Diseño de una planta de tratamiento de agua residual industrial de una procesadora avícola

DISEÑO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA

RESIDUAL INDUSTRIAL DE UNA PROCESADORA

AVICOLA

INTRODUCCION

“restaurar y mantener la integridad química, física y biológica de las aguas de la nación” Congreso de los Estaos Unidos de Norte América 1972,

Federal Water Pollution Control Act Amendments

Aunque los problemas de contaminación estarán presentes durante el futuro previsible, un asunto muy importante para los países desarrollados continúen su estilo de vida y los países en desarrollo alcancen uno similar se relaciona con la sustentabilidad. Es decir, la forma en que se mantiene un ecosistema a la luz de los grandes agotamientos de los recursos naturales. Si en la perspectiva de los sistemas se ve más allá de la sencilla idea de controlar la contaminación y se arriba a la idea más amplia de conservar el ambiente, se advierte que hay mejores soluciones a los problemas ambientales [1].

“Desde que el hombre existe en la tierra, sus actividades han dejado huella en el medio que lo rodea. Entre los seres vivos es el único capaz de modificar su entorno natural para adaptarlo a sus necesidades debido a su capacidad de raciocinio y a medida que ha crecido la población humana también ha ido creciendo esta capacidad de adopción que se consolida con el desarrollo de nuevas tecnologías.” (Javier Arellano Díaz, 2009)

El éxito y posterior incremento de las industrias alimenticias han contribuido con el aumento de la población humana, con la mejora de la dieta y sobretodo con el facilismo de la obtención de los alimentos, pero esta actividad también tiene un impacto negativo que no fue tomado en cuenta sino hasta muchos años después, por falta de conocimiento en los efectos que ciertas sustancias pueden producir en el medio ambiente.

Entre los productos alimenticios, las procesadoras de cárnicos están entre las más abundantes y más contaminantes. Entre ellas las de mayor éxito son las industrias procesadoras avícolas por sus características nutricionales y especialmente porque no tiene restricciones políticas, ideológicas, culturales o religiosas como pueden tener los derivados de otros animales. Estos factores han contribuido que en el mundo se produzcan más de 30000 millones de pollos por año y que en américa latina se consuman un promedio de 30 a 80

lb/cápita por año, entre los más altos a nivel mundial (Dr. Amir H. Nilipour, 2010)

En el Ecuador abundan los criaderos y procesadoras avícolas con pequeñas capacidades de producción que no cumplen con tratamientos de aguas residuales, esto complica el control ambiental, sin embargo también existen las empresas, principalmente las grandes que cumplen con estas normas, entre ellas tenemos a PRONACA S.A., la procesadora de alimentos más grande a nivel nacional con su planta de proceso en la parroquia de Yaruqui, sector de Getsemaní. La procesadora segunda en importancia en la zona sierra es INTEGRACION AVICOLA ORO y sea por casualidad o no, su planta también se encuentra en la parroquia de Yaruqui, barrio Santa Rosa.

El diseño de nuestra planta se basa en el agua residual obtenida del proceso de visera do y desprese de pollos y pavos y del desprese de cerdos en la empresa INTEGRACION AVICOLA ORO. Como datos generales de la planta de proceso se puede señalar que esta tiene una edad de 15 años, utiliza agua de vertiente administrada por la junta de aguas de la parroquia, devuelve su agua tratada al rio Pisque. Esta es una planta que trabaja a una jornada (07:00 – 17:00) con una producción de 15000 pollos al día durante los primeros 6 meses del año y de 10000 pollos y 1500 pavos al día durante los últimos 6 meses. Sus aguas residuales contienen detergentes, grasas, heces, restos no solidos de viseras, sangre y plumas. Los residuos sólidos no son desechados porque son la materia prima de harinas y balanceados para los galpones de los criaderos avícolas.

Yaruqui con una población de 15000 habitantes es una parroquia que se encuentra ocupada por empresas agropecuarias, como las dos procesadoras de cárnicos que se ha señalado, florícolas, plantaciones de frutilla, brócoli y otros. De aquí la importancia de que se realice correctos tratamientos ambientales para la seguridad y salud de la parroquia y su población.

ADMINISTRACION DE AGUA

Para el diseño de la planta de tratamiento de agua residual, nos enfocaremos desde un punto de vista administrativo. Es decir, definiremos organizadamente un diagrama de flujo como trabajar en conjunto Figura 1-1.

FIGURA 1-1. SISTEMA ADMINISTRATIVO DE AGUA (Fuente: Linsley, R. K.,

Fanzini, J., B., Water Resources Engineering, McGraw-Hill, Nueva York, 1979.) Es mediante la figura 1-1 la cual se debe llevar a cabo la Administración de Agua, sea en una ciudad por medio de su alcalde o una industria por medio de su gerente general. La fuente de agua residual es industrial y cada paso son subsistemas, manejar el conjunto de subsistemas garantizan la sustentabilidad. En el Subsistema del Tratamiento de Agua seguiremos la figura 1-2.

Fuente de Agua residual Procesamiento en el sitio Recolección del agua residual. Transmision y Bombeo Tratamiento Disposición o reutilizacion

FIGURA 1-2. GRADOS DE TRATAMIENTO (Fuente: Davis, M. L. and

Cornwell, Introducction to Environmental Engieering, 3ª. Ed., McGraw-Hill, Nueva York, NY, p. 362, 1998.)

Cada tratamiento de la figura 1-2 tiene un objetivo específico, que será explicado más adelante. Como dato de partida para el modelado de la planta es la caracterización del agua residual, la cual procederemos a encontrar en el laboratorio. Los cálculos y diseño de los componentes de planta de tratamiento estarán en función de la DBO5, los estándares de la calidad de agua cumpliendo normas internacionales.

PALABRAS CLAVES

Sustentabilidad

Sistema Administrativo de Agua Subsistema de Tratamiento de Agua Caracterización del Agua Residual. DBO5

Calidad de Agua

REFERENCIAS

[1] Davis, M. L. and Masten, S. J., Ingeniería y Ciencias Ambientales, 1ra. Ed., McGraw-Hill, Mexico, 2007. •Rejas •Cámara de desarenador •Estanque de igualación TRATAMIENTO PREVIO •Sedimentacion Primaria TRATAMIENTO PRIMARIO •Tratamiento Biológico •Sedimentador Secundario TRATAMIENTO SECUNDARIO •Tratamiento avanzado de residuos TRATAMIENTO TERCIARIO

CARACTERISTICAS DEL PROCESAMIENTO AVICOLA

Los mataderos y procesadoras avícolas tienen como principal problema los residuos liquidos, principalmente el agua sangre, el cual dependiendo de la industria puede ser utilizado para la obtención de balanceados. En el caso que estamos tratando, esta es re direccionada a un horno que evapora y seca la sangre.

“En el caso de los mataderos, la mayor parte de los residuos generados están constituidos por estiércol de los animales (84%), puesto que existe un

aprovechamiento intensivo de pezuñas, cueros, huesos, etc.” (C. A. Zaror, 2000).

Figura Procesamiento primario de aves (C.A. Zaror, 2000)

Corrales de

animales • Excrementos

Matadero • Sangre y excrementos

Remocion

de plumas • Plumas y cuero Corte y

desvicerado • Visceras y recortes carneos Corte y deshuesado • Huesos y recortes carneos Carne en trozos y otros productos carneos. • Recortes carneos

PROYECCIONES FUTURAS.

La planta de proceso de la Empresa INTEGRACION AVICOLA ORO tiene una edad de 15 años, por muchos años su función fue exclusivamente el proceso de pollos, pero en los últimos 3 años esta ha tenido un gran crecimiento, especialmente por la implementación del proceso de Pavos y cerdos, áreas de la empresa que todavía están en crecimiento.

Actualmente la empresa procesa unos 10000 pollos diarios en temporada baja produciendo asi aguas residuales en caudales que tienen un promedio de 7 l/s.

El diseño de la planta de aguas residuales se lo va a hacer tomando en cuenta un crecimiento del 50 % en los próximos 10 años, es asi que el caudal con el que se va a trabajar será.

CALCULO DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO

TRATAMIENTO PREVIO

“Los pretratamientos de aguas residuales implican la reducción de solidos en suspensión o el acondicionamiento de las aguas residuales para su descarga bien en los receptores o para pasar a un tratamiento secundario a travez de la neutralización u homogenización” (R. S. Ramalho, 1990).

CRIBADO Funcion

Las cribas, mallas o rejillas son las encargadas de remover los solidos disueltos grandes que puedan afectar los equipos y obstruir los conductos en términos

Criba o Tamiz Homogenización neutralización Trampa de

generales. El diseño de estas rejillas se lo hace tomando en cuenta que se necesita de aceros inoxidables para resistir la corrosión. En nuestro proyecto la cantidad de solidos gruesos es baja debido a que la mayor parte de estos nunca sale de la planta ya que es reutilizado para la producción de balanceado. “Las rejillas o cribas de gruesos tiene aberturas que pueden oscilar entre 1 y 9 cm.” (R. S. Ramalho, 1990).

En el diseño de las cribas se debe determinar la anchura del canal y de las barras de la criba, sobre la base de la velocidad requerida para evitar la sedimentación de los sólidos. (C.A. Zaror, 2000)

Los solidos deben ser removidos mecanicamente de forma continua, el diseño se basa en la siguiente ecuación:

Donde:

W = ancho del canal (m)

F = flujo (m3/s)

v = velocidad a través de las barras (m/s)

H = profundidad del canal (m)

b = factor empírico:

2,0 para espaciamientos de 12 mm; 1,7 para espaciamientos de 18 mm;

1,5 para espaciamientos de 24 mm. (C.A. Zaror, 2000)

Criterio de diseño:

 El diseño se lo hace en base a un espaciamiento de ½ “ o 12 mm con el

fin de retener solidos grandes y trozos enteros de carne y plumas que pueden estar presente en el agua residual.

 Se desea que la profundidad en el canal y el cribado sea constante, variando asi solo el ancho, para esto tomamos la profundidad del canal de 20 cm.

 Para evitar la sedimentación la velocidad a través de las barras debe ser superior de 0,5 m/s, para nuestro caso la velocidad deseada en el canal y cribado va a ser de 7 m/s. Remplazando los datos tenemos:

Obtenemos una criba de 14 cm de ancho, con una profundidad de 20 cm en el canal y con espaciamiento de las barras de ½ pulgada.

“Los residuos solidos generados en el tamizado grueso, los cuales son recolectados sobre rejillas de ½” o mas, están compuesto básicamente de residuos solidos como rocas, ramas, pedazos de madera, hojas de arboles, papel, raíces de arboles, plásticos y trapos, también puede retener algo de materia organica” . (Tchobanoglous, 2000)

Espaciamiento Contenido humedad

Peso especifico

Volumen de residuos del cribado, pie3/Mgal

Pulg. % Lb/pie3 Intervalo Usual

0,5 60 - 90 40 - 68 5 - 10 7

Tabla Informacion usual sobre las características y cantidades de residuos del tamizado grueso removidos con ayuda de rejillas (Tchobanoglous, 2000)

REJILLA

ANCHO LARGO ESPACIAMIENTO

m m m

0,14 0,2 0,012

Tabla de dimensiones para la rejilla requerida.

Comprobacion de valores ⇒

Con estas dimensiones se asegura que la velocidad del flujo no va a producir sedimentación.

TRAMPA DE GRASAS Y ACEITES Funcion

La trampa tiene la función de separar los solidos suspendidos menos densos tal como grasas y aceites, esto se basa en la flotación.

“La separación se lleva acabo introduciendo un gas (normalmente aire) en la fase liquida, en forma de burbujas. La fase liquida se somete a un proceso de presurización para alcanzar una presión de funcionamiento que oscila entre 2 y 4 atm. Luego este liquido saturado de aire se somete a un proceso de

despresurización llevándola a la presión atmosférica a través de una valvula reductora de presión. Debido a la despresurización se forman pequeñas burbujas de aire que se asocian a los solidos en suspensión obligándolos a flotar.” (Ramalho R.S., 1990)

Figura. Sistema de flotación sin recirculación (Ramalho R.S., 1990)

Criterio de diseño

*Tomado de (Tratamiento de aguas residuales, Ramalho R.S., 1990)

Calculo de la presión de funcionamiento

[( ) ]

P: presion de funcionamiento en atmosferas.

f : factor de diseño del tanque de retencion, varia entre 0,5 y 0,8. A/S: relacion entre el aire utilizado y los solidos suspendidos. Xo: concentracion de solidos suspendidios.

Sa: solubilidad del aire en agua cm3/litro

 El factor A/S o relación entre aire utilizado y solidos suspendidos puede ser determinado por datos de laboratorio o de la siguiente grafica.

Figura Correlacion típica del parámetro A/S en función de SS en efluente (Ramalho R.S., 1990)

Ingresando a la tabla con un valor de 75 mg/l de SS en efuente, obtenemos un A/S de 0,004

( )

 Factor de relación tomamos un valor de 0,7

 La concentración de solidos suspendidos es 19380

 La solubilidad del aire es un valor constante.

Remplazando se tiene:

[

]

Calculo del área de sección de la unidad de flotación

Donde:

Auf: Area de la unidad de flotación.

Qentrada: Caudal de ingreso (afluente)

Fc: Factor de carga volumetrica

 El factor de carga volumétrica se toma de un rango permisible para unidades de flotación. (Ramalho R.S., 1990)

Reemplazando los datos:

Se obtiene una unidad de flotación con una presión necesaria de 6,364 atmosferas y de 3 m2 de área.

Unidad de flotación

Presion Largo Ancho Profundidad

atm m M M

1,598 1,50 2,00 1,00

Tabla de características para la unidad requerida.

Tanque de retención

 En el tanque de retención el tiempo de retención hidráulico debe ser un valor pequeño ya que se busca solo una correcta homogenización del aire en el agua residual.

 Para un tanque de retención de 2m de altura se procede a calcular el diámetro del tanque.

√

⇒ √

Tabla de características para la unidad requerida.

Comprobacion de valores

 Para el diseño del tanque de retención se asegura un tiempo de retención hidráulica de 5,132 min.

HOMOGENIZADOR Función:

La variación del caudal de aguas residuales que entra a la planta con respecto al tiempo, especialmente cuando la planta de proceso no se encuentra funcionando es un factor que debe ser tomado en cuenta, con el fin de igualar el caudal se construyen tanques homogenizadores.

“La igualación del flujo mejora mucho la eficiencia de una planta en funciones y aumenta su capacidad útil. En las plantas nuevas la igualación del flujo reduce el tamaño y el costo de las unidades de tratamiento” (Mackenzie, 2004)

Con los datos entregados por INTEGRACION AVICOLA ORO con su planta en Yaruqui, indicados en la siguiente tabla se procederá al diseño del tanque homogenizador . TIEMPO CAUDAL H (m3/s) 0,00 0 1,00 0 2,00 0 3,00 0 4,00 0 5,00 0 6,00 0 7,00 0,006 8,00 0,006 9,00 0,01 10,00 0,01 11,00 0,01 12,00 0,01 13,00 0,01 14,00 0,01 15,00 0,01 16,00 0,01 17,00 0,01 18,00 0,006 19,00 0 20,00 0 21,00 0 22,00 0 23,00 0

Grafica Flujo (m3/s) en función del tiempo en la planta de proceso avícola Oro

Criterio de diseño:

Calculo de caudal promedio

Este caudal va a ser el de la salida del homogenizador y entrada al tratamiento primario.

Calculo del volumen

TIEMPO CAUDAL VOLUMEN

VOLUMEN SALIDA ΔV ΣΔV H (m3/s) m3 m3 m3 m3 7,00 0,006 21,6 16,2 5,4 5,4 8,00 0,006 21,6 16,2 5,4 10,8 9,00 0,01 36 16,2 19,8 30,6 10,00 0,01 36 16,2 19,8 50,4 11,00 0,01 36 16,2 19,8 70,2 -0.002 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 Cau d al m 3/s Tiempo h

caudal vs tiempo

12,00 0,01 36 16,2 19,8 90 13,00 0,01 36 16,2 19,8 109,8 14,00 0,01 36 16,2 19,8 129,6 15,00 0,01 36 16,2 19,8 149,4 16,00 0,01 36 16,2 19,8 169,2 17,00 0,01 36 16,2 19,8 189 18,00 0,006 21,6 16,2 5,4 194,4 0,00 0 0 16,2 -16,2 178,2 1,00 0 0 16,2 -16,2 162 2,00 0 0 16,2 -16,2 145,8 3,00 0 0 16,2 -16,2 129,6 4,00 0 0 16,2 -16,2 113,4 5,00 0 0 16,2 -16,2 97,2 6,00 0 0 16,2 -16,2 81 19,00 0 0 16,2 -16,2 64,8 20,00 0 0 16,2 -16,2 48,6 21,00 0 0 16,2 -16,2 32,4 22,00 0 0 16,2 -16,2 16,2 23,00 0 0 16,2 -16,2 6,3949E-14

Tomando el mayor volumen de almacenamiento que va a tener el tanque y multiplicándolo por un factor de seguridad se tiene:

Grafica Volumen de almacenamiento en el tanque homogenizador con respecto al tiempo. 0 50 100 150 200 250 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 Vo lu m e n Hora

Dimensionamiento:

Asumiendo una profundidad de 3 m se tiene: Tanque cilíndrico: √ √ HOMOGENIZADOR Profundidad (m) 3 Diametro (m) 10,30

Tabla de características para la unidad requerida.

MEZCLADOR

Diámetro de la turbina (paletas)

Donde:

D diámetro del tanque d diámetro de las paletas

Longitud de las paletas de la turbina.

B Longitud de paletas d diámetro de la turbina

Ancho de las paletas de la turbina

Donde:

W Ancho de las paletas. d diámetro de la turbina. Potencia requerida: Donde: P potencia requerida (W) G Gradiante de velocidad (1/s) Volumen total de la camara µ viscosidad absoluta del agua

 Para tiempos de retención hidráulica altos, el valor del gradiente de velocidad es de 700 1/s o menor. (Villegas, 2004).

( ) MEZCLADOR DIAMETRO 3,5 m NUMERO DE PALETAS 6 ANCHO DE PALETAS 0,7 m LONGITUD DE PALETAS 0,88 m REVOLUCIONES 10 rev/min POTENCIA 155,862 KW

Tabla de características para la unidad requerida.

AIREADOR

En purificación de aguas se diseñan aireadores del tipo contacto liquido-gas, es decir, sistemas en los cuales se expone el agua al aire en pequeñas gotas o en laminas delgadas. (Villegas, 2004).

Selección

Para las dimensiones de la planta y el caudal de agua residual a tratar se selecciona el aireador.

AIREADOR

MODELO Flygt jet aerator

MARCA ITT

CAPACIDAD 2 – 21 kg/O2 por hora

MEDIDOR DE PH

Es importante la implementación de sistemas de control del ph y la alcalinidad. Debido a la producción de CO2, los procesos de lodos activados tienen una capacidad limitada para neutralizar aguas residuales alcalinas (Ramalho, 1990) Es por esto que en nuestro diseño hemos decido implementar un medidor de ph, a pesar de que en nuestra caracterización obtuvimos un valor de ph que esta dentro de los rangos aceptados.

Selección.

MEDIDOR DE PH

Marca METTLER TOLEDO

Modelo Ingold

Caracteristicas  Instrumentos de proceso altamente versátiles

 Puede configurar un sistema de medición de pH completo garantizando un alto nivel de

seguridad del proceso.

TUBERIA

El diseño de la tubería se lo hace a partir de la velocidad de flujo y del caudal del tratamiento primario. (Crane, 1986)

⇒

TUBERIA Material PVC Diametro 4” (0,102 m) Comprobacion de valores

 Con esta velocidad de flujo en los tubos, se comprueba de que no va a

ser menor a 0,5 m/s y por lo tanto no va a sedimentarse en la tubería.

Bombas

Potencia requerida.

Donde:

P Potencia teorica W

Hb Altura + longitud equivalente de tubería

densidad kg/m3 Q caudal m3/s Potencia en hp:

 Se seleccionara la bomba con potencia de 1 hp.

Accesorios

Accesorio Cantidad

Valvulas ½ vuelta de 4” 6

Bomba de 1 Hp 3

 VILLEGAS, Maria paulina. PURIFICACION DE AGUAS 2004

 RAMALHO, Rubens, TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES.

 ARRELLANO, Javier. INTRODUCCION A LA INGENIERIA AMBIENTAL.

 CRANE. FLUJO DE FLUIDOS EN VALVULAS Y ACCESORIOS 1986.

 ZAROR, Claudio. INTRODUCCION A LA INGENIERIA AMBIENTAL

PARA LA INDUSTRIA DE PROCESOS.

Epa

Ambiental.mec@gmail.com Mecanica10