reporte tecnico final del proyecto “estudio preliminar para el

REPORTE TECNICO FINAL DEL PROYECTO “ESTUDIO PRELIMINAR PARA EL
DISEÑO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE EFLUENTES DE LA INDUSTRIA
QUESERA PARA LA COMUNIDAD MENONITA”, CLAVE SIP 20070836.
RESUMEN
Las aguas residuales de la industria quesera contienen altas concentraciones de
grasas, Sólidos Totales (ST), Sólidos Disueltos Totales (SDT) y Demanda Química
de Oxígeno (DQO), por lo que su tratamiento secundario es muy complejo. Debido a
que las grasas causan problemas durante los tratamientos biológicos, es necesario
que se eliminen en el tratamiento primario. A fin de resolver esta problemática se
diseño un prototipo desnatador para reducir el contenido de grasas, bajo el régimen
de flujo laminar y flujo turbulento, con aire comprimido con burbuja gruesa. Consiste
en un recipiente cilíndrico de fondo cónico de 20 L de capacidad con un volumen de
operación de 14 L. La alimentación se realizó con muestras compuestas de aguas
residuales crudas de la empresa “Industria Quesera Holanda, S. de R. L., ubicada en
“Campo Hermoso” de la comunidad menonita de Nuevo Ideal, Dgo. La entrada del
afluente es lateral y la salida del efluente desnatado esta en el extremo opuesto. Al
centro cuenta con una mampara y una trampa de captación de grasas que se vierten
por derrame aprovechando su densidad y concentración. Las aguas residuales son
alimentadas con una bomba peristáltica Masterflex con velocidad variable. Se evaluó
la eficiencia de remoción de las grasas considerando los parámetros de gasto (Q) y
tiempo de retensión hidráulico (Tr). Se probaron 4 tiempos de retención hidráulicos
de, 6, 8, 10 y 12 horas. En cada uno de ellos se tomaron muestras al tiempo 0, 2 y 4
h a flujo constante. Las aguas residuales se caracterizaron durante el periodo de
prueba en muestras compuestas así como las aguas residuales desgrasadas,
determinando grasas por el Método de Soxlet, Conductividad eléctrica, pH y
temperatura. Se calculó la eficiencia del desnatador. Para determinar el inóculo mas
efectivo para el tratamiento de las aguas residuales de la industria quesera se probó
con aguas residuales sin tratar de la planta de tratamiento (PTAR), efluentes de la
segunda laguna de la PTAR de la ciudad de Durango, agua negras de la fosa séptica
de la empresa y un filtrado de la suspensión de estiércol al 10%.
Informe Técnico Final SIP 20070834
1. INTRODUCCIÓN
El desarrollo tecnológico como una forma para obtener bienes y servicios en
beneficio de la población casi siempre es una fuente generadora de residuos líquidos
y sólidos que cuando no son aprovechados en el sitio de origen, causan
contaminación ambiental y disminución en la economía del propio generador. Esto
obliga a que la autoridad ambiental promulgue legislación con el afán de reducir la
problemática en los sitios de descarga y establezca la posibilidad de reusar, reciclar
o reutilizarlos a fin de optimizar el recurso.
En el caso de la producción de queso en la comunidad menonita de Nuevo
Ideal, Dgo., la cual es una de las principales industrias queseras del Estado, ha
funcionado desde hace más de 30 años, y no es la excepción como generador de
residuos contaminantes. Desde los inicios de operación las aguas residuales han
sido eliminadas a cielo abierto en los terrenos cercanos a las instalaciones y en
ocasiones a corrientes receptoras, como es el caso de la acequia que conduce las
aguas residuales municipales de la ciudad de Nuevo Ideal, Dgo.
Las descargas de agua residual al suelo ha provocado generación de olores
desagradables, generación de moscas y otros vectores; deterioro visual de lugar y la
posible contaminación del subsuelo y probablemente del agua del acuífero.
La empresa menonita en cuestión es la Quesería Holanda S. de R.L., y se
encuentra instalada en tres áreas denominadas “Campo Hermoso”, “Jardín de
Flores” y “Lugar de Rosas”, con un volumen total de leche procesada de 50 000
litros por día, aproximadamente. Se tiene contemplado que en el corto plazo toda la
producción se realice en la primera área.
A fin de mitigar el daño al ambiente y cumplir con la Normatividad, en cuanto a
las descargas de aguas residuales, la empresa solicitó al Centro Interdisciplinario de
Investigación al Desarrollo Integral Regional, CIIDIR IPN Unidad Durango, un estudio
1
Informe Técnico Final SIP 20070834
para que se realice la gestión de la calidad del agua, esto es, que se traten las aguas
residuales a fin de cumplir con la normatividad ambiental vigente.
Con base a lo anterior, se planteó este proyecto, el cual contempla dos fases:
la primera consiste en reducir el exceso de grasa en el efluente (tratamiento primario)
y la segunda fase en realizar estudios de tratabilidad del agua desnatada para
proponer un tren de tratamiento secundario.
JUSTIFICACIÓN
El problema principal que actualmente enfrenta la empresa quesera de la
comunidad menonita es que las aguas residuales no reciben un tratamiento biológico
adecuado y son eliminadas al suelo a cielo abierto, a estanques rústicos así como a
corrientes receptoras (Figura 1), generando olores desagradables, fauna nociva y
aspectos visuales que rompen la armonía de los alrededores de la empresa, así
como la posible contaminación del subsuelo y mantos acuíferos.
Figura 1. Descarga de aguas residuales en corrientes receptoras.
El efluente se genera durante las operaciones de limpieza del equipo, lavado
de utensilios y áreas de producción, donde parte del suero dulce y salado se eliminan
2
Informe Técnico Final SIP 20070834
produciendo un agua residual con alto contenido de materia orgánica, compuesta en
su mayor parte de grasa, lactosa y proteínas; sólidos suspendidos y sedimentables
así como sales inorgánicas, las que producen rangos elevados de conductividad
eléctrica.
Debido a lo anterior, a últimas fechas la Comisión Nacional del Agua (CNA) ha
ejercido mayor vigilancia sobre sus descargas y debido a que no cumplen con la
normatividad vigente (NOM-001-SEMARNAT-1996), recientemente la empresa
quesera ha recibido apercibimientos.
Finalmente, tomando en cuenta la economía del usuario, se contempló
construir y evaluar un prototipo desnatador para remover grasas del efluente de la
industria quesera tal que al proyectarlo para una planta de tratamiento tome en
cuenta la mayoría de los aspectos técnicos relevantes para su funcionamiento para
obtener los mejores resultados de operación y considerando que no deberán
emplearse sistemas mecánicos caros. Por otro lado, debido a la complejidad de la
composición del agua residual de la industria quesera fue necesario realizar estudios
a nivel de laboratorio, para determinar los inóculos más adecuados para lograr una
remoción de materia orgánica a través de estudios de cinética microbiana.
OBJETIVOS
Objetivo General
Realizar pruebas en el tratamiento primario y secundario para dimensionar
estructuras de una planta de tratamiento para aguas residuales para la industria
quesera en una comunidad Menonita.
Objetivos Específicos
1. Construir y determinar las condiciones de operación, a nivel de laboratorio, de un
prototipo desnatador para reducir la concentración de la grasa de aguas
residuales de la industria quesera.
3
Informe Técnico Final SIP 20070834
2. Determinar a nivel de laboratorio las condiciones de tratamiento biológico de las
aguas residuales de la industria quesera.
2. ANTECEDENTES
La materia prima para producción de queso
La leche es un líquido nutritivo de color blanquecino, producido por las
hembras de los mamíferos (incluidos los monotremas). La leche de los mamíferos
domésticos es un producto de consumo corriente en la inmensa mayoría de las
civilizaciones humanas, principalmente leche de vaca, aunque también en muchos
países se consume la leche de oveja, cabra, de yegua, de camella, de dromedario,
entre otros. (http://es.wikipedia.org/wiki/Leche).
La leche es la base de numerosos productos lácteos, como la mantequilla, el
queso o el yogur. Varios subproductos de la leche son utilizados en las industrias
agroalimentarias, químicas y farmacéuticas: leche concentrada, leche en polvo,
caseína o lactosa. La leche de vaca se utiliza también en la alimentación animal.
Debido a la importancia que representa leche para esta industria, es básico
conocer su composición, la esta compuesta por el 87.5% de agua, 13% de sólidos
totales, 3.9% de grasas, 3.4% de proteína, 4.8% de lactosa y 0.8% de minerales
Durante el proceso de la leche, generalmente se vierte al agua residual de 0.5 a
2.5% de la leche cruda y puede alcanzar hasta 4% (Omil, et al, 2003). Aunque la
mayoría de los compuestos son biodegradables, algunos como la lactosa son
consumidos en el tratamiento biológico, mientras que las proteínas y especialmente
las grasas no son fácilmente degradadas.
Queso
El queso es un alimento sólido elaborado a partir de la leche cuajada de vaca,
cabra, oveja u otros mamíferos. La leche es inducida a cuajarse usando una
combinación de cuajo (o algún sustituto) y acidificación. Las bacterias se encargan
4
Informe Técnico Final SIP 20070834
de acidificar la leche, jugando también un papel importante en la definición de la
textura y el sabor de la mayoría de los quesos. Algunos también contienen mohos,
tanto en la superficie exterior como en el interior (Alais, 1970).
Respecto de la leche utilizada para elaborar el queso menonita, es colectada
en los campos menonitas y almacenada por ellos mismos siendo la venta de queso
la principal fuente de ingresos de la comunidad. Hay una gran variedad de quesos,
cuya versatilidad está dada por las variaciones que hay en su proceso, en el tiempo
de curación, donde la pasteurización de la leche también puede afectar al sabor del
queso.
Para hacer un kilogramo de queso se requiere aproximadamente 10 litros de
leche. Siendo este uno de los derivados lácteos que tienen mucha demanda en el
mercado, además de ser una gran tradición en la cultura menonita en la ciudad de
Durango.
Grasas
Las grasas aportan del 30 a 40% de la Demanda Química de Oxigeno (DQO)
en las aguas residuales municipales y es uno de los contaminantes más complejos
de eliminar, debido a la variedad del tamaño de las partículas y al comportamiento
fisicoquímico, ya que debido a su baja solubilidad de adhiere al interior de los tubos,
paredes de los tanques, reduce la tratabilidad biológica del agua residual y produce
sólidos grasos superficiales dificultando su manejo y tratamiento. Entre los métodos
de separación que más se aplican son la flotación, sin embargo, en el caso de la
leche, las partículas de grasa son muy pequeñas para que esto funcione
adecuadamente, ya que la partícula mínima debe ser de 20 micras, siendo que en la
leche éste es el tamaño máximo (Chipasa y Medrzycka, 2006).
Otra de las características químicas de las grasas, que obligan su remoción,
es que con el tiempo y al estar en contacto con el aire sufren rancidez y produce
olores desagradables, dandole al agua un olor muy intenso que al contacto con la
piel o en la ropa resulta muy complicada su eliminación. Finalmente, cuando no son
5
Informe Técnico Final SIP 20070834
retiradas adecuadamente, debido a los cambios de temperatura, se llegan a formar
bloques de grasa que obstruyen los conductos del agua residual en las etapas
posteriores al desnatador (Figura 2).
Figura 2. Obstrucción de instalaciones por la acumulación de grasa en el tanque de
recepción de las aguas residuales.
Tratamiento de aguas residuales industriales lácteas
En México en 1995, el procesamiento de leche y sus derivados representaba
el 10% del Producto Interno Bruto (PIB) de la industria alimenticia y el 1.8% de
industria manufacturera. Existían 5 millones de vacas, las cuales producían alrededor
de 7.288 x 106 litros de leche por año, mientras que el consumo nacional era de 9
500 x 106 L/año. La diferencia era cubierta por la importación de 145 000 toneladas
de leche en polvo. Parte de la leche era transformada en queso, crema y mantequilla
y otros derivados. En total la industria láctea generaba entre 3.739 y 11.217 millones
de m3 de agua residual por año. En promedio esta agua contiene de 1,000 a 4,000
mg/L de demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) que corresponden entre 2 a 5 g de
DBO5 por kg de leche procesada (Monroy, et al, 1995).
En el caso del agua residual de la industria menonita se caracterizan por el
alto contenido de materia orgánica, que consiste de proteína, carbohidratos y grasas,
6
Informe Técnico Final SIP 20070834
esta última en alta concentración; así también elevados niveles de conductividad
eléctrica y sólidos sedimentables por lo que el diseño de la planta tiene que
considerar la infraestructura para remover dichas componentes.
Para el tratamiento de este tipo de aguas residuales existen diferentes
procesos. El pretratamiento químico a través de coagulantes y floculantes y la
aplicación de flotación de aire disuelto para su separación de grasa favoreciendo la
reducción de DQO (Rusten, et al, 1993).
Bonnet, Bogaerts y Bohatier (1999)
evaluaron a nivel piloto la biodegradación del suero por un protozoario ciliado,
Tetrahymena pyriformis, observando que bajaba el nivel de contaminación del suero
y combinado con un tratamiento de aguas residuales en lagunas alcanzaba un nivel
aceptable de DBO5 para descargarlo a un curso de agua.
Rusten, Siljudalen y Strand (1996) mejoraron instalaciones de una industria
quesera modificando una planta de tratamiento que consistía en un tanque de
igualación aireado y dos filtros rociadores en serie y un sedimentador la transformó la
primera sección en un tanque de lodos activados con una unidad de precipitación
química de fósforo, obteniendo eficiencia de remoción de DQO menor de 95% y
concentraciones menores de 1.0 mg/L en el efluente. Omil, et al (2003) empleando
un reactor anaerobio y un reactor secuencial tipo batch de un efluente con carga
orgánica de 2 a 5 g de DQO/L, alcanzó una remoción de DQO hasta 90% en el
efluente. Monroy et al (1995) en efluentes de la industria quesera, logró remover 70%
de la grasa haciendo pasar el efluente a través de un desnatador con cuatro
secciones. La primera consistió en un filtro de grava de 3”, 2” y 1” de diámetro donde
desmulsifica a la grasa; la dos siguientes secciones consistieron en la separación de
la grasa por flotación con aire comprimido con difusores de burbuja gruesa.
En cuanto al tratamiento de aguas residuales se requieren diferentes niveles
de tratamiento. El objetivo general es reducir la materia orgánica del agua residual y
convertirla en un producto que pueda ser reutilizado o dispuesto en suelo o
corrientes receptoras, que sea amigable con el medio ambiente sin afectar la salud
de la población (Crites y Tchobanoglous, 2000).
7
Informe Técnico Final SIP 20070834
Los procesos empleados en las plantas tratadoras municipales suelen
clasificarse como parte del tratamiento primario, secundario, terciario o de pulimiento
(Metcalf and Eddy, 1996).
En el tratamiento primario las aguas residuales que entran en una planta de
tratamiento contienen materiales que podrían atascar o dañar las bombas y la
maquinaria. Estos materiales se eliminan por medio de enrejados o cribas
horizontales, y se queman o se entierran tras ser recogidos en forma manual o
mecánica. El agua residual pasa a continuación a través de una trituradora, donde
los materiales orgánicos son triturados para facilitar su posterior procesamiento y
eliminación (Fair, Geyer and Okun, 1971). Algunas de las operaciones unitarias son:
tamizado, homogenización de caudales, intercepción o remoción
de grasas,
sedimentación, flotación natural o provocada con aire, filtración con arena, carbón y
cerámicas, la evaporación, absorción, desorción y extracción también son
considerados dentro de este nivel de tratamiento (Metcalf and Eddy, 1996).
En el caso de las grasas la remoción en un efluente industrial se ha aplicado el
proceso de flotación aprovechando la baja densidad y a las propiedades de
formación de una emulsión (Reynolds, 1983).
Para el tratamiento secundario generalmente se aplican procesos unitarios
para remover la materia orgánica, a través del tratamiento biológico en todas sus
acepciones. Los procesos unitarios incluyen las fosas sépticas, reactores aerobios,
reactores anaerobios, arreglo de lagunas de oxidación, principalmente (Winckler,
1981). Para el tratamiento terciario se aplican las lagunas de alta tasa y humedales
artificiales (Crites y Tchobanouglous, 2000 ).
El tratamiento anaerobio generalmente se aplica para aguas residuales
industriales con alta carga orgánica. Los efluentes de este sistema generalmente no
deben descargarse a una corriente receptora, es recomendable que haya un
tratamiento facultativo o aerobio (Arceivala, 1981).
8
Informe Técnico Final SIP 20070834
3. MATERIAL Y METODOS
Descripción del sitio de estudio
La empresa Quesería Holanda S de R.L. esta ubicada en las coordenadas de
24º 53’ de Latitud Norte y 105º 04’ de Longitud Oeste, con una altura de 1900 msnm,
y cuenta con tres instalaciones ubicadas en “Lugar de Flores”, “Jardín de Rosas” y la
de mayor tamaño en cuanto a producción, en el sitio conocido como “Campo
Hermoso” dentro del Municipio de Nuevo Ideal, Dgo. Esta situado a 130 km al
noroeste de la capital del Estado, y colinda al oriente con la Laguna de Santiaguillo
(Figura 3).
Figura 3. Ubicación de la empresa Quesería Holanda S. de R.L.
Descripción de las de descargas de aguas residuales
Las descargas de aguas residuales producto del lavado de equipo, materiales
y pisos así como los escurrimientos de leche bronca, suero dulce y salado son
recolectados a través de tubería de PVC y descargadas a una fosa receptora de 2.0
m3 como se muestra en el conjunto de la Figura 4.
9
Informe Técnico Final SIP 20070834
Figura 4. Fosa de recepción de los efluentes provenientes del proceso de elaboración
de queso.
Posteriormente pasan a una trampa de grasas de tres compartimientos de 6 m
de largo por 2 m de ancho por 2 m de profundidad (Figura 5), a partir de la cual se
descarga el agua a un estanque de 50 cm de profundidad, que funciona como un
sistema de evaporación e infiltración (Figura 6).
Figura 5. Tanque desnatador con exceso de grasa.
10
Informe Técnico Final SIP 20070834
Figura 6. Estanque de evaporación de aguas residuales.
Muestreo de aguas residuales
El muestreo del agua residual se realizó de acuerdo al método propuesto por
la APHA-AWWA-WEF (1995), tomando muestras simples cada media hora hasta
alcanzar un volumen necesario para hacer una muestra compuesta que sirvió para
realizar las corridas experimentales planeadas para evaluar el prototipo desnatador o
desgrasador. Una vez removida la grasa el efluente fue utilizado para realizar los
ensayos biológicos a nivel de laboratorio. Después de tener la muestra compuesta se
tomo una pequeña muestra, por duplicado, para caracterizarla fisicoquímicamente,
preservándola con H2SO4 concentrado y trasladada al laboratorio para su análisis
correspondiente.
Caracterización del agua residual
Durante el muestreo se midió in situ la conductividad eléctrica (CE) en μS/cm,
se determinó de acuerdo a la NMX-AA-093-SCFI-2000, con un medidor de campo
marca HANNA. Las determinaciones se hicieron por dilución a partir de una alícuota
de 10 mL de agua residual. La temperatura (oC) se midió con termómetro de vidrio y
el contenido de sólidos sedimentables por el método de cono Imhoff.
11
Informe Técnico Final SIP 20070834
A nivel de laboratorio se midió el pH con un potenciómetro, marca Orion,
Modelo 230A, así como el contenido de grasa por el Método de Extracción de
Soxhlet. Las determinaciones se realizaron
en el laboratorio de Ambiental del
CIDIIR, de acuerdo a la Norma Mexicana NMX-AA-005 para la determinación de
grasas y El nitrógeno orgánico se realizó con el equipo de digestión BÜHI, modelo
K-424 y la destilación y titulación con el equipo microKjeldhal, marca Labconco. El
fósforo se realizó con la técnica de fósfor extractable, de Bray y Kurtz1, modificado
para muestras con pH< a 7.0 (Etchever, 1992).
Construcción del desnatador
Considerando la capacidad económica de los usuarios y la existencia de
tanques cilíndricos de acero inoxidable con que ya cuenta la empresa (Figura 8), y
por las facilidades operacionales de un tanque cilíndrico respecto de un tanque de
forma rectangular se planteó construir y evaluar un prototipo de esta forma con una
relación largo/diámetro de 2:1, probando dos régimen de alimentación, uno con flujo
laminar y otro con flujo turbulento, aplicando aire comprimido con burbuja gruesa.
Figura 8. Tanque cilíndrico sin uso actual susceptible
de emplearse como desnatador.
La forma del prototipo y materiales de construcción se eligieron tomando como
base las experiencias de trabajo realizados anteriormente en la academia haciendo
12
Informe Técnico Final SIP 20070834
algunas modificaciones al prototipo respecto de la captación de la grasa y salida del
efluente desnatado.
Los parámetros de construcción y de la evaluación operacional, fueron
básicamente el volumen del tanque (V), el gasto de agua (Q), y el tiempo de
residencia hidráulico (Tr).
El prototipo consiste en un tanque cilíndrico de 20 L (Figura 9), con fondo cónico
por el cual se instaló la salida de los sólidos sedimentables y de las grasas
Corte A-A
Salida de agua
desnatada
Embudo de
plástico
Corte B-B
Entrada de agua
residual cruda
Mampara de
PVC
Corte C-C
Salida de
sólidos
sedimentables
Salida de grasas
concentradas
Figura 9. Cortes del prototipo.
concentradas. Al centro cuenta con una mampara de PVC de 6”, el cual fue fijado
con sellador tanto en las paredes del fondo como en la parte superior, con tres
pestañas, como observa en el conjunto de figuras de vista superior (Figura 10).
Sobre la mampara se colocó un embudo de plástico de igual tamaño de diámetro,
para captar la grasa que se separa por flotación.
13
Informe Técnico Final SIP 20070834
Embudo con el
plástico de 6” de Ø
Salida de Aguas
desgrasadas
Corte A-A
Garrafón de
plástico de 20 L
Tres soportes de la
mampara para
sujetar el embudo.
Tubo de 3/8” Ø
de descarga de
la grasa
Entrada de agua
residual cruda
Corte B-B
Parte baja del garrafón
Mampara de
PVC de 6” de Ø
Tubo de 3/8 “ Ø para
descarga de la grasa
Tubo de 3/8” Ø
Para descarga de Sólidos
Sedimentables
Tapón hule de
2ӯ
Corte C-C
Figura 10. Conjunto de figuras del desnatador con vista superior en tres cortes.
14
Informe Técnico Final SIP 20070834
En una pared lateral se hizo una perforación de 3/8”, a 15 cm del fondo, para
instalar el sitio de alimentación del agua residual con tubería de cobre y empaques
de hule y plástico rígido para asegurar la hermeticidad. En la pared posterior de la
entrada, se instaló la salida del agua residual desnatada, la cual quedó exactamente
a la altura del embudo. Se le colocó una tubería de descarga de cobre de 3/8” la
cual baja a los 15 cm del fondo, a la altura de la alimentación. Los detalles se
muestran en la Figura 10.
Se acondicionó una estructura metálica (Figura 11), construida de perfil tubular
rectangular (PTR) de 1”, pintada con pintura epóxica, para que fuera funcional y fácil
de transportar durante la evaluación del prototipo (Figura 12).
28 cm
28 cm
13 cm
27 cm
20 cm
80 cm
40 cm
Figura 11. Soporte metálico donde
se introduce el tanque separador de
grasa.
Figura 12. Vista real del tanque
separador de grasa en la estructura
metálica.
15
Informe Técnico Final SIP 20070834
En la parte inferior del tanque se colocó un tapón de hule con dos
perforaciones, una para la salida de la grasa concentrada y la otra para eliminar los
sólidos sedimentables.
Funcionamiento del prototipo
Se aforó el tanque quedando finalmente a un volumen constante de 14 L. La
alimentación se realizó con una bomba de velocidad variable, marca Masterflex y
manguera de silicón de 1/8”. Dependiendo del tiempo de retención hidráulico la
bomba se calibró dando los gastos que se marcan en la Tabla 1.
Tabla 1. Cálculo del gasto en función del tiempo de
retención hidráulico para un volumen constante de 14 L.
Gasto (mL/min)
Tiempo de residencia
hidráulico (h)
38.3
6
29.16
8
23.3
10
20
12
15.5
15
Antes de realizar las pruebas de remoción de grasa, se probó su hermeticidad
hasta lograr que no hubiera ninguna fuga, lo cual fue un poco complicado, ya que las
paredes del tanque no fueron tan rígidas como se había contemplado.
Posteriormente, se adicionó el agua residual con la bomba esperando que el
tanque se llenara de acuerdo al tiempo de retención (Tr) programado. Una vez
cubierto el Tr a partir de ese momento se dejó en estado estable en cuanto al flujo, y
se tomaron muestras de 1 L, al tiempo 0, 1, 2, 3 y 4 horas de haber alcanzado el Tr
16
Informe Técnico Final SIP 20070834
para evaluar si se mantenía estable la separación de grasa. Al final de cada toma la
muestra se preservó con H2SO4 concentrado. Este proceso se realizó con flujo
laminar y flujo turbulento.
El flujo turbulento se logró inyectando aire comprimido con un difusor de burbuja
gruesa al tanque que contenía el agua residual cruda, calculada de acuerdo a
Reynolds (1983).
Corrida experimental
Primero se hicieron todas
las corridas con flujo laminar y al final con el
turbulento. Cada una se realizó con muestras de aguas residuales transportadas de
un día para otro (por la distancia del sitio de muestreo al centro de trabajo). Después
se calibró el flujo de alimentación de la bomba para obtener los tiempos de retención
hidráulica (Tr) de 6, 8, 10 y 12 h. En cada tiempo de retención se obtuvieron cuatro
muestras al tiempo 0, 1, 2 y 3 h en recipientes de vidrio con un volumen de 1 L,
añadiéndole 1 ml de H2SO4 concentrado para determinar la concentración de grasa y
evaluar su eficiencia de remoción. El hecho de tomar cuatro muestras fue para
observar si había estabilidad de remoción en cada Tr.
Respecto a la segunda sección experimental, a fin de evaluar el
comportamiento cinético del agua residual respecto al inóculo, se realizó un estudio
cinético en frascos de 4 L, con un volumen de operación de 3.8 L, por duplicado, a
temperatura ambiente en condiciones estacionarias y bajo un proceso anaerobio,
empleando 4 inóculos diferentes. Se midió
el contenido de nitrógeno orgánico,
fósforo de fosfatos, pH, Temperatura, conductividad eléctrica y sólidos volátiles
totales, aplicando un diseño completamente al azar con dos repeticiones.
En los bioensayos con la muestra de agua residual cruda, se probaron los
siguientes inóculos: 1) Agua residual cruda obtenida en el emisor de descarga que
llega a la planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR) de la ciudad de Durango;
17
Informe Técnico Final SIP 20070834
2) Agua tratada de la segunda laguna de la PTAR; 3) Agua negra de la fosa séptica
de la empresa menonita y 4) filtrado de una suspensión de estiércol al 10% (tabla 2).
Finalmente, el diseño que se probó fue de la siguiente manera:
Tabla 2. Condiciones del diseño experimental para evaluar el mejor inóculo para
el tratamiento de aguas residuales.
Volumen de agua residual de
la quesería (ARQ) 2 760 mL
Volumen de muestra de
inóculo (1040 mL)
Volumen total
ARQ
30% de AR de la PTAR
3 800 mL
ARQ
30% de ARSL
3 800 mL
ARQ
30% de AN
3 800 mL
ARQ
30% de filtrado de una
3 800 mL
suspensión al 10% de
estiércol de ganado vacuno
18
Informe Técnico Final SIP 20070834
6. RESULTADOS
1. Composición del agua residual cruda.
La composición del agua residual cruda de la empresa quesera menonita
resume la composición en la tabla 3.
Tabla 3. Composición del agua residual de la industria
quesera menonita.
Componente
Volumen
Suero dulce
0.88 m3
Suero salado
0.23 m3
Suero del prensado de los quesos
0.42 m3
Agua condensada de las tinas
0.99 m3
Agua del lavado de la pipa, lavado
de moldes, equipo e instalaciones
1.13 m3
Volumen
residual
promedio
de
agua
7.38 m3/día
Parte de éstos resultados se calcularon en base a la cantidad de residuos líquidos
que se generan por cada 1000 L de leche que se procesan.
2. Caracterización de las aguas residuales crudas
Los resultados de la composición del agua residual de la empresa quesera se
muestran en la tabla 4.
19
Informe Técnico Final SIP 20070834
Tabla 4. Composición del agua residual de la industria quesera.
Componente
Rango de
Concentración
(mg/L)
Temperatura
30 - 37°C
pH
5.5 – 6.5
Conductividad Eléctrica (μS/cm)
3 220 – 13 340
Grasa
1 080 – 3 580
Nitrógeno orgánico
Fósforo
202.3
113
Sólidos Sedimentables (mL/L)
60 - 100
Análisis de resultados
En la tabla 5 se anotan las características promedio de las aguas residuales al
inicio de las pruebas de evaluación del desnatador.
Tabla 5. Caracterización promedio del agua residual al inicio de
la evaluación del desnatador.
Componente
Concentración
pH (unidades)
4.5 a 5.5
Conductividad eléctrica (mS/cm)
11 a 12.9
Grasas (g/L)
1.8 a 3.5
Sólidos sedimentables (mL/L)
60 a 80
Temperatura (°C)
15 a 22
El pH del agua residual cruda se modificó casi siempre después de 24 horas
de almacenada la muestra, ya que siempre bajaba de 6.5 a 4.5 unidades. La CE
prácticamente no cambió durante la evaluación del desnatador. Sin embargo es
20
Informe Técnico Final SIP 20070834
prudente anotar que aún y cuando no esta regulado por la NOM-001-SEMARNAT1996, es importante considerar este parámetro, ya puede afectar la eficiencia del
tratamiento biológico de las aguas residuales, al incrementar la presión osmótica en
las bacterias.
Respecto a la temperatura el rango osciló de 27 a 36°C durante el muestreo
sin embargo al momento de evaluar el prototipo prácticamente bajaba de 5 a 15
unidades de temperatura, obteniendo un promedio de 22.5°C. Estos valores
impactan en la eficiencia de remoción de grasas, ya que a mayor temperatura mayor
solubilidad de ellas, por tanto mayor problema de separación. De aquí que para que
sea más eficiente la remoción sería suficiente con dejarlas reposar un día en un
tanque de igualación o amortiguamiento para que se pierda calor y se mejore la
separación de las grasas.
En cada muestreo se
determinó el contenido de
sólidos
sedimentables
con
conos Imhoff (Figura 13), con
valores que fluctuaron entre
60 y 100 mL/L, lo cual fue
confirmado
durante
el
funcionamiento del prototipo
donde
se
calculó
la
acumulación de ellos y fue de
60 a 80
mL/L durante las
diferentes
experimentales.
corridas
Figura 13. Determinación de Sólidos Sedimentables
en conos Imhoff.
21
Informe Técnico Final SIP 20070834
Determinación de Grasas
A las muestras compuestas de aguas residuales se les determinó el contenido
de grasas empleando este dato como punto de partida para calcular la eficiencia de
remoción de grasa durante la evaluación (figura 14), así también como las muestras
tomadas durante los diferentes tiempos de retención hidráulico.
Figura 14. Muestreo de las aguas desnatadas para
análisis de grasas.
En la tabla 6, se resumen los resultados de las diferentes corridas donde se evaluó la
eficiencia de remoción de grasas del prototipo
22
Informe Técnico Final SIP 20070834
Tabla 6. Concentración de grasas en muestras de agua desnatada
durante la evaluación del prototipo en régimen de flujo laminar.
Tr (horas)
4
6
8
10
12
Tiempo de
estabilidad
(horas)
0
[Grasas] Final
(mg/L)
1
0.40
2
----
3
0.434
0
0.369
1
0.361
2
0.369
3
0.444
0
0.463
1
0.457
2
0.384
3
0.386
0
0.543
1
0.544
2
0.586
3
0.589
0
0.294
1
0.256
2
0.271
3
0.279
[Grasas] inicial
(mg/L)
Remoción
(%)
1.20
62.4
1.32
70.42
1.324
68.09
1.324
57.28
1.324
79.23
0.50
De la Tabla 6, se observa que las dos eficiencias más altas se obtuvieron al Tr
igual a 6 horas con una eficiencia de 70.42% y a Tr a 12 horas una eficiencia de
79.23%. De acuerdo a los datos de remoción la estabilidad tiene una desviación
estándar de = 0.09, por lo que se considera que la estabilidad de remoción de grasa
es muy confiable lo que le da un buen valor a las eficiencias encontradas (Vigueras,
et al, 2007).
23
Informe Técnico Final SIP 20070834
Considerado estos valores para efectuar los cálculos de dimensionamiento del
tanque desnatador para la planta de tratamiento de la empresa, tomando como base
de cálculo 10 m3 de gasto promedio de aguas residuales crudas por día más 20% de
sobredimensionamiento, condición teórica
para ajustar algún pico volumétrico,
entonces el volumen del tanque desnatador sería de:
Cálculos:
Q = V / Tr
donde:
Tr = Tiempo de retención hidráulico (horas)
Q = Gasto de agua residual durante 12 horas (m3/h)
Vt = Volumen final del tanque (L)
Q = (Tr * Q ) + 20%
Datos:
Tr = 6 horas
Q = 10 m3/día = 416.7 L/h
*solo trabajan medio día.
Con lo anterior, se tiene:
Vt6h = (6 h x 416.7L/h) + 20%
Vt6h = 2,995L que para fines operativos sería de 3,000 Litros
Vt12h = (12 h x 416.7L /h) + 20%
Vt12h = 5,990 L, lo que equivale a 6,000 Litros.
24
Informe Técnico Final SIP 20070834
En cuanto a los resultados obtenidos con flujo turbulento, los resultados parciales se
muestran en la tabla 7.
Tabla 7. Concentración de grasas en muestras de agua desnatada durante
la evaluación del prototipo en régimen de flujo turbulento.
Tr (horas)
4
Tiempo de
estabilidad
(horas)
0
[Grasas] Final
(mg/L)
1
0.4256
2
0.463
3
0.4702
[Grasas] inicial
(mg/L)
Remoción
(%)
4E-01
2.6033
80
Hasta el momento se tienen resultados parciales, que sin embargo son
alentadores respecto a la remoción de grasas empleando aire comprimido de burbuja
gruesa.
25
Informe Técnico Final SIP 20070834
3. Resultados de la cinética de tratamiento biológico de aguas residuales
crudas.
Los estudios cinéticos de los diferentes inóculos se demuestran en la grafica
1, donde el pH alcanza 7 unidades a los 32 días para el ARQ con AN y 33 días para
ARQ con el filtrado de la SUSPENSIÓN de estiércol al 10% mientras que el testigo
lo alcanza el pH= 7 hasta los 55 días. Esto podría inferir que se requieren 32 días
para arrancar propiamente el tratamiento biológico del agua de la industria quesera.
Grafica 1. Cinética de pH de los inóculos en función del tiempo.
9
pH 8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Tiempo (días)
ARQ+ ARde la PTAR
ARQ+ ARSL
ARQ+ AN
ARQ+ SUSPde estiércol al 10%
TESTIGO
En la misma grafica se observa una raya vertical punteada que significa que
hasta ese tiempo (59 días) se inició la adición de agua residual cruda, tomando en
cuenta los demás parámetros, observando que el pH se mantiene dentro del rango
de anaerobiosis de 6.5 a 7.3 (Arceivala, 1981).
Respecto a la remoción de nitrógeno orgánico, en la grafica 2, se observa que
26
Informe Técnico Final SIP 20070834
Grafica 2. Cinética de los inóculos respecto a Nitrógeno orgánico en
función del tiempo.
200
180
Nitrógeno org (m
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Tiempo (días)
ARQ + AR de la PTAR
ARQ+ ARSL
ARQ + AN
ARQ+ SUSP de estiercol al 10%
TESTIGO
El inóculo de las aguas residuales de la segunda laguna (ARQ + ARSL) tiene
una velocidad de decaimiento significativa al igual que el inóculo de la PTAR, lo que
podría implicar que estos serían los inóculos más apropiados para arrancar la planta
de tratamiento. El mismo comportamiento se observa cuando se adiciona ARQ a los
frascos.
Respecto del fósforo, los resultados de la cinética se muestran en la grafica 3,
donde nuevamente los inóculos de AR de la PTAR y de ARSL tienen una mayor
respuesta de consumo de fósforo por lo que fortalece la idea de emplearlos como
inóculos para el arranque de la planta de tratamiento de aguas residuales de la
industria quesera.
27
Informe Técnico Final SIP 20070834
Grafica 3. Cinética de los inóculos respecto del fósforo en
función del tiempo.
Fósforo (mg
70
60
50
40
30
20
10
0
0
20
40
60
80
100
Tiempo (días)
ARQ+ AR de la PTAR
ARQ + ARSL
ARQ+ AN
ARQ + SUSPde estiércol al 10%
TESTIGO
Finalmente, la cinética de la presencia de sólidos volátiles totales se muestra
en la grafica 4, donde se demuestra la presencia de los microorganismos
responsables de la disminución de nitrógeno y fósforo, principalmente, y que se
observa que existe una fase de adaptación aproximadamente de 30 días, a partir de
la cual se inicia una fase de crecimiento, que debido a la disminución ausencia de
nutrientes (graficas 2 y 3). Sin embargo, al adicionar ARQ, a los 61 días, se observa
un crecimiento muy alto debido al alto contenido de nitrógeno orgánico (202.3 mg/L)
y 113 mg/L de fósforo, respectivamente. Esto significa que es posible que la fase de
28
Informe Técnico Final SIP 20070834
arranque pueda durar entre los 35 y 40 días, lo cual es muy alentador para este tipo
de efluentes, los cuales se caracterizan por el alto contenido de materia orgánica.
Grafica 4. Cinética de los inóculos respecto de los Sólidos
Volátiles en función del tiempo.
SVT (mg/
0.04
0.035
0.03
0.025
0.02
0.015
0.01
0.005
0
0
20
40
60
80
100
Tiempo (días)
ARQ + ARde la PTAR
ARQ + ARSL
ARQ + AN
ARQ + SUSPde estiércol al 10%
TESTIGO
29
Informe Técnico Final SIP 20070834
7. CONCLUSIONES
De acuerdo a los objetivos planteados podemos concluir con los siguientes
puntos.
1. El diseño del prototipo logró una eficiencia de remoción de grasa de 79.3% y
70.42% a las 12 y 6 horas de tiempo de retención hidráulico, respectivamente,
aplicando un flujo laminar. Hasta el momento se tienen datos parciales del
flujo turbulento que realmente son alentadores, ya que a un Tr = 6 horas
alcanza una eficiencia de remoción de grasa de 80%, aplicando aire
comprimido con burbuja gruesa, el cual si se compara con el logrado por
Monroy, et al, (1995), aplicando la flotación con aire comprimido, él obtiene
70% de eficiencia en una planta de tratamiento. Esto permite predecir
resultados alentadores para cuando se proyecten estos resultados en la
construcción de un desnatador para planta de tratamiento de la industria
referida.
2. Los inóculos más adecuados para el tratamiento de las aguas residuales de la
industria quesera definitivamente fueron las aguas tratadas que proviene de la
segunda laguna de la planta de tratamiento de aguas residuales de la ciudad
de Durango, Dgo., ya que la velocidad de decaimiento del nitrógeno orgánico
y fósforo es alta.
3. De acuerdo a las cinéticas de crecimiento de los inóculos, es posible que la
fase de arranque de la planta de tratamiento se lleve a cabo entre 35 y 40
días, lo cual resulta muy alentador, ya que generalmente llegan a tardar hasta
3 meses, bajo condiciones anaerobias.
8. RECOMEDACIONES
1. De acuerdo a los resultados obtenidos en el prototipo de desnatador con los
dos flujos de alimentación se recomienda la aplicación del tipo DAF, ya que
existe mayor eficiencia de remoción de grasas del agua residual quesera.
30
Informe Técnico Final SIP 20070834
2. A fin de lograr mayor eficiencia de remoción de grasas es recomendable que
exista un tanque homogenizador antes del desnatador, el cual deberá
proporcionar una pérdida de calor del agua residual cruda, para beneficiar la
coalescencia de las grasas.
3. Como se pueden apreciar los valores fueron muy elevados con un valor de
13,340 μS/cm y por ello fue imperioso separar los efluentes salados y darles
un tratamiento por separado. Otra causa también muy importante fue que sino
se reducía la concentración esto incrementaría sin duda alguna la salinidad de
los suelos cuando se dispongan los efluentes tratados.
4. Para el diseño de un desnatador o desgrasador se recomienda que sea
cilíndrico con alimentación ascendente, de preferencia que tenga un sistema
de enfriamiento (chaqueta) para favorecer la remoción de la grasa, ya que al
bajar la temperatura del agua residual la grasa tiene a formar una
acolmatación.
5. Es indispensable realizar estudios de mercado o diseñar alternativas
tecnológicas para el reuso o disposición adecuada de las grasas y de los
sólidos sedimentables, ya que estos últimos tienen alto valor alimenticio.
31
Informe Técnico Final SIP 20070834
9. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
1. Alais Ch. (1970); Ciencia de la Leche: Principios de Técnica Lechera;
Compañía Editorial Continental , S.A. (C.E.C.S.A); Mexico. DF; pp. 73-74.
2. APHA-AWWA-WEF. 1995. Standard Methods for Examination of Water and
Wastewater. 19TH Edition. Washington, USA.
3. Arceivala, J. (1981). Wastewater treatment and disposal. McGraw Hill. USA
4. Bonnet J. L., P. Bogaerts and J. Bohatier (1999). Biological Treatment of
Whey by Tetrahymena Pyriformis and Impact Stdy on Laboratory- Scale
Wastewater lagoon Process. Chemosphere, Vol. 38, No. 13, pp. 2979-2993.
5. Chipasa, K.B. and Medrzycka K. (2006). Behavior of lipids in biological
wastewater treatment processes, J Ind Microbiol Biotechnol 33(8): 635-645.
6. Crites R. and G. Tchobanoglous. (2000); Sistemas de Manejo de aguas
residuales para Núcleos pequeños y Descentralizados; Tomo 2, Ed. McGraw
Hill, Colombia.
7. Fair, G.M.; J.C. Geyer and D.A Okun (1971). Elements of Water Supply and
Wastewater Disposal. Second Ed. Wiley Toppan, Singapore.
8. Metcalf & Eddy (1996); Wastewater Engineering. Treatment, Disposal and
Reuse. Ed. 3ª McGraw Hill. USA.
9. Monroy H. O. M.F. Vázquez. J.C. Derramadero and J.P. Guyot (1995).
Anaerobic-
Aerobic
Treatment
of
Cheese
Wastewater
With
National
Technology in Mexico: The case Of “El Sauz”. Wat.SCi.Tech Vol.32, No.12.
pp.149- 156.
32
Informe Técnico Final SIP 20070834
10. NMX-AA-005-1980 determinación de grasas y aceites recuperables en aguas
naturales, residuales y residuales tratadas.
11. NOM-001-SEMARNAT-1996; Que Establece los Limites Máximos Permisibles
de los Contaminantes en la Descarga de Aguas Residuales en Aguas y
Bienes Nacionales.
12. Omil F, J.M. Garrido, B. Arrojo and R. Méndez (2003).
Anaerobic Filter
Reactor Performance for the Treatment of Complex Dairy Wastewater at
Industrial Scale. Water Research 37; pp. 4099-4108.
13. Reynolds T. D (1983); Unit Operations and Processes in Environmental
Engineering. Ed. Ray Kingman, Boston.
14. Rusten B., A. Lundar, O. Eide and H. Odegaard (1993). Chemical
Pretreatment of Dairy Wastewater. Wat. Sci. Tech. Vol.28, No. 2, pp. 67-76.
Great Britain.
15. Rusten B., J.G. Siljudalen And H Strand (1996). Upgrading of a BiologicalChemical Treatment Plant for Cheese Factory Wastewater. Wat. Csi. Tech.
Vol. 34, No. 11. pp. 41- 49.
16. Vigueras Cortés, J.M., J.P. Flores Hernández, M. E. Pérez López, M.G.
Vicencio de la Rosa, I. Villanueva Fierro, A. Martínez Prado and J.Pinto
Espinoza. (2007). Preliminar evaluation of grease removal from wastewater
cheese
factory.
Proceedings
of
Chemical
Engineering
International
Symposium 2007. October 22-26, 2007. Durango, Dgo., México.
17. Winkler M. (1981). Biological Treatment of Wastewater. Edit. John Wiley &
Sons.
33