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lnstltuto Naclonal de lnVfft gaelon.s
F0t.aU11H,Agrfcolas y P•cuartas
Centro de Investigación Regional Norte Centro
Sitio Experimental La Campana
Aldama, Chihuahua, Noviembre 2014
Folleto Técnico Num. 58
ISBN: 978-607-37-0334-5
ii
Tratamiento de aguas residuales de origen
porcicola mediante un filtro percolador
Dr. Ruben Alfonso SAUCEDO TERAN'
Ora. Celia DE LA MORA OROZCO'
Dr. Eutiquio BARRIENTOS J0AREZ'
Dr. Sergio GOMEZ ROSALES'
Dra. Irma Julieta GONzALEZ ACUNA'
' lnvestigadores del S. Experimental La Campana
' lnvestigadora del C. Experimental Centro Altos de Jalisco
' lnvestigador del CENID Fisiologla
'lnvestigadora del C. Experimental Santiago lxcuintla
lnstituto Nacional de lnvestigaciones Forestales, Agrfcolas
y Pecuarias
Centro de lnvestigaci6n Regional Norte-Centro
Sitio Experimental La Campana-Madera
Aldama, Chih., Mexico
Noviembre 2014
iii
lnstituto Nacional de lnvestigaciones Forestales,
Agricolas y Pecuarias
Progreso No. 5, Barrio de Santa Catarina
Delegaci6n Coyoacan, C. P. 04010 Mexico D. F.
Telefono (55) 3871-8700
Tratamiento de aguas residuales de origen
porcicola mediante un filtro percolador
ISBN: 978-607-37-0334-5
Primera Edici6n
2014
No esta permitida la reproducci6n total o parcial de esta
publicaci6n, ni la transmisi6n de ninguna forma o par
cualquier media, ya sea electr6nico, mecanico,
fotocopia, par registro u otros metodos,
sin el permiso previo y por escrito
de la lnstituci6n.
4
Contenido
lnlroducci6n .......................................................................... 1
Me odologia ..................................................................................... 4
Resultados ................................................................................. 10
6
Conclusiones
Literature consultada ................................................................. 17
5
6
INTRODUCCIQN
La porcicultura representa la tercera actividad ganadera en
importancia de Mexico. Segun el censo realizado por INEGI
en 2008, la poblaci6n de porcinos se estirnaba en mas de
15.2 millones de cabezas. Las regiones con mayor
concentraci6n de granjas son el centre y el sureste del pals.
Sobresalen los estados de Guanajuato, Michoacan y Jalisco
que en conjunto generan cerca del 30% de la producci6n
porcina nacional.
En esas regiones, la industria porcicola sobresale no solo por
su importancia econ6mica, sino tambien por el alto impacto
ambiental derivado de los grandes volumenes de residuos
s61idos y liquidos que genera, alterando la constituci6n fisica,
quimica y microbiol6gica de suelos y de cuerpos y corrientes
de agua. En el caso especifico de residuos liquidos, una
granja mediana genera entre 30 y 35 m'/dia de aguas
residuales, las cuales contienen altas concentraciones de
s61idos, rnateria organica, nitr6geno y f6sforo, entre otros
contaminantes. Aun en granjas altamente tecnificadas, que
representan el 56.9% del total, el tratarniento de los residuos
generados es un asunto de minima o nula importancia. La
gran mayoria de losdesechos son vertidos al media ambiente
sin recibir ningun tratamiento y, evidentemente, sin cumplir
co n los requerimientos de las normas oficiales
correspondientes.
Los pocos productores que tratan aguas residuales de origen
pecuario utilizan biodigestores anaer6bicos. A nivel nacional,
se tiene registrada la existencia de 479 biodigestores en los
estados de Coahuila, Chihuahua Guanajuato, Durango,
Guanajuato, Jalisco, Michoacan, Nuevo Le6n, Puebla,
Queretaro, Sonora, Veracruz y Yucatan. De ellos, s61o el 82%
se encuentran en operaci6n y, en su mayoria, se caracterizan
por una serie de deficiencias como sobredimensionami ento,
fellas en los sistemas de agitaci6n, fellas en el quemador,
mantenimiento irregular y desconocimiento del funcionamiento de los sistemas por parte de los productores. Bajo
1
condiciones normales de operaci6n, las sistemas
anaer6bicos generan efluentes con contenidos de materia
organica de alrededor de 3000 mg/L, en terminos de
demanda quimica de oxrgeno (DQO). Esa concentraci6n es
equivalente a 5 veces el contenido de materia organica en
aguas residuales domesticas, lo que pone de manifiesto su
alto potencial de contaminaci6n. Por tal motive, los efluentes
de digestores anaer6bicos deben ser tratados, antes de ser
reutilizados o vertidos al media ambiente. En ese sentido, las
sistemas aer6bicos constituyen una importante altemativa,
ya que requieren menores tiempos de retenci6n hidraulica
que las digestores anaer6bicos y no generan males olores, lo
que resulta de particular importancia dado que la mayoria de
las granjas porcicolas se ubican en areas suburbanas.
Entre los sistemas aer6bicos sobresalen los filtros
percoladores, com(mmente llamados biofiltros. Esta es una
tecnologia ampliamente utilizada para el tratamiento de
aguas residuales industriales que recientemente fueron
adaptados para el tratamiento de efluentes biol6gicos. Par
ejemplo, en el tratamiento de aguas residuales de origen
domestico se reportan eficiencias por encima de 90% en la
disminuci6n del contenido de materia organica, generando
efluentes con concentraciones maximas de DQO de 30 mg/L,
mismas que superan los estandares de calidad para aguas
de desecho. Tambien se reporta que los biofiltros pueden
reducir hasta en un 72% el nitr6geno organico disuelto,
generando efluentes con menos de 1.8 mg/L de nitr6geno
disuelto biodegradable. En el caso de una planta
procesadora de lacteos, se obtuvo una eficiencia de 96% en
la tasa de remoci6n de DQO en un tiempo de retenci6n
hidraulica de 7 h, con una concentraci6n de materia organica
en el influente de alrededor de 1,700 mg/L de DQO. En ese
mismo trabajo se reporta una eficiencia por encima de 70%
en la remoci6n del contenido de nitr6geno total.
2
En establos lecheros se han tratado exitosamente aguas
residuales con cargas organicas de hasta 2,700 mg/L de
DQO con tiempos de retenci6n hidraulica de 5 a 7 horas. Los
principales factores que limitan la capacidad de
desnitrifcaci6n de los bioflitros son las cargas organicas
excesivas y el desarrollo de altas poblaciones de caracoles
acuaticos. Los factores clave en el funcionamiento de las
biofiltros son el tiempo de retenci6n hidraulica, la
concentraci6n y el tipo de materia organica en el influente, asl
como la porosidad y el tamafio de las particulas que
constituyen el material de soporte en el que se desarrollan los
microorganismos degradadores de la materia organica
contaminante.
En terminos generales, las principales ventajas de las
biofiltros percoladores son la simplicidad de su operaci6n, su
bajo impacto ambiental, las bajos requerimientos de energia
para su operaci6n y una muy favorable relaci6n costobeneficio. No obstante, se desconoce la efectividad de los
filtros percoladores sobre el tratamiento de aguas residuales
provenientes de granjas porcicolas con altas concentraciones de materia organica. Tampoco se encontr6
informaci6n sabre el uso de materiales de soporte de origen
mineral como sustituto de particulas de PVC que es el
material de soporte tradicional utilizado en las biofiltros.
El objetivo de este folleto es difundir los resultados de un
trabajo de investigaci6n en el que se evalu6 la efectividad de
un filtro percolador empacado con piedra volcanica para el
tratamiento de
aguas residuales porcicolas con
concentraciones de DQO de alrededor de 3000 mg/L. Los
usuarios potenciales de la informaci6n reportada son las
productores de cerdos, los prestadores de servicios
profesionales que les brindan asistencia tecnica, asi como las
diversas instancias gubemamentales relacionadas con este
subsector productive.
3
METODOLOGi
A
El trabajo se llev6 a cabo en la granja Santa Ana, la cual esta
ubicada en el km 24 de la carretera Atotonico El Allto - San
Miguel El Alto, del municipio de Arandas, Jalisco. El objetivo
zootecnico de la granja es la producci6n de animales de
abasto y cuenta con un inventario de 12,000 cerdos. Genera
alrededor de 30,000 litres de aguas residuales por dia, coma
producto de la limpieza de las instalaciones. En la granja esta
instalado un biodigestor, el cual es alimentado con aguas
residuales atraves de 12canales provenientes de los corrales
3
de engorda. El biodigestor tiene una capacidad de 9,518 m y
3
genera aproximadamente 2,000 m de biogas por dia. El
efluente de dicho biodigestor es enviado a una lagunaartificial
en donde es almacenado para su uso coma agua de riego de
pastas. El agua almacenada en la laguna constituy6 el
influente del presente trabajo (Figura 1).
a
Figura 1. Vista panoramica de la laguna en la que se almacena elefluente del biodigestor anaer6bico.
4
Dado que el efluente del biodigestor tenia una concentraci 6n
de aproximadamente 7,160 mg/L de DQO, para obtener las
concentraciones deseadas en este trabajo se procedi6 a
diluir elagua de la laguna con agua extraida de un pozo. Para
tal efecto, el agua de la laguna era depositada en un tinaco
con capacidad de 10,000 litros mediante una bomba
sumergible. Dicho tinaco tenia un agitador mecanico que se
activaba con cierta frecuencia de acuerdo con los ciclos de
encendido de la bomba, misma que se regulaba a traves de
unflotador.
El tinaco estaba colocado en el bordo de la laguna, de tal
modo que se encontraba a 4 m por encima del filtro
percolador, por lo que el agua residual diluida fluia por
gravedad del tinaco al filtro percolador.Elflujo era controlado
a traves de un rotametro con un rango de operaci6n de O a 7.5
LPM, mismo que era controlado a traves de una valvula de
esfera (Figura2).
Figura 2. llustraci6n del rotametro empleado para regular el
flujo del influente del filtro percolador.
5
El filtro percolador consiste en un cilindro de aluminio de 2
mm de espesor y dimensiones de 3 m de altura y 1 m de
diametro (Figuras 3 y 4).
2
5
.,. 8
3
4
6
7
Figura 3. Representaci6n esquematica del sistema de
tratamiento de aguas residuales. 1 Bomba. 2 Tanque de
diluci6n. 3 Bardo. 4 Compresor.5 Biofiltro. 6 Preclarificador.
7 Clarificador.8 Efluentefinal.
Figura 4. Vista lateral del sistema de tratamiento en el que se
aprecia el filtro percolador (izquierda) y los tanques seriados
declarificaci6n del efluente (derecha).
6
En la parte superior se coloc6 una tapa cilindrica de aluminio
la cual esta sostenida en la cara intema del biofiltro mediante
cuatro soportes metalicos (Figuras 5 y 6). Dicha tapa, que
esta ubicada a una altura de 20 cm por debajo del borde
superior del cilindro, funciona como sistema de distribuci6n
radial del influente. Para tal efecto, la tapa tiene multiples
perforaciones radiales de 1 cm de diametro cada una. El
borde exterior de la tapa esta recubierto con un empaque de
caucho que impide el flujo preferencial por la pared interna
del cilindro. El agua residual era conducida hasta la parte
superior del biofiltro y vertida en el centre de la tapa antes
mencionada.
Figura 5. Tapa con orificios distribuidos radialmente, utilizada
para la distribuci6n del influente en el biofiltro.
El biofiltro estaba rellenado con piedra volcanica de forma
semiesferica y un tamaf'io aproximado de 2 a 4 cm de
diametro. Dicha piedra tiene la funci6n de servir como
material de soporte para las bacterias degradadoras de la
7
materia orgamca contenida en el agua residual bajo
tratamiento (Figura 6).
Figura 6. Vista superior del biofiltro en el que se observan los
soportes de la tapa de distribuci6n del influente y la piedra
volcanica utilizada coma material de soporte.
En la parte inferior del biofiltro se instal6 un sistema de
aireaci6n radial el cual estaba conectado a un compresor. El
aireera inyectado a traves de una boquilla de espiga de 1npt,
con un caudal de 10 L/min. Para separar los s61idos
generados, se instalaron dos tinacos de 5,000 litres cada
uno, mismos que conformaron un sistema de sedimentaci6n
en serie constituido por un preclarificador y un clarificador.
Tanto el preclarificador, como el clarificador cuentan con un
sistema de purga y colecta de lodos, para lo cual se instal6
una valvula de esfera en la parte inferior de los mismos. La
purga de lodos se efectuaba con una frecuencia semanal y
consistia en la colecta de los sedimentos, a raz6n de un
volumen de 20 Lidia en cada tanque de sedimentaci6n. Dado
que se trata de un sistema aer6bico, los subproductos
derivados del tratamiento son el di6xido de carbono, que es
menos contaminante que el metano, asi coma los lodos, los
8
cuales pueden ser sometidos a un proceso de compostaje
como medio para generar un valor agregado a los mismos
por su potencial uso como abono organico.
Para evaluar la eficiencia del sistema de tratamiento, se
efectuaron tres corridas experimentales con una duraci6n de
20 dfas cada una. La variable predictora fue la concentraci6n
de DQO en el influente, la cual tuvo un rango de 2002 a 3074
mg/L. El tiempo de retenci6n hidraulica para todas las
corridas experimentales fue de 9 horas.
En cada corrida experimental se obtuvieron cuatro muestras
del influente y del efluente, con el tin de llevar a cabo los
analisis fisicos y quimicos siguientes: DQO, nitr6geno total,
amonia total, f6sforo total, conductividad electrica y oxigeno
disuelto. La DQO se cuantific6 mediante la tecnica de
oxidaci6n de dicromato de potasio, utilizando un digestor y un
colorimetro de la marca HACH modelo 800. Los analisis de
nitr6geno total se efectuaron con base en el metodo de
digestion del persulfato utilizando un equipo marca HACH.
Para deterrninar la concentraci6n de nitr6geno amoniacal se
utiliz6 el metodo del salicilato con equipo de la marca HACH.
El f6sforo total se determin6 con un equipo marca HACH,
mediante el metodo de molibdovanadato con digestion de
acido persulfato. La conductividad electrica se midi6 con un
sensor marca MW 801 Milwaukee. El oxigeno disuelto se
determine mediante un metodo digital, empleando un
potenci6metro marca JPB modelo 607A, equipado con un
electrode para oxigeno disuelto.
9
RESULTADOS
Elcuadro 1 contiene los resultados de remoci6n de la DQO en
el filtro percolador. Como se puede obseivar, laconcentraci6n
de la DQO en el influente vari6 de 2,002 a 3,074 mg/I de DQO.
lndependientemente de la concentraci6n inicial, la eficiencia
de remoci6n fue muy alta, variando de 90 a mas de 96%, con
un promedio de 93%. El promedio de DQO en el efluente fue
de 172 mg/L lo que lo situa coma un agua residual de calidad
aceptable para el riego de pastas y para su disposici6n en
cuerpos de agua. Al respecto, la NOM-001 seflala que el
contenido de materia organica, expresada en terminos de
DB05, no debe sobrepasar el Ifmite maxima permisible que es
de 200 mg/L, aplicable a descargas de aguas residuales en
rios, cuya agua se utiliza para riego agrlcola. Par logeneral, la
DB05 es menor que la DQO, de tal modo que la concentraci6n
de materia organica del efluente cumple con tal
especificaci6n
Cuadro 1. Eficiencia de un filtro percolador en la remoci6n de
DQO contenida en aguas residuales porclcolas.
Fecha
02/06/2014
07/06/2014
12/06/2014
17/06/2014
22/06/2014
27/06/2014
02/07/2014
07/07/2014
12/07/2014
17/07/2014
22/07/2014
27/07/2014
Media ± D.E.
D.E.
DQO en el
influente
mg/L
2100
2002
2678
2560
2484
2522
2410
2216
3054
3006
3010
3074
2593 ± 379
= Desviaci6n estandar
1
0
DQO en el
efluente
mg/L
198
200
183
163
165
140
140
162
117
196
201
203
172 ± 29
Eficiencia de
remoci6n
%
90.6
90.0
93.2
93.6
93.4
94.4
94.2
92.7
96.2
93.5
93.3
93.4
93 ± 1.6
Los resultados de remoci6n del nitr6geno total se muestran
en el Cuadro 2. La concentraci6n de nitr6geno present6 un
promedio de 145 mg/L en el intluente y de 75 mg/L en el
efluente, de tal modo que el promedio de remoci6n fue de
alrededor del 48%. a concentraci6n final de nitr6geno
sobrepasa el Iimite maximo permisible para descargas en rios
que es de 60 mg/L, de tal modo que el uso como agua de riego
contribuye a reducir la concentraci6n de nitr6geno en el agua,
antes de que esta llegue a rios y embalses naturales o
artificiales. Asi mismo, con la instalaci6n de un humedal
artificial o un filtro biol6gico a base de lombrices posterior al
filtro percolador, se podria generar un etluente que podria
cumplir con requerimientos mas exigentes, como seria el
lavado de corrales en la granja. De hecho, ese sistema se
esta evaluando en el proyecto de investigaci6n al que
corresponde este trabajo, pero los datos se presentaran en
otras publicaciones.
Cuadro 2. Eficiencia de un filtro percolador en la remoci6n de
Nitr6geno total contenido en aguas residuales
porcicolas.
Fecha
02/06/2014
07/06/2014
12/06/2014
17/06/2014
22/06/2014
27/06/2014
02/07/2014
07/07/2014
12/07/2014
17/07/2014
22/07/2014
27/07/2014
Media ± D.E.
D.E.
N-total en el
influente
mg/L
145.22
142.01
138.75
140.22
151.33
149.20
147.10
145.30
146.77
142.12
142.20
151.10
145 ± 4.1
= Desviaci6n eslandar
1
1
N-total en el
efluente
mg/L
78.00
79.00
69.00
65.00
88.00
76.50
82.30
81.78
68.02
65.12
71.02
81.22
75 ± 7.6
Eficiencia de
remoci6n
%
46.3
44.4
50.3
53.6
41.8
48.7
44.1
43.7
53.7
54.2
50.1
46.2
48 ± 4.3
para descargas de aguas residuales en rios y embalses
destinados al uso coma agua de riego agricola, que es de 30
mg/L de f6sforo total. No obstante, debido a la variaci6n en la
concentraci6n de f6sforo en el efluente (29 ± 5.6), es
necesario que la cuantificaci6n de esta variable se lleve a
cabo en lotes con el fin de evitar el incumplimiento de la
norma.
Cuadro 4. Eficiencia de un filtro percolador en la remoci6n de
f6sforo total contenido en aguas residuales
porcicolas.
Fecha
02/06/2014
07/06/2014
12/06/2014
17/06/2014
22/06/2014
27/06/2014
02/07/2014
07/07/2014
12/07/2014
17/07/2014
22/07/2014
27/07/2014
Media ± D.E.
D.E.
P-total en el
influente
mg/L
69.57
69.53
78.00
67.90
70.22
68.90
66.50
65.00
70.22
69.45
70.31
71.70
70 ± 3.2
P-total en el
efluente
mg/L
34.28
39.13
38.45
26.90
25.50
29.50
28.20
21.00
23.40
28.90
31.60
26.50
29 ± 5.6
Eficiencia de
remoci6n
%
50.7
43.7
50.7
60.4
63.7
57.2
57.6
67.7
66.7
58.4
55.1
63.0
58 ± 7.1
= Desviaci6n estandar
La disminuci6n de la conductividad electrica del agua tratada
tuvo un promedio de alrededor de 35%, pasando de una
cancentraci6n inicial de 1.57 a una concentraci6n final de
1.02 mS/cm. Aunque no se encontraron especificacianes
sabre las limites maximas permitibles para esta variable, su
importancia radica en que es un indicador de contenido de
sales disueltas en el agua. De acuerda con la concentraci6n
13
mg/L
CONCLUSIONES
El un filtro percolador empacado con piedra volcanica mostr6
ser altamente eficiente para el tratamiento de aguas
residuales porcicolas con concentraciones de DQO de
alrededor de 3000 mg/L.
Los efluentes generados cumplen con todas las
especificaciones respecte a los limites maximos permisibles
para su uso come agua de riego, asi como para su descarga
en rios y embalses naturales e artificiales que almacenan
agua para riego de cultivos agricolas.
Eltiempe de retenci6n hidraulica con el que se llev6 a cabo la
evaluaci6n del filtro percolador fue de nueve horas, de tal
mode que se plantea la necesidad de llevar a cabo otras
evaluaciones con menores tiempos de retenci6n, lo que
implicaria mayores velumenes de tratamiento en funci6n del
tiempo y,por lotanto, menores costos de operaci6n.
16
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COMITE EDITORIAL
Biol. Mario Humberto Royo Marquez
M.C. Carlos Rene Lara Macias
REVISION TECNICA
M.C. Jesus Manuel Ochoa Rivero
Dr. Uriel Figueroa Viramontes
DISEJ\10 Y EDICION
Dr. Ruben Alfonso Saucedo Teran
La presente publicaci6n se termin6 de imprimir el mes de
Septiembre de 2014, en Comunicaci6n Creativa, Calle de la Huerta
7012, Col. Girasoles, Chihuahua, Chih, Mexico. C. P. 31173.
Tel. (614) 411 06 08
Su tiraje consta de 1000 ejemplares
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lnstituto Nacional de lnvestigaciooes
Forestales, Agricolas y Pecuarias