queda retenida en la superficie del aserrín.
En la Tabla 3.13 se presentan las concentraciones de sólidos suspendidos
realizados a diferentes tiempos de retención para un caudal de 1,5 L/día.
71
Tabla 3.13. Sólidos suspendidos del efluente en el lombrifiltro para un caudal de 1,5 L/día
Sólidos suspendidos
(mg/L)
Altura del
medio
filtrante
(cm)
Ensayo 1
Ensayo 2
Ensayo 3
Promedio
0
0,0
2 802,5
2 802,5
2 802,5
2 802,5 ± 0,0
4
4,4
1 214,8
1 103,0
1 013,0
1 103,0 ± 101,1
8
8,8
984,0
972,2
981,0
979,1 ± 6,1
14
15,5
128,9
147,0
143,1
139,7 ± 9,5
17
18,8
513,0
505,8
486,0
501,6 ± 14,0
21
23,2
336,4
326,0
304,7
322,4 ± 16,2
24
26,5
237,9
230,7
234,2
234,3 ± 3,6
Tiempo de
retención
(h)
Los datos presentados en la Tabla 3.13 indican que la concentración de sólidos
suspendidos disminuyen conforme el tiempo transcurre y aumenta la altura del
lecho, hasta llegar a un valor de 234,3 ± 3,6 mg/L a las 24 horas en el lombrifiltro,
este valor no cumple con el máximo límite permisible en la normativa ambiental
vigente correspondiente a 100,0 mg/L.
En la Tabla 3.14 se presenta los resultados de los análisis de sólidos suspendidos
realizados en diferentes tiempos de retención para el caudal de 3,5 L/día.
Los datos indican que después de 24 horas de retención el parámetro de sólidos
suspendidos tampoco cumplen con la Resolución Nº2-SA-2014 al presentar un valor
de 251, 3 mg/L y una eficiencia de remoción de 91,9 %, debido a las partículas de
aserrín que presentó el efluente.
Por lo tanto, el tratamiento biológico en el lombrifiltro cumple con la remoción de
parámetros de DBO5 y DQO para descargas líquidas al alcantarillado mientras que
72
el parámetro de sólidos suspendidos no cumple con lo señalado en la Resolución
Nº2-SA-2014, por lo cual, se necesita de un tratamiento adicional que permita
disminuir su concentración.
Tabla 3.14. Sólidos suspendidos del efluente en el lombrifiltro para un caudal de 3,5 L/día
Sólidos suspendidos
(mg/L)
Altura del
medio
Tiempo de
retención (h) filtrante
(cm)
Ensayo 1
Ensayo 2
Ensayo 3
Promedio
0
0,0
2 802,5
2 802,5
2 802,5
2 802,5 ± 0,0
4
5,8
1 372,1
1 373,0
1 431,0
1 392,0 ± 33,7
8
11,7
985,0
965,0
993,1
981,0 ± 14,5
14
20,4
847,1
853,0
856,4
852,2 ± 4,7
17
24,8
6370,0
635,9
628,6
636,5 ± 0,7
21
30,7
392,1
387,2
394,2
391,2 ± 3,6
24
35,1
271,0
249,4
233,4
251,3 ± 18,9
Para el escalado del lombrifiltro se tomaron los parámetros de diseño de las pruebas
realizadas a un caudal de 3,5 L/día debido a que su carga hidráulica correspondiente
a 0,12 m/día, la misma que se encuentra dentro del rango de carga hidráulica de
filtros percoladores de tasa baja presentados en la Tabla AVII.1, al contrario de la
carga hidráulica a un caudal de 1,5 L/día que no se encuentra dentro de rango
(Romero, 2001, p.560; Sainz 2005, p.282).
3.2.2.3 Orden de reacción en el lombrifiltro
Para determinar el orden de reacción en el lombrifiltro se utilizó el método integral,
en el cual la gráfica de los datos de concentración-tiempo que presenten linealidad
determinará el orden de la reacción en el lombrifiltro (Fogler, 2001, p. 237).
73
En la Tabla 3.15 se presentan los datos necesarios para construir los gráficos
concentración de DBO5 vs tiempo para determinar el orden de reacción, se tomaron
los resultados de DBO5 del efluente obtenidos para un caudal de 3,5 L/día.
Tabla 3.15. Resultados del método integral para determinar el orden de reacción en el
lombrifiltro
Tiempo (h)
DBO5
ln DBO5
1/DBO5
(1/DBO5)2
0
1 020,0
6,93
0,001
9,61E-07
4
396,3
5,98
0,003
6,37E-06
8
201,3
5,30
0,005
2,47E-05
14
135,0
4,91
0,007
5,49E-05
17
103,3
4,64
0,010
9,37E-05
21
91,7
4,52
0,011
1,19E-04
24
88,3
4,48
0,011
1,28E-04
Con base en los datos presentados en la Tabla 3.15 se realizaron las Figuras 3.9,
3.10 y 3.11 que permiten evaluar el orden de la reacción en el lombrifiltro a través
de regresiones lineales .
8,00
7,00
y = -0,0962x + 6,4607
R² = 0,8856
Ln DBO5
6,00
5,00
4,00
3,00
2,00
1,00
0,00
0
5
10
15
20
25
Tiempo de retención (h)
Figura 3.9. Regresión lineal de la reacción de primer orden
30
74
En la Figura 3.9, se puede observar que los datos experimentales no se ajustan a
una línea recta y que el factor de correlación (r2) es de 0,8856, por lo que la cinética
de la reacción no es de primer orden.
0,014
y = 0,0005x + 0,0011
R² = 0,9854
0,012
1/DBO5
0,010
0,008
0,006
0,004
0,002
0,000
0
5
10
15
20
25
30
Tiempo de retención (h)
Figura 3.10. Regresión lineal de la reacción de segundo orden
En la Figura 3.10 se presenta como resultado de la linealización un valor de r2 de
0,9854, valor muy próximo a 1 por lo que se puede asumir que la reacción biológica
del lombrifiltro es de segundo orden.
1,40E-04
y = 6E-06x - 1E-05
R² = 0,963
1,20E-04
(1/DBO5)^2
1,00E-04
8,00E-05
6,00E-05
4,00E-05
2,00E-05
0,00E+00
0
-2,00E-05
5
10
15
20
25
Tiempo de residencia (h)
Figura 3.11.Regresión lineal de la reacción de tercer orden
30
75
En la Figura 3.11 se observa mediante la linealización de los datos de la Tabla 3.15
que el valor de r2 es de 0,963, valor no tan cercano a 1 por lo que la reacción en el
lombrifiltro no es de tercer orden.
En la Tabla 3.16 se presentan las constantes cinéticas para cada orden de reacción.
Tabla 3.16. Constantes cinéticas de las diferentes órdenes de reacción
Orden de reacción
Constante cinética
Unidad
r2
Primer orden
0,0962
h-1
0,88
Segundo orden
0,0005
L /mg * h
0,98
Tercer orden
6,00 E-06
(L/mg)2
0,96
Por lo tanto se concluye que la cinética de reacción que se produce en el lombrifiltro
es de segundo orden con una constante igual a 0,0005 L /mg* h lo que concuerda
con lo enunciado por Coca al referirse que la reacción que se da en un lombrifiltro
es de orden 2 (Coca, 2008, p. 4).
En el tratamiento biológico de aguas residuales, los microorganismos u organismos
utilizan el efluente como medio de cultivo para sintetizar material orgánico, con
base en las constantes cinéticas se puede determinar la población de siembra de
las lombrices, la tasa de crecimiento así como la velocidad a la cual los organismos
degradan el residuo orgánico y lo transforma en humus (Bertola y Contreras, 2005,
p.1; Coca, 2008, p.6).
3.2.2.4 Diseño del lombrifiltro
Para el diseño del lombrifiltro se consideró:
·
Concentración de DBO5 final de 135,0 mg/L.
·
14 horas de retención en el filtro
·
Eficiencia de remoción de DBO5 de 86,7 % determinada con la Ecuación 2.9.
76
·
Caudal promedio de 25 m3/día, dato proporcionado por la fábrica de
embutidos.
Al utilizar el caudal promedio de 25,0 m3/día, se obtuvo un lombrifiltro de grandes
dimensiones que dificultaban su construcción en el área dispuesta por la fábrica
para la operación de la planta de tratamiento, además complicaba su mantenimiento
y operación, por lo tanto se decidió dividir el caudal para tres (8,3 m3/día)
permitiendo obtener tres lombrifiltros de dimensiones menores que se dispusieron
en forma paralela y los cuales facilitan la operación de la planta de tratamiento de
aguas residuales.
Con base en los datos expuestos se determinó la altura y el volumen del lombrifiltro
con la Ecuación 2.8 y 2.10 respectivamente, a través de estos datos se pudo
determinar el largo y el ancho de los lombriltros.
Los resultados del diseño se muestran en la Tabla 3.17 y los cálculos de diseño del
lombrifiltro se presentan en el Anexo VII.
Tabla 3.17. Dimensiones del lombrifiltro
Dimensiones
Valor
Unidad
Altura total
2,72
m
Altura del lecho
1,50
m
Largo
6,50
m
Ancho
5,50
m
3.2.2.5 Aplicación de un tamiz a las aguas residuales
El agua residual descargada del lombrifiltro cumple con los parámetros de DBO5 y
DQO, el parámetro de aceites y grasas fue controlado anteriormente en la trampa
de grasa. En el lombrifiltro, el material utilizado en el lecho filtrante es aserrín por lo
que el agua residual descargada presenta partículas de madera mayores a
1,0 milímetro de diámetro al igual que humus de lombriz generado por la digestión
77
de la materia orgánica, razones por las cuales se colocó a la salida del lombrifiltro
un tamiz que permita retener estos sólidos.
En la Tabla 3.18 se presenta la concentración de DBO5 después de la aplicación
del tamiz para un caudal de 1,5 L/día y para 3,5 L/día para los tiempos de retención
establecidos en el tratamiento biológico debido a que el tamiz se colocó a
continuación del lombrifiltro, el valor de 1 020,0 mg/L corresponde a la concentración
del DBO5 a la salida de la trampa de grasa.
Tabla 3.18. DBO5 del efluente en el lombrifiltro después de la aplicación de un tamiz para
un caudal de 1,5 L/día y 3,5 L/día
DBO5 (mg/L) con 1,5 L/día
Tiempo
de
retención
(h)
Ensayo
1
Ensayo Ensayo
2
3
0
1 020,0
1 020,0 1 020,0 1 020,0±0,0
4
342,0
332,1
349,8
8
235,8
215,0
14
165,0
17
DBO5 (mg/L) con 3,5 L/día
Ensayo
1
Ensayo Ensayo
2
3
1 020,0
1 020,0 1 020,0 1 020,0 ±0,0
341,3±8,9
442,0
472,0
473,0
462,3 ± 17,6
228,0
226,3±10,5
322,6
315,9
328,0
322,2 ± 6,1
171,0
175.0
170,3±5,5
178,7
162,9
165,8
169,1 ± 8,4
154,0
159,3
140,5
151,3±9,7
138,6
127,5
128,0
131,4 ± 6,3
21
92,2
96,3
89,0
92,5±3,7
117,8
111,7
109,7
113,1 ± 4,2
24
86,0
88,2
76,5
83,6±6,2
105,0
91,0
96,4
97,5 ± 7,1
Promedio
Promedio
En la Tabla 3.18 se muestran los análisis de DBO5 que se realizaron al agua residual
después de colocar un tamiz en la descarga del lombrifiltro, presentan disminución
de DBO5 conforme aumenta el tiempo de filtración hasta el transcurso de 24 horas,
se obtuvo una eficiencia de remoción de 91,8 % para el caudal de 1,5 L/día y de
90,4 % con un caudal de 3,5 L/día.
78
La aplicación de un tamiz después del tratamiento biológico no afecta
considerablemente en la disminución de la concentración de DBO 5, como se
observa en la Tabla 3.18 los valores de este parámetro se encuentran cercanos a
los resultados en cuyo tratamiento no se aplicó un tamiz, en los dos casos se
cumplió con la Resolución Nº2-SA-2014 para este parámetro. No se observó una
alteración en el tratamiento ya que el tamizado retiene partículas sólidas mas no
depura la materia orgánica de los efluentes.
En la Tabla 3.19 se observa los resultados de DQO después de la aplicación de un
tamiz con un caudal de 1,5 L/día y 3,5 L/día con los tiempos de retención en el
lombrifiltro, la concentración de 1 367,1 mg/L de DQO corresponde al efluente
proveniente de la trampa de grasa.
Tabla 3.19. DQO del efluente en el lombrifiltro después de la aplicación de un tamiz para
un caudal de 1,5 L/día y 3,5 L/día
DQO(mg/L) con 1,5 L/día
Tiempo de
Ensayo Ensayo Ensayo
retención
1
2
3
(h)
0
DQO(mg/L) con 3,5 L/día
Promedio
1 367,1 1 367,1 1 367,1 1 367,1 ±0,0
Ensayo Ensayo Ensayo
1
2
3
1 367,1
1 367,1 1 367,1
Promedio
1367,1 ± 0,0
4
477,2
474,0
481,0
477,5 ± 3,5
616,2
642,0
623,5
627,2 ± 13,3
8
322,8
318,0
338,0
326,3 ± 10,4
344,1
332,7
353,1
343,3 ± 10,2
14
260,0
245,9
267,9
258 ± 11,5
236,9
265,8
263,0
255,2 ± 15,9
17
201,6
211,0
210,0
207,4 ± 5,0
178,6
183,6
156,0
172,7 ± 14,7
21
125,2
116,8
1210
121,2 ± 3,9
152,7
135,8
139,0
142,5 ± 8,9
24
117,1
127,0
118,7
121,1 ± 5,3
126,0
116,8
128,0
123,6 ± 5,9
Se observa como disminuye la concentración de DQO hasta llegar al tiempo máximo
de retención en la que presenta un valor de 121,1 ± 5,3 mg/L con una eficiencia de
79
91,1 % con el caudal de 1,5 L/día y de 90,9 % para el caudal de 3,5 L/día al
transcurrir 24 horas.
La DQO a tiempo 8 horas con un caudal de 3,5 L/día presenta un promedio de 343,3
±10,2mg/L, es decir, que se encuentra en un rango de 333,1 y 353,5 mg/L lo que
implica que el límite inferior cumple con la resolución establecida por el municipio
de Quito, pero presenta el riesgo de no cumplir con el valor de la norma al analizar
el límiite superior, por lo que es más seguro tomar 14 horas como tiempo óptimo de
retención tanto para el caudal de 1,5 L/día como para 3,5 L/día.
En la Tabla 3.20 se presenta los resultados de los sólidos suspendidos después de
la aplicación de un tamiz en la descarga del lombrifiltro para un caudal de 1,5 mg/L
y 3,5 L/día, el valor de 2 802,5 mg/L es la concentración de los sólidos suspendidos
del agua preveniente de la trampa de grasa.
Tabla 3.20. Sólidos suspendidos del efluente en el lombrifiltro después de la aplicación de
un tamiz para un caudal de 1,5 L/día y 3,5 L/día
Sólidos suspendidos (mg/L) con
1,5 L/día
Tiempo
de
Ensayo Ensayo Ensayo
retención
1
2
3
(h)
0
Promedio
Sólidos suspendidos (mg/L) con
3,5 L/día
Ensayo Ensayo Ensayo
1
2
3
2 802,5 2 802,5 2 802,5 2 802,5 ± 0,0 2 802,5 2 802,5 2 802,5
1 022,8 1 002,7 1 008,4 ±12,6 1 103,2 1 096,2 1 108,2
Promedio
2 802,5 ± 0,0
4
999,6
1 102,5 ± 6,0
8
923,5
910,8
902,0
912,1 ± 10,9
965,9
941,0
932,0
946,2 ± 17,6
14
665,8
637,7
612,0
638,5 ± 26,9
678,3
653,0
655,7
662,3 ± 13,9
17
317,0
159,3
141,0
205,6 ± 96,9
394,6
396,0
383,4
391,5 ± 7,0
21
295,0
310,2
302,0
302,6 ± 7,2
192,3
198,0
194,7
195,1 ± 2,9
24
121,3
113,2
103,0
112,4 ± 4,6
104,0
89,5
101,1
98,2 ± 7,7
80
De los datos presentados en la Tabla 3.20 se observa que a las 24 horas de
retención en el lombrifiltro la concentración de los sólidos suspendidos no cumplen
con el límite permisible en la Resolución N°2-SA-2014 debido a que tiene un valor
de 112,4 ± 4,6 mg/L con un caudal de 1,5 L/día y de 98,2 ± 7,7 mg/L para 3,5 L/día,
siendo el límite permisible 100,0 mg/L.
Por lo tanto se puede establecer que el tamiz no ayuda a disminuir la concentración
de sólidos suspendidos presentes en el efluente después del tratamiento biológico,
lo que quiere decir que, el agua residual presenta partículas sólidas menores a 1,0
milímetro de diámetro por lo que es necesario aplicar un tratamiento efectivo que
permita eliminar los sólidos suspendidos, como el sistema de flotación por aireación.
3.2.2.6 Dimensionamiento del tanque de almacenamiento
El tanque de almacenamiento se dimensionó con el fin de acumular el agua residual
proveniente de los lombrifiltros para luego ser llevada al sistema de flotación por
aireación.
Para el diseño del tanque circular de fondo plano de acero inoxidable se consideró
un almacenamiento 25 m3 de agua residual, presión atmosférica de 0,71 atm a la
temperatura ambiente de Quito de 20 ºC (Megyesy, 2001, p.182).
Se obtuvo un tanque de almacenamiento de diámetro de 4,2 m y una altura de
2,1 m. Los cálculos del dimensionamiento del tanque de almacenamiento se
presentan en el Anexo IX.
3.2.3 EVALUACIÓN DE UN SISTEMA DE FLOTACIÓN POR AIREACIÓN
3.2.3.1 Flotación por aireación a diferentes velocidades de agitación
En la Tabla 3.21 se presenta los resultados de sólidos suspendidos para una
81
velocidad de agitación de 1 400 rpm en donde se puede observar que a tiempo cero
presenta una concentración de 852,2 mg/L, este valor corresponde el promedio de
los sólidos suspendidos en la descarga del lombrifiltro a un tiempo de retención de
14 horas con un caudal de 3,5 L/día.
Como observa en la Tabla 3.21 a un tiempo de flotación igual a 20 min el parámetro
de sólidos suspendidos disminuyó a un valor de 92,3 ± 2,7 mg/L, es decir, que con
la velocidad de agitación de 1 400 rpm este parámetro se encuentra dentro del límite
permisible en la Resolución N°2-SA-2014.
Esto se debe a que la agitación y la inyección de aire se generan burbujas que
ascienden a la superficie atrapando los sólidos presentes en el agua para ser
eliminados completamente del efluente (Blandón et al, 2001, p.2).
Tabla 3.21. Sólidos suspendidos del efluente a una velocidad de agitación de 1 400 rpm
Sólidos suspendidos (mg/L)
Tiempo de
flotación
(min)
Ensayo 1
Ensayo 2
Ensayo 3
Promedio
0
852,2
852,2
852,2
852,2 ± 0,0
5
677,2
664,2
684,1
675,2 ± 10,1
10
332,8
318,2
312,6
321,2 ± 10,4
15
160,0
155,3
132,7
149,3 ± 14,6
20
92,2
95,1
89,7
92,3 ± 2,7
En la Tabla 3.22 se presenta los resultados de los parámetros sólidos suspendidos
para una velocidad de agitación de 1 200 rpm. Se puede observa que existe un
descenso de la cantidad de los sólidos suspendidos hasta llegar a un valor de 95,0
± 3,8mg/L en un tiempo de 20 min de flotación cumpliendo con la resolución N°2SA-2014 que existe un descenso de la cantidad de los sólidos suspendidos hasta
llegar a un valor de 95,0 ± 3,8mg/L en un tiempo de 20 min de flotación cumpliendo
82
con la resolución N°2-SA-2014 que existe un descenso de la cantidad de los sólidos
suspendidos hasta llegar a un valor de 95,0 ± 3,8mg/L en un tiempo de 20 min de
flotación cumpliendo con la resolución N°2-SA-2014.
Tabla 3.22. Sólidos suspendidos del efluente a una velocidad de agitación de 1 200 rpm
Sólidos suspendidos
(mg/L)
Tiempo de
flotación (min)
Ensayo 1
Ensayo 2
Ensayo 3
Promedio
0
852,2
852,2
852,2
852,2 ± 0,0
5
701,4
689,3
698,1
696,3 ± 6,3
10
413,2
406,5
382,8
400,83 ± 16,0
15
137,3
176,5
153,2
155,7 ± 19,7
20
98,1
96,2
90,7
95,0 ± 3,8
De los resultados presentados en las Tablas 3.21 y 3.22 se puede decir que el
sistema de flotación por aireación en una celda Denver cumple con el objetivo de
disminuir la concentración de sólidos suspendidos en un tiempo de 20 min y que a
mayor agitación remueve el 89,2 % de sólidos suspendidos.
En la Tabla 3.23 se presentan los resultados de los análisis de DBO 5 realizados a
las aguas residuales con 1 400 rpm y a 1 200 rpm cada 5 minutos durante la
flotación.
El valor de 135,0 mg/L a tiempo cero corresponde a la concentración de DBO5 en
el lombrifiltro a tiempo de retención de 14 horas con un caudal de 3,5 L/día.
Estos datos indican que durante la flotación del agua residual a 1 400 rpm y a 1 200
rpm el valor de DBO5 va disminuyendo con el tiempo, lo que establece que el método
83
de flotación por aireación permite reducir la cantidad de materia orgánica de los
efluentes reduciendo aún más su concentración y mejorando la calidad del efluente.
Tabla 3.23. DBO5 del efluente a una velocidad de agitación de 1 400 rpm y 1 200 rpm
Tiempo
de
flotación
(min)
DBO5 (mg/L) a 1 400 rpm
DBO5 (mg/L) 1 200 rpm
Ensayo
1
Ensay
o2
Ensayo
3
Promedio
Ensayo
1
Ensayo
2
Ensayo
3
Promedio
0
135,0
135,0
135,0
135,0 ± 0,0
135,0
135,0
135,0
135,0 ± 0,0
5
74,3
72,8
70,1
72,4 ± 2,1
79,1
76,5
70,1
75,2 ± 4,6
10
60,4
57,6
52,6
56,9 ± 4,0
63,0
66,2
67,0
65,4 ± 2,1
15
36,1
44,3
38,7
39,7 ± 4,2
57,4
52,9
50,7
53,7 ± 3,4
20
33,9
38,8
31,4
34,7 ± 3,8
46,8
47,9
51,5
48,7 ± 2,5
En la Tabla 3.23 se observa que con una velocidad del agitador de 1 200 rpm la
concentración de DBO5 disminuye hasta un valor de 48,7 ± 2,5 mg/L en un tiempo
de 20 minutos, mientras que a 1 400 rpm la concentración de materia orgánica se
reduce hasta 34,7 ± 3,0 mg/L, por lo tanto se puede establecer que el parámetro de
DBO5 disminuye cuando mayor es la agitación en la celda de flotación y conforme
transcurre el tiempo, logrando que el agua tratada se encuentre por debajo del límite
permisible en la Resolución Nº2-SA-2014 correspondiente a 170,0 mg/L.
En la Tabla 3.24 se presentan los resultados de los análisis de DQO realizados al
agua residual con agitación de 1 400 rpm y a 1 200 rpm.
A tiempo cero la concentración de DQO es de 255,2 mg/L, valor que pertenece al
agua residual proveniente del lombrifiltro a tiempo de retención de 14 horas y
3,5 L/día.
De los datos presentados en la Tabla 3.24 se observa que la DQO al igual que el
84
DBO5 presentado en la Tabla 3.23 disminuye conforme transcurre el tiempo de
flotación reteniendo materia orgánica en las burbujas generadas por el aire y
reduciendo su concentración a 53,4 ± 5,8 mg/L en el caso de 1 400 rpm y de
78,6 ± 4,0 mg/L a 1 200 rpm valores menores a los enunciados en la Resolución
Nº2-SA-2014.
Tabla 3.24. DQO del efluente a una velocidad de agitación de 1 400 rpm y 1 200 rpm
Tiempo
de
flotación
(min)
DQO (mg/L) a 1 400 rpm
DQO (mg/L) 1 200 rpm
Ensayo
1
Ensayo
2
Ensayo
3
Promedio
Ensayo
1
Ensayo
2
Ensayo
3
Promedio
0
255,2
255,2
255,2
255,2 ± 0,0
255,2
255,2
255,2
255,2 ± 0,0
5
123,8
121,3
116,8
120,7 ± 3,5
138,8
134,2
123,0
132 ± 8,1
10
97,4
92,9
84,8
91,7 ± 6,4
103,3
108,5
109,8
107,2 ± 3,5
15
61,2
75,1
65,6
67,3 ± 7,1
91,1
84,0
80,5
85,2 ± 5,4
20
52,2
59,7
48,3
53,4 ± 5,8
75,5
77,3
83,1
78,6 ± 4,0
Por lo tanto se establece que el sistema de flotación por aireación permite reducir la
concentración de DQO presente en el agua residual, debido a que también
disminuye la concentración de DBO5 del efluente como se observó en la Tabla 3.23.
3.2.3.2 Diseño de la celda de flotación
Para el sistema de flotación se diseñó la celda con base en el tiempo de flotación
de 20 minutos obtenidos en el laboratorio, y con parámetros de diseño establecidos
en la sección 2.2.4.1. Los resultados de las dimensiones de la celda a nivel industrial
se obtuvieron con las Ecuaciones 2.18, 2.19 y 2.20 presentados en la Tabla 3.25.
85
Tabla 3.25. Resultados de las dimensiones de la celda de flotación
Parámetro
Valor
Unidad
Capacidad
0,69
m3
Altura
1,40
m
Largo
0,70
m
Ancho
0,70
m
Tiempo de flotación
40,00
min
Los cálculos del diseño de la celda de flotación de la planta de tratamiento de aguas
residuales se presentan en el Anexo X.
3.2.3.3 Diseño del agitador
Para la selección del agitador se utilizó la capacidad de la celda de flotación la cual
fue de 0,69 m3 presentada en los cálculos del Anexo X, así como el valor del ancho
y largo correspondientes a 0,70 m para las dos dimensiones.
Se consideró un valor de viscosidad del agua residualigual a 1 cP y una densidad
de 1 000 kg/m3.
Debido a la presencia de sólidos suspendidos se seleccionó una turbina abierta axial
de seis cuchillas que ayuda a levantar los sólidos presentes por su ángulo de
inclinación (Ludwig, 2001, p.290).
Se consideró una relación de diámetro del impeler y diámetro del tanque de 0,5 a
través de la cual se determinó el diámetro del impeler de 0,35 m, el valor de Q
(caudal de agitación) correspondió a 0,0058 m3/s; Nq igual a 5 y Ni de 1,02 rps,
finalmente, el agitador necesitó de una potencia igual 0,19 kW.
En la Figura 3.12 se observar el esquema del sistema de flotación por aireación con
sus dimensiones.
86
Figura 3.12. Dimensiones de la celda de flotación y agitador
Los cálculos para el diseño del agitador se detallan en Anexo X.
3.3 DISEÑO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
La planta de tratamiento de aguas residuales se diseñó para un caudal de 25 m3/día,
dato proporcionado por la fábrica de embutidos, con base en los resultados
obtenidos en el laboratorio se diseñaron tratamientos que permitieron a los efluentes
de la empresa cumplir con los valores establecidos en la Resolución N°2-SA-2014
del Distrito Metropolitano de Quito para descargas líquidas al alcantarillado.
Disponibilidad de insumos y materia prima
La materia prima será el agua residual proveniente de la fábrica de embutidos.
Los insumos utilizados en la planta de tratamiento de aguas residuales
principalmente, en la implementación del lombrifiltro fueron: el aserrín, que al ser
considerado un residuo sólido se encuentra disponible en todas las épocas del año,
no tiene un costo representativo y se lo puede conseguir en grandes volúmenes; las
lombrices Eisenia foetida, organismos que se reproducen fácilmente y constituyen
la materia prima principal en la lombricultura por lo que se las puede adquirir en un
87
sitio llamado Lombriart; las piedras que sirven de base en el lombrifiltro son piedras
de río y representarán un costo al ser transportadas hacia la fábrica de embutidos
(Lombriart, 2015, p.1).
Balance de masa
El balance de masa para la planta de tratamiento de aguas se realizó a partir de
25 000 kg de agua por día que corresponden a 25 metros cúbicos de agua que la
fábrica de embutidos genera diariamente.
Los resultados de los balances de masa de cada una de las corrientes que
conforman la planta de tratamiento de aguas residuales se presentan en la Figura
3.13 se tomó como parte del balance las concentraciones de los contaminantes
obtenidos en los ensayos experimentales. los cálculos detallados de cada balance
se encuentran en el Anexo XI.
Figura 3.13. Balance de masa en la planta de tratamiento de aguas residuales
A partir del balance de masa se determinaron los flujos másicos en cada proceso
88
del tratamiento. La corriente 8 representa el efluente tratado y corresponde a
24 890,92 kg/día de agua con un contenido de sólidos suspendidos de 2,20 kg/día,
por lo que se puede concluir que el sistema de tratamiento de aguas residuales
cumple con la Resolución Nº2-SA-2014 para el control de descargas líquidas al
alcantarillado con respecto a DBO5, DQO, sólidos suspendidos, aceites y grasas.
3.3.1 DIAGRAMAS DEL PROCESO
Los diagramas del proceso se realizaron con base en los resultados obtenidos en
el laboratorio, balance de masa, diseño y disposición de los equipos en planta y el
sistema hidráulico.
Diagrama BFD
El diagrama de BFD de la planta de tratamiento se presenta en la Figura 3.14.
Diagrama PFD
Los procesos de la planta de tratamiento en el PFD pueden ser identificados a
través de la nomenclatura que se les dio a los equipos. Las nomenclaturas de los
equipos de las operaciones unitarias se presentan en la Tabla 3.26.
Tabla 3.26. Nomenclatura de equipos dispuestos en el diagrama PFD
Equipo
Nomenclatura
Trampa de grasa
TG-101
Lombrifiltros
LF-102, LF-103, LF-104
Tanque de almacenamiento
TK-105
Celda de flotación
CF-105
El diagrama PFD de la planta de tratamiento se presenta en la Figura 3.15.
Figura 3.14. Diagrama BFD de la planta de tratamiento de aguas residuales
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA
QUÍMICA Y AGROINDUSTRIA
NOMBRE DEL PROYECTO:
Planta de Tratamiento de Aguas Residuales
Línea de Tratamiento de Agua
ELABORADO POR: Andrea Sofía
PÁGINAS:
Jiménez Coral
1 de 1
BFD
FECHA: Noviembre 2015
90
89
Figura 3.15. Diagrama PFD de la planta de tratamiento de aguas residuales
91
90
91
3.3.2 DIMENSIONAMIENTO DE TUBERÍAS Y SELECCIÓN DE BOMBAS
·
Sistema de tuberías
El sistema de tuberías se diseñó para transportar el efluente de un tratamiento a
otro, con base en la ubicación de los principales equipos de la planta de tratamiento
y la distancia comprendida entre cada uno de ellos.
Los parámetros y criterios para el diseño del sistema de tuberías, se indican a
continuación:
·
El tamaño nominal de las tuberías se consideró en función al diámetro y
longitud de las tuberías existentes en el mercado, como se señala en la
Figura AXII.1 del Anexo XII.
·
La velocidad del fluido en el sistema de tuberías corresponden a la velocidad
con la que fluye el agua residual de un proceso a otro.
·
El número de Reynolds (Re) se calculó con la Ecuación AXII.5 el factor de
fricción y la rugosidad relativa se obtuvieron de la Figura AXII.2.
·
La caída de presión se determinó con la Ecuación AXII.7.
El material de construcción de las tuberías es de acero inoxidable, lo que representa
un costo elevado para la fábrica de embutidos, debido a que es un material presenta
alta resistencia a la oxidación por lo que darán mayor tiempo de vida útil a la planta
de tratamiento.
En la Tabla 3.27 se presentan los detalles de las tuberías necesarias para la planta
de tratamiento de agua residuales.
El dimensionamiento de las tuberías se presenta en el Anexo XII.
92
Tabla 3.27. Detalle de las tuberías de acero inoxidable de cédula 40 en la planta de
tratamiento de aguas residuales
N° de
Nomenclatura
corriente
Diámetro
Longitud ΔP
ࣇ
nominal
(m)
(Psi) (m/s)
(pulg)
Reynolds
Rugosidad
relativa
Factor
de
fricción
1
19,1-AR-01-SS
SA
1/2
1
0,17
1,49
23 384,00
0,00012
0,018
2
25,4-AR-02-SS
SA
1
3
0,08
0,83
21 855,29
0,00008
0,012
3
19,1-AR-03-SS
SA
½
2
1,35
2,95
46 170,08
0,00013
0,012
4
19,1-AR-04-SS
SA
½
3
3,09
2,63
26 855,91
0,00019
0,014
5
19,1-AR-05-SS
SA
½
2
2,06
2,63
26 855,91
0,00019
0,014
6
19,1-AR-06-SS
SA
½
3
3,09
2,63
26 855,91
0,00019
0,014
7
19,1-AR-07-SS
SA
½
2
4,85
3,82
38 968,63
0,00019
0,013
8
19,1-AR-08-SS
SA
½
1
2,43
3,82
38 968,63
0,00019
0,013
9
19,1-AR-09-SS
SA
½
2
4,85
3,82
38 968,63
0,00019
0,013
10
19,1-AR-10-SS
SA
¾
2
0,02
0,78
15 390,03
0,00013
0,012
11
19,1-AR-11-SS
SA
¾
2
0,02
0,78
15 390,03
0,00012
0,012
12
19,1-AR-12-SS
SA
¾
2
2,06
2,63
26 855,91
0,00019
0,014
Como se observa en la Tabla 3.27, la caída de presión en general presenta valores
93
bajos lo que significa que el fluido se puede transportar por las tuberías sin mayores
inconvenientes debido a la baja fricción.
El número adimensional de Reynolds en las tuberías presenta valores superiores a
4 000 que corresponde a un flujo turbulento que no permite que los sólidos se
queden en las tuberías.
En cuanto a los accesorios que van a permitir la conexión del sistema de tuberías
en la planta de tratamiento se tienen: codos, cuyo ángulo depende de la ubicación
y unión de las tuberías; aspersores, que permitirán la distribución del agua residual
sobre la superficie del aserrín y se enlazarán con las tuberías de distribución en el
lombrifiltro; válvulas que dividirán el flujo en el tratamiento biológico y controlaran el
paso de agua hacia el sistema de flotación por aireación.
En la Tabla 3.28 se presentan los accesorios que se necesitan para acoplar la
tubería de la planta de tratamiento de aguas.
Tabla 3.28. Detalle de accesorios de las tuberías de la planta de tratamiento de aguas
residuales
N° de
corriente
3
4
5
6
Denominación de
la línea
19,1-AR-03-CS
SA
19,1-AR-04-SS
SA
19,1-AR-05-SS
SA
19,1-AR-06-SS
SA
Accesorio
Cantidad
Diámetro
nominal
(pulg)
Válvula de
cuatro vías
1
1/2
Codo de 90°
2
1/2
Codo de 90°
3
1/2
Aspersor
1
1/2
Codo de 90°
2
1/2
Aspersor
1
1/2
Codo de 90°
3
1/2
Aspersor
1
1/2
94
Tabla 3.28. Detalle de accesorios de las tuberías de la planta de tratamiento de aguas
residuales (continuación…)
N° de
corriente
Denominación
de la línea
Accesorio
Cantidad
Diámetro
nominal
(pulg)
7
19,1-AR-07-SS
SA
Codo de 90°
2
1/2
8
19,1-AR-08-SS
SA
Codo de 90°
1
1/2
9
19,1-AR-09-SS
SA
Codo de 90°
2
1/2
Válvula de
Globo
1
3/4
Codo de 90°
1
3/4
Válvula de
Globo
1
3/4
Codo de 90°
2
3/4
10
11
19,1-AR-10-CS
SA
19,1-AR-11-CS
SA
Bombas
La planta de tratamiento de aguas residuales necesita de dos bombas centrífugas,
la bomba BC-01 fue seleccionada para impulsar el agua residual proveniente de la
trampa de grasa hacia los lombrifiltros debido a que el caudal del agua en este
sistema debe ser dividido para los tres filtros y la bomba BC-02 permite el transporte
del fluido hacia la celda de flotación.
En la Tabla 3.29 se observa el detalle de las bombas seleccionadas.
Tabla 3.29. Detalles de bombas seleccionadas para el tratamiento de aguas residuales
N° de
Denominación
corriente
Tipo
Potencia
(kW)
2
B-01
Centrífuga
0,06
10
B-02
Centrífuga
0,18
95
Los cálculos de la selección y características de las bombas se presentan en el
Anexo XIII.
3.3.2.1 Diagrama de instrumentación y tuberías
·
Control de nivel en el tanque de almacenamiento TK-105
El diagrama PID de la planta de tratamiento de aguas residuales se presenta un
control de nivel en el tanque de almacenamiento del agua residual, para manipular
el flujo de agua y evitar un desbordamiento que pueda causar contaminación del
entorno y ocasionar problemas en la planta, en la Figura 3.16 se presenta el sistema
de control para el tanque TK-105.
Figura 3.16. Sistema de control en el tanque de almacenamiento TK-105
El diagrama PID del sistema de tratamiento de aguas residuales de la fábrica de
embutidos se observa en la Figura 3.17.
Figura 3.17. Diagrama PID de la planta de tratamiento de aguas residuales
97
96
97
Metodología de operación de la planta de tratamiento de aguas residuales
La planta de tratamiento de aguas residuales tiene su inicio cuando el efluente
proveniente de la fábrica de embutidos es descargado en la trampa de grasa TG101 a través de la tubería 19,1-AR-01-SS-SA en este tratamiento el agua residual
permanecerá 5,2 minutos, tiempo necesario para que se separen las grasas de la
fase acuosa, la grasa será retirada por la parte superior de la trampa de manera
manual, el agua residual sin material grasoso saldrá por la parte interior hacia la
bomba BC-01 que llevará el fluido hacia una válvula controlada que dividirá el flujo
del efluente para ser repartido a los tres lombrifiltros, BF-102, BF-103, BF-104.
Los lombrifiltros se encontrarán colocados en forma paralela mediante las líneas
19,1-AR-03-CSSA, 19,1-AR-04-SSSA, 19,1-AR-05-SSSA, 19,1-AR-06-SSSA, el
fluido será distribuido a través de aspersores que serán colocados en la superficie
de aserrín, con un tiempo de contacto entre el agua residual y el medio filtrante de
14 horas, este tratamiento tendrá una eficiencia de 86,2 % con respecto a la materia
orgánica presente en el efluente.
Para la recolección del subproducto se deberá observar el medio filtrante, cuando
presente un color oscuro parecido a la tierra y tenga aproximadamente una altura
de 2,0 a 3,0 centímetros, se cortará la alimentación del agua residual en los
lombrifiltros por zonas, las lombrices migrarán a la parte húmeda para sobrevivir
haciendo posible la recolección de este producto, una vez transcurrido el tiempo de
retención, el agua tratada será descargada por la parte inferior de los lombrifiltros y
dirigida
mediante
las
líneas
19,1-AR-07-SSSA,
19,1-AR-08-SSSA,
19,1-AR-09-SSSA hacia el tanque de almacenamiento TK-105 en el que se
controlará el nivel del efluente a través de una válvula de control que permitirá el
paso hacia la bomba centrífuga BC-02.
Las líneas 19,1-AR-10-SSSA, 19,1-AR-11-SSSA transportarán el agua residual
hacia la celda de flotación FA-105 en donde se retirará sólidos correspondientes a
partículas de aserrín y biomasa provenientes del lombrifiltro, la flotación por
aireación tendrá una duración de 40 minutos y el efluente tratado cumplirá con la
Resolución N°2-SA-2014.
98
3.3.3 EVALUACIÓN ECONÓMICA
La implementación de una planta de tratamiento de aguas residuales se considera
una inversión económica para la fábrica ya que por lo general no se generan
productos que puedan ser comercializados, en este caso el proyecto presenta la
particularidad de generar un producto agrícola (humus) que puede ofrecer ingresos
a la empresa.
Además, el proyecto compensará las multas impuestas por el Municipio de Quito al
no cumplir con las Normas Técnicas establecidas en la Ordenanza 404.
Para la evaluación económica de la planta de tratamiento de aguas residuales se
debe tener en consideración varios aspectos económicos que permitirán determinar
la viabilidad del proyecto. En la Tabla 3.30 se detallan los parámetros generales del
proyecto, en donde la inversión inicial será realizada por la fábrica de embutidos.
Tabla 3.30. Parámetros económicos del proyecto de sistema de tratamiento de aguas
residuales provenientes de una fábrica de embutidos.
Parámetro
Unidad
Valor
Inversión inicial
USD
67 915,75
Aporte patronal al IESS
% de valor sueldo o salario
11,15
Duración de capital de operación
meses
12
Imprevistos
% de costos de producción
10,00
Impuesto a la renta sobre utilidades
%
0,00
(IESS, 2015)
3.3.3.1 Costos de inversión
En la Tabla 3.31 se especifica la inversión de equipos principales, tuberías, y
accesorios utilizados en la planta de tratamiento de aguas residuales, se consideró
que la fábrica de embutidos cuenta con el terreno disponible para la construcción
de la planta de tratamiento de aguas.
99
Tabla 3.31. Detalle de costos de inversión en equipos, tuberías e instrumentación
Equipos en la planta
Equipo
Nomenclatura
Número
en
planta
Costo
unitario
($)
Costo total ($)
Trampa de
grasa
TG-101
1
300,00
300,00
Tanque de
almacenamiento
TK-105
1
698,78
698,78
Celda de
flotación
CF-105
1
3 500,00
3 500,00
Bomba
centrifuga
BC-01
1
3 653,00
3 653,00
Bomba
Centrifuga
BC-02
1
6 925,00
6 925,00
Instrumentación
-
1
1 248,00
1 248,00
Subtotal
16 324,78
Tuberías
Línea
Costo por
metro (USD)
Longitud (m)
Costo total
(USD)
Tubería de
acero inoxidable
1/2”
$ 30,50
39
1 189,50
Tubería de
acero inoxidable
3/4”
$ 39,40
22
866,80
Subtotal
2 056,30
Total
18 381,08
(Colmena, 2015, p.1; Coval, 2011. p. 1; Coval, 2014, p.1 ; Novem, 2015, p.3 )
En la Tabla 3.32 se detalla la inversión que se necesita para las obras civiles en la
construcción de la planta, se presenta el precio del movimiento de tierra incluido el
transporte de residuos en volquetas, el costo de la construcción de los lombrifiltros
de acuerdo a las dimensiones de diseño, mano de obra de albañiles y materiales de
construcción.
100
Tabla 3.32. Detalle de costos de obras civiles
Construcción y montaje
Costo (USD)
Movimiento de tierra
2 800,00
Construcción de lombrifiltros
7 000,00
Total
9 800,00
(Beltrán, 2012, p.24)
3.3.3.2 Costos por mano de obra
El personal de la planta de tratamiento tendrán todos los derechos por ley para un
trabajador, estos son: el aporte al IESS, décimo tercero, décimo cuarto y fondos de
reserva correspondiente al 8,33 % como se describe en la Tabla 3.33.
Tabla 3.33. Detalle de gastos de mano de obra
Puesto de trabajo
Supervisor
Operador
N° de trabajadores
1
1
Sueldo (USD)
1 100,00
460,00
Aporte al IESS 11,15 % (USD)
122,65
51,29
Total mensual (USD)
1 222,65
511,29
Total anual (USD)
14 671,80
6 135,48
13ero (USD)
1 100,00
460,00
14to (USD)
354,00
354,00
Fondos de reserva 8,33% (USD)
91,63
38,32
Total mensual (USD)
1 435,45
617,44
Total anual (USD)
17 225,36
7 409,30
Total (USD)
(IESS, 2015)
24 634,66
101
3.3.3.3 Costos variables
La Tabla 3.34 presenta el detalle de la materia prima utilizada en la implantación de
los lombrifiltros.
Tabla 3.34. Detalle de costos variables
Costo unitario
(USD)
Unidad
Detalle
Costo mensual
(USD)
Costo anual
(USD)
Materia prima
Lombrices *
Cajas
120,00
120,00
240,00
Aserrín
-
40,00
40,00
120,00
Piedras
-
80,00
80,00
80,00
240,00
440,00
Total
*(Lombriart, 2015, p.1)
Los materiales como el aserrín y las piedras no tienen un valor económico
representativo por lo que el costo que se observa en la Tabla 3.34 hace referencia
al transporte de estos insumos hacia la fábrica de embutidos.
3.3.3.4 Costos de operación
En la Tabla 3.35 se observa los costos totales de operación, se consideró el 5 % del
valor de la maquinaria y equipos para el mantenimiento de estos, al igual que en el
mantenimiento de las instalaciones, una depreciación de los equipos de un 10 %
anual y 10 % como imprevistos frente a cualquier eventualidad que se presentan al
momento de implementar la planta de tratamiento de aguas.
Tabla 3.35. Detalle de costos de operación
Costos de operación
Detalle
Valor
mensual
(USD)
Valor anual
(USD)
Costos variables
240,00
440,00
102
Tabla 3.35. Detalle de costos de operación (continuación…)
Costos de operación
Detalle
Valor
mensual
(USD)
Valor anual
(USD)
Depreciación de los equipos
1 838,11
22 057,30
Mantenimiento de equipos
919,05
11 028,65
Mantenimiento de instalaciones
100,00
1 200,00
Costos fijos
2 857,16
34 285,94
Total sin imprevistos
3 097, 16
37 165,94
Total con imprevistos
3 406,88
40 882,54
(Miranda, 2011, p.168)
En la Tabla 3.36 se observa el total de la inversión necesaria para la implantación
de una planta de tratamiento.
Tabla 3.36. Detalle de costos de inversión
Total de inversión
Denominación
Valor
(USD)
Maquinaria y equipos
18 381,08
Obra civil
8 650,13
Capital de operación
40 882,54
Total
67 913,75
3.3.3.5 Ingresos
El ingreso por ventas que tendrá la planta de tratamiento no compensa el valor de
inversión ya que el único subproducto que se puede comercializar es el humus de
lombriz, el cual no tiene un valor elevado en el mercado.
103
Por otro lado, con la implementación de la planta de tratamiento la fábrica no va a
tener que pagar sanciones por concepto de multas impuestas en la Ordenanza 404
por el incumplimiento de la Resolución Nº2-SA-2014.
En la Tabla 3.37 se observa el desglose de ingresos que tendrá la planta de
tratamiento de aguas residuales.
Tabla 3.37. Detalle de ventas
Ventas
Producto
Unidad
Precio unitario
(USD/kg)
Unidades
producidas
(kg/mes)
Unidades
vendidas
(kg/mes)
Ingreso
mensual
(USD)
Ingreso
anual
(USD)
Humus
$ 1,50
870,00
870,00
1 305,00
15 660,00
Visitas
anuales
Costo
(Ahorro
anual)
(USD)
Ahorro
Concepto
Remuneración
básicas unificadas
(RBU) (USD)
N° RBU
Visitas
mensuales
Multas
354,00
50
1
3
53 100,00
Restauración
8 000,00
-
-
1
8 000,00
Total
76 760,00
(Ordenanza municipal 404, 2014, p 47)
En la Tabla 3.37, se describe el detalle de ventas que tendrá la fábrica de embutidos;
corresponden al ingreso por concepto de ventas del humus obtenido como
subproducto en el lombrifiltro, el cual genera un ingreso anual de 15 660,00 USD.
Además, debido a que se trata de un proyecto ambiental, la fábrica de embutidos
va a tener un ahorro anual de 76 760,00 USD al no tener que cancelar las multas
establecidas en la Ordenanza Nº 404.
104
3.3.3.6 Indicadores económicos
Los indicadores económicos que permiten determinar la viabilidad del proyecto son
el valor actual neto (VAN) y la tasa interna de retorno (TIR); para ello, en la
Tabla 3.38 se muestra el flujo de caja para 4 años de funcionamiento de la planta
de tratamiento de aguas residuales.
Tabla 3.38. Flujo de caja para 4 años
Flujo de caja
Designación
Año 0
Año 1
Año 2
Año 3
Año 4
Inversión total
- 67 915,75
-
-
-
-
Aportación de socios
67 915,75
-
-
-
-
Ventas
-
76 760,00
76 760,00
76 760,00
76 760,00
(-) Costo de operación
-
40 882,54
40 882,54
40 882,54
40 882,54
Flujo bruto
-
35 877,46
35 877,46
35 877,46
35 877,46
Flujo antes de
impuestos
-
35 877,46
35 877,46
35 877,46
35 877,46
(-) Impuesto a la renta
-
0,00
0,00
0,00
0,00
Flujo después de
impuestos
-
35 877,46
35 877,46
35 877,46
35 877,46
Flujo Acumulativo
-67 915,75
-32 038,29
3 839,17
39 716,64
75 594,10
La inversión del capital inicial que necesita el proyecto para la implementación de
un sistema de tratamiento de aguas residuales de una fábrica de embutidos
105
corresponde a 67 915,75 USD durante el primer año de operación, es una inversión
en que la realizan los inversionistas de la empresa con el fin de cumplir con la
Resolución Nº2-SA-2014 y evitar el cierre de la fábrica.
El flujo bruto corresponde a la diferencia entre las ventas totales que tiene la fábrica
y los costos de producción y es de 35 877,46 USD, lo que significa que el proyecto
va a ser rentable.
El análisis económico de la planta de tratamiento de aguas residuales no presenta
impuesto a la renta debido a que es un impuesto aplicado a los ingresos que tiene
una fábrica durante un año; una planta de tratamiento de vertidos líquidos por ser
un proyecto ambiental se encuentra exenta del impuesto a la renta por lo que su
valor en el flujo de caja es igual a cero.
El flujo acumulativo en el análisis económico de la planta de tratamiento de aguas
es positivo a partir del segundo año con un valor de 3 839,17 USD, es decir, el
proyecto empieza a recuperar su inversión inicial, sin embargo el flujo acumulativo
es menor a la inversión inicial hasta el tercer año, por lo que es necesario evaluar
el flujo de caja por un período de tiempo superior que permita que el flujo
acumulativo sea mayor que la inversión incial, en este caso, lo indicadores
económicos serán positivos.
En la Tabla 3.39 se presentan los indicadores resultantes de la evaluación
económica en la implementación de la planta de tratamiento.
Tabla 3.39 Indicadores económicos para la implementación del sistema de tratamiento de
aguas residuales
VAN
(USD)
19 195,87
TIR
(%)
24,00
En la Tabla 3.39 se demuestra que el proyecto de implementación de una planta de
106
tratamiento de aguas residuales provenientes de una fábrica de embutidos es
factible ya que presenta un valor actual neto (VAN) positivo de 19 195,87 USD y una
tasa interna de retorno (TIR) de 24,00 % a los 4 años de operación, el TIR se puede
interpretar como la tasa de interés máxima a la cual una empresa puede endeudarse
para financiar un proyecto, sin que genere pérdidas (Puga, 2011, p.2).
107
4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
4.1 CONCLUSIONES
·
Al realizar la caracterización inicial de las aguas residuales provenientes de
la fábrica de embutidos se determinó que los efluentes superan los límites
permisibles establecidos en las Normas Técnicas para el control de
descargas
líquidas, Resolución Nº2-SA-2014 del Municipio de Quito al
presentar un promedio de 2 159,0 mg/L de grasa y aceites con un exceso de
2 984, 3 %; 2 314,2 mg/L de DBO5 con exceso de 1 261,3 %; 3 054,5 mg/L
de DQO con 772,7 % de excedente y 3 130,5 mg/L de sólidos suspendidos
con 3 030,5 % de exceso.
·
Mediante ensayos de separación gravimétrica a nivel laboratorio se
estableció que el tiempo de separación entre las grasas y el agua residual es
de 5,2 minutos. Con este tiempo de residencia se removió el 97,3 % de las
grasas presentes en el efluente, por lo que, el tratamiento primario
correspondiente a una trampa de grasa cumple con la Resolución Nº2-SA2014 establecidas por el Distrito Metropolitano de Quito para el parámetro
de: aceites y grasas. La trampa de grasa diseñada a nivel industrial tiene
dimensiones de: longitud 0,3 m, ancho 0,3 m y altura de 1,4 m.
·
Con los parámetros de diseño obtenidos en el laboratorio se diseñaron tres
lombrifiltros de longitud de 6,5 m, ancho de 5,5 m, altura sustrato-soporte de
1,5 m y una altura total de 2,7 m con 86,9 % de eficiencia de remoción de
DBO5.
·
La aplicación del tamiz después de la filtración biológica no produce
resultados aceptables con respecto a la remoción de sólidos suspendidos, al
presentar una concentración de 98,2 ± 7,7 mg/L después de transcurridas 24
horas siendo la permitida 100,0 mg/L. Es decir que, a nivel industrial, se debe
utilizar un tamiz inclinado que presente aperturas de mallas menores a 1,0
mm.
108
·
Los ensayos experimentales del sistema de flotación por aireación
desarrollado en la celda Denver presentaron una eficiencia de remoción de
sólidos suspendidos de 89,2 % y un tiempo de flotación de 20 minutos lo que
permitió cumplir con el límite permisible en la Resolución N°2-SA-2014. Las
dimensiones a nivel industrial de la celda de flotación por aireación son: 1,40
m de altura, 0,70 m de largo, 0,70 m de ancho y un tiempo de flotación de 40
min. El agitador seleccionado para levantar sólidos suspendidos es una
turbina de seis cuchillas curveadas y la potencia requerida por el agitador es
de 0,19 kW.
·
La inversión que hace la fábrica de embutidos compensará las multas
establecidas por el Municipio del Distrito Metropolitano de Quito a causa del
incumplimiento de la Ordenanza Nº 404, La evaluación económica del
estudio de un sistema de tratamiento de aguas residuales permitió determinar
que el ahorro que va a tener la empresa por concepto de multas y ventas del
subproducto generado en el tratamiento biológico el sería de 76 760,00 USD
lo que permitió que el proyecto sea viable al presentar un VAN de 19 195,87
USD y un TIR de 24,00 %.
109
4.2 RECOMENDACIONES
·
Se recomienda utilizar distintos tipos de lechos en el lombrifiltro como: fibra
de coco, plástico, papel, etc. Al igual que diferentes organismos vivos como
caracoles o insectos, que permitan mejorar la eficiencia del tratamiento de
efluentes residuales de fábricas de embutidos.
·
Investigar un modelo orientado al crecimiento de la lombriz Eisenia foetida
para determinar la tasa de reproducción y mortalidad de los organismos, con
el fin de establecer la cantidad de lombrices necesarias para depurar cada
m3 de agua contaminada.
·
Es recomendable cubrir el lombrifiltro con un techo o con una malla para
evitar la presencia de depredadores de lombrices y proteger al filtro de las
precipitaciones.
110
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123
ANEXOS
124
ANEXO I
ESTRACTO DE LA NORMA TÉCNICA ECUATORIANA NTE INEN 2
169:98 AGUA. CALIDAD DEL AGUA. MUESTREO. MANEJO Y
CONSERVACION DE MUESTRAS
Figura AI.1.NORMA NTE INEN 2 176:98 (1998-08). Agua. Calidad del agua. Muestreo,
Manejo y Conservación de muestras (continuación)
125
Figura AI 1. NORMA NTE INEN 2 176:1998 (1998-08). Agua. Calidad del agua.
Muestreo, Manejo y Conservación de muestras
126
Figura AI 1. NORMA NTE INEN 2 176:1998 (1998-08). Agua. Calidad del agua.
Muestreo, Manejo y Conservación de muestras
127
Figura AI. 1. NORMA NTE INEN 2 176:1998 (1998-08). Agua. Calidad del agua.
Muestreo, Manejo y Conservación de muestras
128
ANEXO II
PROCEDIMIENTOS PARA DETERMINAR DQO, DBO5, SÓLIDOS
SUSPENDIDOS Y ACEITES Y GRASAS
AII.1. PROCEDIMIENTO PARA DETERMINACIÓN DE DQO (APHA 5220 D):
En la Tabla AII.1 se señalan los equipos necesarios para la determinación de DQO
Tabla AII.1 Equipos y materiales para análisis de DQO
Equipos y
materiales
Espectrofotómetro
Cantidad
Medida
Unidad
1
600
nm
Observaciones
Con adaptador de celda de 25 mm
de diámetro
Capacidad mínima de 25 tubos de
Digestor
1
No aplica
No aplica
25 mm de diámetro que opere a
150 ºC
Tubos de
digestión
Matraces
Tubos de borosilicato con tapa
8
No aplica
No aplica
contratapa de teflón.
1
1 000
mL
1
1
mL
1
2
mL
1
3
mL
1
4
mL
1
5
mL
1
10
mL
1
10
mL
Pipetas
Pipetas
(APHA, 2012)
rosca resistente al calor y
aforados
Volumetricas
Serológicas
129
Reactivos:
En la Tabla AII.2 se describen los reactivos necesarios para la determinación de
DQO.
Tabla AII.2 Reactivos para análisis de DQO
Nombre
Reactivo
Solucion
Digestora
Solución
de ácido
sulfúrico
Solución
estándar
de ftalato
ácido de
potasio,
500 mg
O2/L
Compuestos
Cantidad
Unidades
Observaciones
Preparación
Agua Destilada
500
mL
-
Dicromato de
Potasio
(K2Cr2O7)
10,216
g
Previamente
secado por 2
horas a 130°C
Ácido Sulfúrico
(H2SO4)
167
mL
concentrado
Sulfato
Mercurico
(HgSO4)
33,3
g
-
Agregar el agua
destilada,
el
dicromato
de
potasio, el ácido
sulfurico y el
sulfato
de
mercurico.
Disolver, enfriar a
temperatura
ambiente y nivelar
a 1 000 mL
Sulfato de plata
(Ag2S)
5,5
g
-
Ácido Sulfúrico
(H2 SO4)
1
kg
-
ftalato ácido de
potasio (KHP),
42
mg
-
Agua destilada
10
mL
-
(APHA, 2012)
Procedimiento:
Añadir sulfato de
plata
a
ácido
sulfúrico en una
relación de 5,5
g/kg de ácido
sulfúrico. Esperar
1 o 2 días antes de
usar esta solución
para permitir la
disolución
completa
del
sulfato de plata
Secar el ftalato
ácido de potasio
hasta un peso
constante a 120 °C.
Disolver 42 mg en
agua destilada y
diluir a 10 mL en
un matraz aforado.
Conservar
esta
solución
refrigerada a 4°C.
130
·
Curva de calibración: pipetar en 7 tubos de digestión de 1, 2, 3, 4, 5, 8, y 10
mL de la solución estándar preparada de KHP y aforar hasta 10 mL con agua
destilada. Estas soluciones deben ser de 50, 100, 150, 200, 250, 400, 500
mg de O2/L respectivamente.
·
Hacer un blanco de reactivos, pipetear 10 mL de agua destilada en un tubo
de digestión.
·
Agregar a cada tubo de digestión 6 mL de solución de digestión y 14 mL de
solución de ácido sulfúrico.
·
Cerrar bien los tubos de digestión y agitarlos vigorosamente. Colocar los
tubos en el digestor a 150 °C durante 2 horas. Enfriar los tubos a temperatura
ambiente una gradilla. La gradilla debe ser adecuada para no deteriorar la
calidad del vidrio de los tubos debido a que se usan como celda en el
espectrofotómetro.
·
Invertir los tubos varias veces y esperar a que el sólido sedimente.
·
Descartar los tubos de digestión cuya solución posea color verde, leer la
absorbancia a 600 nm.
·
Graficar la absorbancia versus mg O2/L traza la mejor recta.
Cálculos y expresión de resultados
En la Ecuación AII.1 se presenta la expresión para determinar el DQO
DQO, mg
O2 N × 10
=
L
P
Donde:
N:
mg de O2/L de la muestra leída de la curva de calibración
ሾAII.1ሿ
131
P:
mL de muestra tomada para el ensayo
Los resultados se expresan en mg de oxígeno consumido/L
AII.2. PROCEDIMIENTO PARA DETERMINACIÓN DE DBO (APHA 5210 B)
Equipos y materiales:
En la Tabla AII.3 se señalan los equipos necesarios para la determinación de DBO
Tabla AII.3 Equipos y materiales para análisis de DBO
Equipos y
materiales
Botellas de
incubación
Cantidad
Medida
Unidad
Observaciones
Las botellas deben ser lavadas con
1
300
mL
detergente, bien enjuagadas y
secadas antes de su uso
Controlada termostáticamente a 20
Incubadora
1
-
-
േ 1°C. Excluir toda luz para
prevenir
la
producción
compensación
de
posibilidad
de
oxígeno,
con
automática
de
temperatura y medidor apropiado.
(APHA, 2012)
Reactivos:
En la Tabla AII.4 se describen los reactivos necesarios para la determinación de la
Demanda Bioquímica de Oxígeno.
132
Tabla AII.4 Reactivos para análisis de DBO
Nombre
Reactivo
Solución
buffer de
fosfato
Solución
de sulfato
de
magnesio
Solución
de cloruro
férrico
Compuestos
Cantidad
Unidades
Observaciones
Fosfato de potasio
monobásico
(KH2PO)
8,5
g
-
Fosfato dipotasico
21,75
g
-
Cloruro de
amonio (NH4Cl)
1,7
g
-
Agua destilada
500
mL
-
Disolver el Fosfato
de
potasio
monobásico,
Fosfato dipotasico y
cloruro de amonio
en el agua destilada
y diluir a 1L, el pH
debe ser de 7,2.
Sulfato de
magnesio
(MgSO4)
22,5
g
Agua destilada
1
L
-
Disolver el sulfato
de magnesio con
agua destilada hasta
1L
Cloruro férrico
(FeCl3)
0,25
g
-
Ácido Sulfúrico
(H2 SO4)
28
mL
-
Hidroxido de
sodio (NaOH)
40
g
-
Agua destilada
2
L
-
Soluciones
ácidas y
alcalinas
Preparación
Disolver el cloruro
férrico y diluir a
1,00 L
Para
la
neutralización de las
muestras causticas o
ácidas se utilizan
soluciones de 1N.
Solución
ácida:
agregar el ácido
sulfúrico y agua
destilada hasta 1L
agitando. Solución
alcalina: disolver el
NaOH en agua
destilada y diluir a
1L
(APHA, 2012)
Procedimiento:
·
Preparación del agua de dilución: Se coloca el volumen deseado de agua
destilada en un recipiente y adicionar 1 mL de las siguientes soluciones:
buffer fosfato, sulfato de magnesio, cloruro de calcio y cloruro férrico por litro
de agua. Termostatizar el agua de dilución previa a su uso a 20 °C, el
contenido de oxígeno debe ser próximo al de saturación a 20 °C.
·
Blanco del agua de dilución: incubar una botella de DBO5 llena de agua de
133
dilución por 5 días a 20 °C conjuntamente con el ensayo de la muestra. Medir
de la concentración de oxígeno antes y después de la incubación.
El consumo de oxígeno disuelto al cabo de los 5 días no debe ser mayor a
0,2 mg/L y preferiblemente no más de 0,1 mg/L. Un consumo mayor de 0,2
mg/L indica contaminación del agua con materia orgánica.
Pretratamiento de la muestra:
El pH del agua de dilución no se debe afectar por la dilución de la muestra. Se
puede ajustar entre 6,5 – 7,5 el valor de pH de las muestras con una solución de
ácido sulfúrico o hidróxido de sodio de tal manera que la cantidad de reactivo no
diluya la muestra en más del 0,5 %.
·
La muestra debe estar a temperatura ambiente antes de realizar las
diluciones.
Determinación:
·
Medida de oxígeno disuelto de la muestra (ODm): Determinar el oxígeno
disuelto de la muestra con el electrodo de oxígeno según las instrucciones
del manual, evitar airear la muestra.
·
Incubación: Incubar las botellas de DBO5 conteniendo las diluciones de la
muestra y el blanco del agua de dilución a 20°C durante cinco días.
·
Medida de oxígeno disuelto final: Luego de los 5 días de incubación
determinar el oxígeno disuelto en las diluciones de la muestra.
Cálculos y expresiones
134
La Ecuación AII.2 permite determinar la concentración de DBO 5
DBO5 =
(ODi-ODf)×V
P
ሾAII.2ሿ
Donde:
ODi:
Concentración de oxígeno disuelto inicial (mg/L)
ODf:
Concentración de oxígeno disuelto final (mg/L)
V:
Capacidad de la botella de DBO5 (300 mL)
P:
mL de muestra tomadas para la dilución
AII.3. PROCEDIMIENTO PARA LA DETERMINACIÓN DE ACEITES Y GRASAS
(APHA 5520B)
Acidificar en el mismo recipiente en el que se encuentra la muestra a un pH menor
a 2 con HCl (1:1) en el mismo recipiente en el cual fue extraída la muestra,
refrigerada a 4°C, analizar antes de 28 días.
Equipos y Materiales:
·
Equipo de extracción Soxhlet: matraz de extracción, embudo Soxhlet y
refrigerante
·
Bomba de vacío
·
Manta eléctrica de calentamiento
·
Estufa 103 °C
·
Embudo Buchner
·
Cono de extracción
·
Papel filtro 11 cm de diámetro Whatman N40 o equivalente
·
Piedras de ebullición
135
Reactivos:
·
Acido clorhídrico (HCl) (1:1)
·
Éter de petróleo con punto de ebullición entere 60 °C a 70 °C. El solvente no
debe dejar residuos medibles en su evaporación, se debe destilar el solvente
antes de su utilización.
·
Tierra de diatomeas en suspensión 10 g/L en agua destilada
Procedimiento:
·
Marcar el nivel de líquido en el frasco de muestreo para determinar después
el volumen de muestra tomado. Denominar a dicho volumen como volumen
en mL como V
·
Verificar que el pH de la muestra sea menor a 2, si no es el caso, se debe
acidificar con HCl (1:1)
·
Colocar un papel filtro en el embudo Buchner y humedecerlo con agua
destilada. Haciendo vacío, pasar 100 mL de la suspensión de tierra
diatomeas a través del filtro y lavar con 1 L de agua destilada.
·
Filtrar toda la muestra recogida y acidificada. Usando pinzas trasladar el filtro
a un vidrio reloj. Para un papel filtro humedecido en solvente por el embudo
Buchner y por el frasco de muestreo asegurándose de remover las películas
de grasa y material sólido presente. Juntar ambos filtros, envolverlos y
colocarlo en el cono de extracción.
·
Secar el cono de extracción en una estufa de aire caliente a 103°C por 30
minutos. Los compuestos volatilizables a 103°C se perderán durante este
proceso.
·
Pesar el matraz de extracción que contienen las perlas de ebullición.
Denominar a dicho peso como p1.
136
·
Colocar el cono en el embudo Soxhlet. Agregar 200 mL de éter de petróleo
al frasco de extracción. Extraer aceites y grasas a una velocidad de 20 ciclos
por hora durante 4 horas, tiempo tomado a partir del primer ciclo.
·
Destilar el solvente del frasco de extracción en un baño de agua a 70°C.
Cuando se observa que la condensación del solvente termina, sacar el frasco
de extracción del baño de agua, cubrir el baño con un soporte adecuado y
secar el frasco sobre el soporte durante 15 minutos, en el último minuto,
pasar aire a través del residuo usando un vacío apropiado.
·
Enfría el frasco de extracción en un desecador por 30 minutos y pesar.
Denominar a dicho peso p2.
Cálculos y expresión de resultados
La Ecuación AII.3 permite determinar la concentración de aceites y grasas
G y A=
൫p2 -p1 ൯×100
V
ሾAII.3ሿ
Donde:
p1:
Peso del matraz con las perlas de ebullición previa a la extracción (g)
p2:
Peso del matraz con las perlas de ebullición luego de la extracción (g)
V:
Volumen de la muestra filtrada (mL)
AII.4. PROCEDIMIENTO PARA DETERMINACION DE SÓLIDOS SUSPENDIDOS
(APHA 2540 D)
Equipos y Materiales:
137
·
Filtros de fibre de vidrio: Whatman 934 AH de 4,7 cm de diámetro
·
Equipo de filtración por vacío
·
Estufa para operar a 103 - 105°C
·
Balanza analítica de precisión 0,1 g
·
Probetas
Procedimiento:
·
Preparación del papel filtro: Colocar el filtro en el embudo de filtración, aplicar
vacío y enjuagar con 3 porciones de 20 mL de agua destilada. Continuar la
succión hasta eliminar totalmente el agua, secar en una estufa a 103°C por
1 hora en un soporte de porcelana.
·
Pesar inmediatamente el peso del filtro
·
Colocar el filtro en el embudo de filtración, mojar el filtro con una pequeña
cantidad de agua destilada.
·
Tomar un volumen de muestra que de un residuo seco entre 2,5 y 200 mg.
Verter el volumen medido en el embudo de filtración. Comenzar la succión.
Lavar 3 veces sucesivas con 10 mL de agua destilada cada vez permitiendo
un completo drenaje en los lavados. Continuar la succión por 3 minutos hasta
que la filtración sea completa.
·
Remover el filtro y colocarlo sobre un soporte de porcelana. Secar por 1 hora
a 103°C en una estufa. Enfriar en un desecador hasta temperatura ambiente
y pesar. Repetir el ciclo de secado, enfriado y pesado hasta que el peso sea
constante o hasta que la pérdida sea menos que el 4% del peso previo.
Cálculos y expresión de resultados
La Ecuación AII.4 permite determinar la concentración de sólidos suspendidos
138
SS=
ሺP2 -P1 ሻ×1000
V
Donde:
ܲଵ :
Peso del filtro preparado (mg)
ܸ:
Volumen de la muestra (mL)
ܲଶ :
Peso del filtro más el residuo seco a 103°C (mg)
ሾAII.4ሿ
139
ANEXO III
PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LOS FILTROS
PERCOLADORES
Tabla AIII.1 Principales características de filtros percoladores
Características
Carga hidráulica
m3/m2 d
Carga Orgánica
kg DBO5/m3 día
Medio
Profundidad
Relación de
circulación
Dosificación
% de remoción
Tasa baja o
estándar
Tasa
intermedia
Tasa alta
Torres
biológicas
Desbaste
0,08-2,50
4,00-9,00
9,00-37,00
14,00-240,00
57,00-171,00
0,1-0,3
0,2-0,5
0,3-1,8
4,8
>2,0
Piedra,
escoria
Piedra,
escoria
Sintético
Piedra o
sintético
1,5-3,0
1,0-2,5
Piedra,
escoria,
sintético
0,9-2,5
12,0
0,9.6,0
0,0
0,5-2,0
0,5-4,0
1,0-4,0
0,0
Intermitente
80,0-85,0
Continua
50,0-70,0
Continua
40,0-80,0
Continua
65,0-85,0
Continua
40,0-85,0
(Romero, 2001, p.560; Sainz 2005, p.282)
140
ANEXO IV
RANGO DE VELOCIDADES ESPECÍFICAS SUPERFICIALES PARA
EL DISEÑO DEL AGITADOR
Tabla AIV.1.Velocidades superficiales específicas en la agitación para sólidos suspendidos
Pies/seg
0,1-0,2
0,3-0,5
0,6-0,8
0,9-1,0
(Walas, 2012, p.294)
Sólidos suspendidos
Suspensiones de sólidos mínimas
· Produce movimiento de todos los sólidos a velocidad de
diseño
· Remueve los sólidos del fondo del tanque y los suspende
de manera intermitente
Mayoría de aplicaciones de suspensión de sólidos y de disolución
· Suspenderá sólidos sedimentables
· Adecuado para vaciar suspensiones en locaciones con
boquillas
Distribución uniforme de sólidos
· Proporciona una distribución uniforme
Máxima velocidad factible
· Proporcionará uniformidad en las suspensiones
· Adecuado para vaciar suspensiones por medio de
desbordamiento
141
ANEXO V
Diagrama del número de bombeo, Np para el diseño del agitador
Figura AV.1. Número de bombeo
(Luwdig, 2005, p.300)
142
ANEXO VI
POTENCIA REQUERIDA PARA EL DISEÑO DEL AGITADOR
Tabla AVI. 1. Requerimientos energéticos para tanques agitados
Agitación
Aplicaciones
Potencia (kW/m3)
Leve
Mezcla, reacciones
homogéneas
0,04-0-10,00
Medio
Transferencia de calor
Mezclas Líquido-líquido
0,03-1,00
1,0-1,5
Severo
Suspensiones
Absorción de gas
Emulsiones
1,5-2,0
1,5-2,0
1,5-2,0
Violento
Suspensiones finas
> 2,0
(Coulson y Richardson´s, 2005, p. 473)
143
ANEXO VII
ESCALADO DE TRAMPA DE GRASA
Para determinar las dimensiones de la trampa de grasa se proporcionaron los
siguientes datos:
Caudal = 25
m3
; dato proporcionado por la empresa
día
Tiempo de separación gravitatoria =5,2 minutos = 312 s
·
Cálculo del volumen de la trampa de grasa
El volumen de la trampa de grasa se determinó mediante la Ecuación 2.3.
Por lo tanto,
Volumen = 25
m3 1d
1h
×
×
×312 s × f
d 24h 3 600s
Volumen=0,0902 ×1,1 m3
Volumen=0,099 m3
·
Cálculo del área superficial de la trampa de grasa
La Ecuación 2.4 permitió determinar el área de la trampa de grasa.
Entonces,
Área superficial =
0,25 ʹ
×Q
1L
s
144
Área superficial=
0,25ʹ 0,289L
ൈ
1L
s
s
Área superficial=0,0723 m2
·
Cálculo de la longitud, ancho y altura de la trampa de grasa
La longitud de la trampa de grasa se calculó con la Ecuación 2.5, se consideró una
relación de largo/ancho igual a 1
Por lo tanto,
0,0723 m2 =1L
2
largo=ඥ0,0723 m2
largo=0,3 m
El ancho de la trampa de grasa se calculó usando la Ecuación 2.6
ancho=0,3 m
Para determinar la altura de la trampa de grasa se usó a la Ecuación 2.7.
Por lo tanto,
h=
0,099 m3
0,0723m2
h= 1,4 m
145
ANEXO VIII
ESCALADO DEL LOMBRIFILTRO
El caudal para el diseño de un lombrifiltro fue de 8,3 m3/día
Con base en la teoría de filtros percoladores, se evaluó los métodos de
dimensionamiento aplicados a biofiltros y se seleccionó el método NRC (Romero,
2001, p.566).
Se determinó la eficiencia del lombrifiltro con la Ecuación 2.9
Por lo tanto se tiene que,
DBO0 = 1020 mg/L = 1,02 kg/m3
DBOf = 135 mg/L
E=
E=
DBOo -DBOf
DBOf
1020mg/L-135mg/L
1020 mg/L
E=0,87
Para calcular el volumen del lombrifiltro se utilizó la Ecuación 2.10 de la sección
2.2.3.2
W1 0,443 E 2
V1 =
൬
൰ ×f
F1
1-E
Se determinó la carga orgánica en el filtro con la Ecuacion AVIII.1
W1 = DBOo × Caudal
ሾAVIII.1ሿ
146
W1 = 1,02
W1 = 8,5
kg
m3
× 8,3
kg
d
m3
d
2
V1 =
0,443ൈሺ0,87ሻ
8,5
ൈቆ
ቇ ൈ ͳǡ͵
1-ሺ0,87ሻ
1
V=97,12 m3
·
Cálculo de la altura del lombrifiltro para un tiempo de retención de 14 horas
Se utilizó la Ecuación 2.8 para determinar la altura total del lombrifiltro
Por lo tanto,
14=
3,60ൈD
0,34
0,33
D=2,72 m
La altura del lecho filtrante corresponde al 55% del total de la altura del lombrifiltro
como se observa en la Ecuación AVIII.1.
hlecho = 0,55× D
Donde:
hlecho : Altura del lecho (m)
D:
Altura total del filtro (m)
Por lo tanto,
hlecho = 0,55 × 2,72 m
ሾAVIII.1ሿ
147
hlecho = 1,5 m
·
Cálculo de la longitud y ancho de un lombrifiltro
A través de la Ecuación AVIII.2 se determinó la longitud y el ancho del lombrifiltro
As=
V
h
Donde:
As:
Área superficial del lombrifiltro (m2)
V:
Volumen del lombrifiltro (m3)
hǣ
Altura total del lombrifiltro (m)
Por lo tanto,
As=
97,12 m3
2,72 m
As=35,70 m2
Se utilizó una relación de largo/ancho de 1,18.
ancho=5,5 m
largo=6,5 m
Figura AVIII.1. Dimensiones del lombrifiltro
ሾAVIII.2ሿ
148
ANEXO IX
DISEÑO DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO
El tanque de almacenamiento se dimensionó a partir de los siguientes datos: 25
m3/día dato proporcionado por la fábrica de embutidos y a condiciones ambientales
de 20 º C y 0,71 atm, se utilizó el método propuesto para el diseño de un tanque
circular a presión atmosférica. La relación altura-diámetro del tanque que se
presenta en la Ecuación 2.14 (Moss, 2004, p, 15).
H
=0,5
D
El volumen del tanque de almacenamiento se calculó con la Ecuación 2.15
Vt = 25 m3 × 1,15 Vt = 28,75 m3
El diámetro del tanque de almacenamiento se determinó con la Ecuación 2.16
3
3
8 ×28,75 m
D= ට
π
D = 4,2 m
Para calcular la altura del tanque se utilizó la Ecuación 2.14
H
=0,5
4,2
H=2,ͳ m
149
ANEXO X
ESCALADO DE UN SISTEMA DE FLOTACIÓN POR
AIREACIÓN
·
Cálculo del tiempo de flotación
El tiempo de flotación a escala industrial se obtuvo a través de la Ecuación 2.17.
Por lo tanto,
td = 20 min× 2
td = 40 min
·
Cálculo del volumen de la celda Denver
Por lo tanto,
1h
m3 1 d
×
×40min×
V=25
60 min
díƒ 24 h
V=0,69 m3
·
Cálculo de las dimensiones de la celda de flotación
A partir de la Ecuación 2.18 se diseñó la celda de flotación, se consideró la Ecuación
2.18 y 2.19 para calcular sus dimensiones (Moya, 2014, p.153).
150
La Ecuación AX.1 permite determinar el largo, ancho y altura de la celda de flotación.
V = h ൈ aൈl
ሾAX.1ሿ
V=(2a)ൈa2
a3 = 0,345 m3
a= 0,70 m
l = 0,70 m
h=1,40 m
·
Diseño del agitador
Para el diseño del agitador se tuvo en consideración los siguientes aspectos:
Se consideró la velocidad superficial específica del agitador para la mayoría de
características aplicadas a sólidos suspendidos según la Tabla AIV.1 en el Anexo
IV.
Vs= 0,2 pies/seg = 0,06 m/s
Además, se consideró una relación entre el diámetro del impeler y el diámetro del
tanque de 0,5 .
Mediante la Ecuación AX.2 se determinó el diámetro del impeler del impeler.
d
= 0,5
Di
Donde:
d:
Diámetro del impeler (m)
ሾAX.2ሿ
151
Lado de la celda de flotación (m)
Di:
Por lo tanto,
d
=0,5 m
0,7 m
d=0,35 m
Se determinó el área del impeler con la Ecuación AX.3
A=
π×d2
4
ሾAX.3ሿ
Donde:
d:
Diámetro del impeler (m)
Por lo tanto,
A=
π×0,352
4
A=0,096m2
Se obtuvo el caudal de agitación mediante la Ecuación 2.21.
Q=0,096m2 ×0,06
Q=0,0058
m
s
m3
s
Para determinar el valor de Ni se iteró asumiendo Ni = 1, a través del valor de
152
Reynolds y seleccionando la cuchilla curva 1 de la Figura AV. 1 se encontró el valor
verdadero de Ni con un valor de Np igual a 5.
Ni
Re
1,00
1,03
1,02
1,02
12 2500
12 6254,04
12 4547,69
12 4547,69
Np (visto en gráfico)
4,8
5
5
5
Ni (rps)
1,03
1,02
1,02
1,02
Una vez obtenido el valor de Np se pudo determinar la potencia requerida por el
agitador con la Ecuación 2.23.
5=
P
1000
3
5
kg/m3 ×1,02 ×0,35
P= 27,86 W
Se calculó la potencia para la capacidad de la celda de flotacion
P=0,04
kW
m3
La potencia perteneció a los valores establecidos en la Tabla AVI.1 en el Anexo VI.
153
ANEXO XI
BALANCE DE MASA
El balance de masa se realizó con el caudal promedio de 25 m3/día de la descarga
del agua residual de la fábrica de embutidos.
Los cálculos de los balances se realizaron a partir de la Figura 3.13 y de los
resultados obtenidos en el laboratorio.
Corriente 1
·
Flujo másico del agua residual
Se determinó el flujo másico del agua residual a la entrada de la trampa de grasa
con el caudal de la empresa y la densidad del fluido mediante la Ecuación ሾAXI.1ሿ
Se consideró δ= 1 000 kg/m3
mሶ agua residual = Qagua residual × δagua residual ሾAXI.1ሿ
mሶ agua residual = 25
·
m3
kg
kg
×1 000 3 = 25 000
día
m
día
Flujo másico de sólidos
Se determinó los sólidos que se encuentran presentes en el flujo de entrada a la
trampa de grasa a través del resultado de la caracterización inicial de sólidos
suspendidos con la Ecuación AXI.2
mሶ 1 sólidossuspendidos = C sólidos suspendidos× Q agua residual
ሾAXI.2ሿ
154
mሶ 1 sólidos suspendidos = 3 130,5
mሶ 1 sólidos suspendidos = 78,26
m3
1 000L
1g
1 kg
mg
× 25
×
×
×
1 000mg 1 000g
día
L
m3
kg
día
Se calculó la cantidad de grasas presentes en el flujo de entrada a la trampa de
grasa con la Ecuación AXI.3 con base en la caracterización inicial de aceites y
grasas.
mሶ 1 grasas = C grasas × Q agua residual
mሶ 1 grasas = 2 159,0
Grasas = 53,97
ሾAXI.3ሿ
mg
m3 1 000L
1g
1 kg
× 25
×
×
×
3
L
día
1 000mg 1 000g
m
kg
día
Corriente 2
Se calcularon los flujos másicos en la corriente 2, realizando un balance general en
la trampa de grasa.
·
Flujo másico de grasas
ሶ
= mሶ 2 grasas + mሶ 3
mሶ 1 grasas
mሶ 2 grasas = 53,97
mሶ 2 grasas = 52,44
kg
kg
m3
kg
- 25 000
×
× 0,061 3
día
día 1 000 kg
m
kg
día
155
·
Flujo másico de sólidos
ሶ
= mሶ 2 solidos + mሶ 3
mሶ 1 sólidos suspendidos
mሶ 2 sólidos suspendidos = 78,26
mሶ 2 sólidos suspendidos = 8,26
·
kg
m3
kg
kg
- 25 000
×
× 2,80 3
día 1 000kg
día
m
kg
día
Flujo másico de la corriente 2:
mሶ 2 = mሶ grasas + mሶ sólidos
mሶ 2 = 52,44
mሶ 2 = 60,70
kg
kg
+ 8,26
día
día
kg
día
Corriente 3
·
Flujo másico del agua residual
Utilizando el balance general se calculó el flujo másico del agua residual en la
corriente 3.
mሶ ଵ = mሶ ଶ + mሶ ଷ
mሶ 3 = 25 000
kg
kg
- 60,7
dia
día
mሶ 3 =24 939,3
kg
d
156
·
Flujo másico de sólidos
Se determinaron los flujos másicos de sólidos suspendidos, grasas en la corriente
3 mediante la Ecuación ሾAXI.4ሿ a partir de los resultados obtenidos en la
caracterización de los efluentes después de la trampa de grasa.
mሶ ଷ flujo másico de sólidos = C sólidos suspendidos× Q agua residual ሾAXI.4ሿ
mሶ ଷ sólidos suspendidos = 2 802,53
mሶ ଷ sólidos suspendidos = 70,06
·
kg
día
m3 1 000L
1g
1 kg
mg
× 25
×
×
×
3
día
1 000mg 1 000g
L
m
Flujo másico de grasas
El flujo másico de las grasas se determinó con la Ecuación ሾAXI.5ሿ
mሶ ଷ grasas = C grasas × Q agua residual ሾAXI.5ሿ
mሶ ଷ grasas = 61,3
mሶ ଷ grasas = 1,53
m3 1 000L
1g
1 kg
mg
× 25
×
×
×
3
día
1 000mg 1 000g
L
m
kg
día
Corriente 4
Para determinar los flujos másicos de la corriente 4 se utilizó el balance general
mሶ ଷ = mሶ ସ + mሶ ହ
mሶ 4 = 24 939,3
kg
kg
-29,28
día
día
157
mሶ 4 = 24 910,02
kg
día
Los sólidos suspendidos en la corriente 4 se calcularon a través de los resultados
obtenidos en la caracterización después del lombrifiltro mediante la Ecuación
ሾAXI.6ሿ
·
Flujo de masa de sólidos suspendidos
mሶ 4 sólidos suspendidos = C sólidos suspendidos× Q agua residual
mሶ ସ sólidos suspendidos = 852,2
mሶ 4 sólidos suspendidos = 21,3
ሾAXI.6ሿ
mg
m3 1 000L
1g
1 kg
×25
×
×
×
3
L
día
1 000mg 1 000g
m
kg
día
Corriente 5
La corriente 5 remueve la materia orgánica transformada en humus y
correspondiente al 60 % de los sólidos retenidos en el lombrifiltro e ingeridos por las
lombrices y se calculó mediante el balance de sólidos.
·
Flujo másico de humus de lombriz
mሶ humus = 0,6× 48,81
kg
kg
= 29,28
día
día
Corriente 6
En el tanque de almacenamiento no se presenta transformación de materia, su
158
objetivo es almacenar el agua proveniente de los lombrifiltros para llevarlo al sistema
de flotación por aireación.
mሶ 5 = mሶ 6 = 24 910,02
·
kg
día
Flujo de masa de sólidos suspendidos
mሶ sólidos suspendidos = 21,30
kg
día
Corriente 7
Se realizó el balance general para determinar los flujos másicos
mሶ ଺ = mሶ ଻ + mሶ ଼
·
Flujo másico de sólidos suspendidos
mሶ 6 sólidos suspendidos = mሶ 7 sólidos suspendidos + mሶ 8 sólidos suspendidos
mሶ 7 sólidos suspendidos= 21,3
kg
kg
- 2,2
día
día
mሶ ଻ sólidos suspendidos = 19,1
kg
día
A través del balance general se determinó la corriente 8, que cumple con la
Resolución Nº2-SA-2014 correspondiente a las descargas líquidas al alcantarillado
del Distrito Metropolitano de Quito.
159
mሶ 8 = 24 910,02
mሶ 8 = 24 890,92
kg
kg
- 19,1
día
día
kg
día
Los sólidos suspendidos en la corriente 8 se determinaron a través de los resultados
que se obtuvieron en la caracterización de las aguas después del sistema de
flotación por aireación con la Ecuacion ሾAXI.7ሿ
·
Flujo másico de sólidos suspendidos
mሶ 8 sólidos suspendidos = C sólidos suspendidos× Q agua residual ሾAXI.7ሿ
mሶ sólidos suspendidos = 88
m3 1 000L
1g
1 kg
mg
×25
×
×
×
día
1 000mg 1 000g
L
m3
mሶ sólidos suspendidos = 2,2
kg
día
160
ANEXO XII
DISEÑO DE TUBERÍAS
Ejemplo de cálculo del dimensionamiento de las tuberías
En el dimensionamiento de las tuberías de la planta de tratamiento de los efluentes
se determinó: diámetro nominal, y caída de presión en las tuberías.
Para la corriente 1, nomenclatura de la tubería 19,1-AR-01-SS SA.
·
Cálculo del diámetro nominal
El caudal que va a circular por la corriente 1 es igual a 25 m3/día ó 0, 00029 m3/s
Con base en la Tabla AXII.1 se asumió la velocidad de circulación del fluido por el
interior de la tubería, se tomó como fluido: agua y como aplicación: servicio general.
Tabla AXII1. Rango de velocidades para el diseño de tuberías
Rango
Fluido
Aplicación
Bajo
Alto
m/s
m/s
Agua
Descarga de agua de alimentación
en caldero
3,0
5,2
Agua
Descarga de bomba centrífuga
1,5
3,7
Agua
Succión de bomba centrífuga
0,6
1,5
Agua
Redes de servicio
0,6
1,5
Agua
Manguera de incendios
-
3,0
Agua
Servicios generales
1,2
3,0
161
Tabla AXII.1. Rango de velocidades para el diseño de tuberías (continuación…)
Rango
Fluido
Aplicación
Agua
Agua
Agua
Agua
Agua
Flujo por gravedad
Recirculación de agua caliente
Descarga de bombas reciprocantes
Succión de bombas reciprocantes
Agua de mar
Bajo
m/s
0,6
1,5
0,6
1,5
Alto
m/s
0,9
0,9
3,0
1,5
3,7
(Silowash, 2010, p. 267)
m
s
Vasumida =1,2
Se calculó el área de la tubería con la Ecuación AXII.1
A=
Q
Vasumida
Donde:
Q:
Caudal que circula por la tubería (
A:
Área de la tubería (m2)
Vasumida :
Velocidad asumida ቀ
m3
s
)
m
s
ቁ
Por lo tanto,
0,00029 m3 Τs
A=
1,2 mΤs
A=0,000024 m2
Se determinó el diámetro de la tubería con la Ecuación AXII.2
ሾAXII.1.ሿ
162
d=ඨ
4×A
π
ሾAXII.2ሿ
Donde:
A:
Área de la tubería (m2)i
d i:
Diámetro de la tubería (m)
Por lo tanto,
4×0,000024 m2
di =ඨ
π
di ൌͲǡ017
di =17,54 mm
El diámetro interno de la tubería es de 17,54 mm por lo que en la Figura AXII.1 se
seleccionarán tuberías con cédula 40 a la cual se le sumará el valor del espesor y
se tomará el diámetro exterior más próximo a este.
Se determinó el diámetro externo con la Ecuación AXII.3
Dex = Di ൅ 2 × e
Donde:
Di :
Diámetro interno (mm)
Dex :
Diámetro externo (mm)
e:
espesor (mm)
ሾAXII.3ሿ
Entonces, se tiene que:
Dex =17,54 mm൅2ൈ2,77ൌ 23,08 mm
163
Figura AXII.1. Diámetros de tuberías
(IPAC, 2014)
164
Se calculó nuevamente la velocidad real del fluido en la tubería
Se toma el valor del diámetro externo seleccionado en la Figura AXII.1 y se le resta
nuevamente el valor del espesor, se tiene un nuevo diámetro interno y se determina
el área de la tubería con la Ecuación AXII.4
A = π×
ሺ0,0158 mሻ2
ሾAXII.4ሿ
4
A=0,00019 m2
Se determinó la velocidad real con la Ecuación AXIII.1
Vreal 1,48
m
s
La velocidad real es de 1,48
m
s
lo que significa que se encuentra dentro del rango
de velocidades de la Tabla AXIII.1 Por lo tanto el diámetro nominal es correcto.
·
Calculó del número de Reynolds
El número de Reynolds se determina con la Ecuación AXII.5
Re=
ρfluido × vfluido ×d
ሾAXII.5ሿ
μfluido
Donde:
ρfluido :
Densidad del fluido (kg/m3)
vfluido :
Velocidad real del fluido (m/s)
d:
Diámetro de la tubería (m)
μfluido :
Viscosidad del fluido (kg/m s)
Por lo tanto,
165
m
1 000 kgΤm3 × 1,48 s ×0,0158m
Re=
kg
0,001 ms
Re=23 384
Se determinó la rugosidad relativa del acero inoxidable mediante la Ecuación AXII.6
Rugosidad relativa=
ε
ሾAXII.6ሿ
d
Donde:
ε:
Rugosidad del acero inoxidable (m), 0,000002 m
d:
Diámetro de la tubería (m)
Por lo tanto,
Rugosidad relativa=
0,000002 m
0,0158 m
Rugosidad relativa= 0,00012
·
Cálculo del factor de fricción
El factor de fricción se obtiene del Diagrama de Moody presentado en la Figura
AXIII.2.
166
Figura AXII.2. Diagrama de Moddy
(Streeter, 2000)
·
Cálculo de la caída de presión en la tubería
La caídad de presión de la línea 19,1-AR-01-SS SA se determina con la
Ecuación AXII.7.
f=
hf
L T V2
×
DT 2g
ሾAXII.7ሿ
Donde:
f:
Factor de fricción
hf:
Caídad de presion (m)
L T:
Longitud de la tubería (m)
DT:
Diámetro interno de la tubería (m)
167
ǣ
Velocidad del fluido (m/s)
Gravedad (m/s2)
G:
Por lo tanto,
hf=f×
L T V2
×
DT 2g
2
1,482 m ൗ 2
1m
s = 0,12m
×
hf = 0,018×
0,0158m 2×9,8 mΤs2
·
Modificación de las unidades de caída de presión
m
N
kg
×9,8 2 =9800 3
3
s
m
m
N
∆P=0,12 m×9800 3 =2 636,90 Pa= 0,17 psi
m
γ=δfluido ×g=1000
168
ANEXO XIII
SELECCIÓN DE BOMBAS
Se seleccionaron de las bombas centrífugas necesarias para el traslado del fluido
mediante la Ecuación AXIII.1 correspondiente a la Ecuación de Bernoulli debido a
que son indicadas para el transporte de fluidos de baja viscosidad y son las más
adaptables a diferentes condiciones de procesos (Sinnott, 2005, p.194).
2
HB + Z1 +
2
P1 V1
P2 V2
+
= Z2 + +
+hfs ሾAXIII.1ሿ
γ 2g
γ 2g
Donde:
Zi:
Elevación del punto i (m)
P i:
Presión en el punto i, (Pa)
Vi:
Velocidad del fluido en el punto i (m/s)
hfs:
Pérdida de presión (m)
HB :
Carga de la bomba (m)
g:
Gravedad (m/s2)
Se aplicó la Ecuación de Bernoulli en las zonas en donde se requiere las bombas
(PID) se consideró la elevación del eje de la bomba igual (ܼଵ ሻ a 0 y al tratarse de un
fluido incompresible y considerando una tubería de sección constante, la ecuación
de la continuidad determina que ܸଵ ൌ ܸଶ , por lo tanto se tiene la siguiente Ecuación
AXIII.2
NPSHdis =
P1 -PV
-Z-hfs ሾAXIII.2ሿ
ρ×g
Donde:
P1:
Presiona en el nivel de aspiración (Pa)
Pv:
Presión de vapor del fluido (2330,47 Pa) a T=20ºC,
ρǣ
Densidad del fluido (1 000 kg/m3), 1000 kg/m3
169
g:
Gravedad (9,8 m/s2)
Z:
Altura de aspiración (2,74 m)
hfs:
pérdida de presión (0,011 m)
Por lo tanto para la bomba B-01
kg
kg
2330,47
2
ms ms2 -2,74 m-0,011m
kg
kg
9800 2 2
9800 2 2
m s
m s
71940,75
NPSHdis =
NPSHdis =4,5 m
Las especificaciones de la bomba B-01 se muestran en la Figura AXIII.1. Se
seleccionó una bomba modelo T-TK-SK-24/90 de potencia 0,06 kW.
Para la Bombas B-02
Con la Ecuación AXIII.2 Se determinó el NPSH para la Bomba B-02
kg
kg
23 30,47 2
ms2 ms -2,0 m-0,012m
kg
kg
9 800 2 2
9 800 2 2
m s
m s
71 940,75
NPSHdis =
NPSHdis =5,09 m
Los cálculos y las especificaciones de la bomba B-02 se utilizó la Figura AXIII.1 en
el Anexo XIII. Se seleccionó una bomba de modelo T-TK-SK-50/120 con una
potencia de 0,18 kW.
170
Figura AXIII.1. Especificaciones de bombas centrífugas
(Arancia, 2011, p. 11)