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 andy_sof29@hotmail.com

DIRECTORA: ING. LUCÍA MARGARITA MONTENEGRO AGUAS, MsC. lucia.montenegro@epn.edu.ec

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 x INTRODUCCIÓN xii

1 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 1

1.1 Proceso de producción de cárnicos y embutidos 1

1.1.1 La carne 1 1.1.2 Composición química de la carne 1 1.1.3 Aditivos y conservantes utilizados en la elaboración de productos

cárnicos 4 1.1.4 Procesos de producción de cárnicos y embutidos 7

1.1.4.1 Recepción de la materia prima 7 1.1.4.2 Picado o molido 8 1.1.4.3 Mezclado y amasado 9 1.1.4.4 Embutido 10 1.1.4.5 Cocimiento y ahumado 11 1.1.4.6 Enfriamiento 12 1.1.4.7 Empacado y etiquetado 13 1.1.4.8 Almacenamiento y distribución del producto terminado 13

1.2 Tratamientos de efluentes de industrias alimenticias 14

1.2.1 Principales contaminantes de aguas residuales en la industria de productos cárnicos 14

1.2.2 Tratamiento de efluentes de industrias cárnicas 16 1.2.2.1 Trampas de grasa 16 1.2.2.2 Lombrifiltro o biofiltro 18 1.2.2.3 Tamizado en tratamiento de aguas residuales 25 1.2.2.4 Flotación por aireación 26

1.2.3 Diseño de diagramas de proceso 29 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 31

1.2.5 Factibilidad económica de un proyecto 34 2 PARTE EXPERIMENTAL 37

2.1 Caracterización de las aguas residuales de una fábrica de embutidos 37

ii

2.1.1 Muestreo compuesto 37 2.1.2 Caracterización de las aguas residuales 38

2.2 Evaluación de un sistema de tratamiento con base en una trampa de grasa, un

biofiltro y flotación por aireación 39 2.2.1 Evaluación de la trampa de grasa a escala laboratorio 39 2.2.2 Evaluación de un lombrifiltro a escala laboratorio 40

2.2.2.1 Tamizado 41 2.2.3 Evaluación del sistema de flotación por aireación 42

2.3 Diseño de una planta de tratamiento de aguas residuales 43

2.3.1 Diseño de la trampa de grasa 43 2.3.2 Diseño del lombrifiltro 44

2.3.2.1 Determinación del área específica del aserrín 44 2.3.2.2 Determinación de la eficiencia del lombrifiltro 45 2.3.2.3 Diseño del tanque de almacenamiento 48 2.3.2.4 Diseño de un sistema de flotación por aireación 49 2.3.2.5 Diseño del agitador de la celda de flotación 50

3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 54

3.1 Caracterización de las aguas residuales de una fábrica de embutidos 54

3.1.1 Muestreo compuesto 54 3.1.2 Caracterización de las aguas residuales 57

3.2 Evaluación de un sistema de tratamiento con base en una trampa de grasa, un

biofiltro y flotación por aireación 59 3.2.1 Evaluación en la trampa de grasa a escala laboratorio 59

3.2.1.1 Tiempo de separación de aceites y grasas del agua residual 60 3.2.1.2 Diseño de la trampa de grasa 62

3.2.2 Resultados de la evaluación del lombrifiltro a escala laboratorio 63 3.2.2.1 Determinación del área específica del aserrín 64 3.2.2.2 Determinación la eficiencia del lombrifiltro 65 3.2.2.3 Orden de reacción en el lombrifiltro 72 3.2.2.4 Diseño del lombrifiltro 75 3.2.2.5 Aplicación de un tamiz a las aguas residuales 76 3.2.2.6 Dimensionamiento del tanque de almacenamiento 80

3.2.3 Evaluación de un sistema de flotación por aireación 80 3.2.3.1 Flotación por aireación a diferentes velocidades de agitación 80 3.2.3.2 Diseño de la celda de flotación 84 3.2.3.3 Diseño del agitador 85

iii

3.3 Diseño de una planta de tratamiento de aguas residuales 86 3.3.1 Diagramas del proceso 88 3.3.2 Dimensionamiento de tuberías y selección de bombas 91

3.3.2.1 Diagrama de instrumentación y tuberías 95 3.3.3 Evaluación económica 98

3.3.3.1 Costos de inversión 98 3.3.3.2 Costos por mano de obra 100 3.3.3.3 Costos variables 101 3.3.3.4 Costos de operación 101 3.3.3.5 Ingresos 102 3.3.3.6 Indicadores económicos 104

4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 107

4.1 Conclusiones 107 4.2 Recomendaciones 109 BIBLIOGRAFÍA 110

ANEXOS 123

iv

ÍNDICES DE TABLAS

PÁGINA

Tabla 1.1. Composición química de la carne de distintos animales

1

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

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

Tabla 3.3. Caracterización de los efluentes provenientes de la fábrica de embutidos en los tres días de muestreo

58

Tabla 3.4. Tiempo de separación gravitatoria de aceites y grasa del agua residual

61

Tabla 3.5. 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

Tabla 3.10

Alturas del lecho filtrante y concentraciones de DBO5 del efluente en el lombrifiltro para un caudal de 3,5 L/día

66

v

Tabla 3.11 Alturas del lecho filtrante y de DQO del efleunte en el lombrifiltro para un caudal de 1,5 L/día

68

Tabla 3.12. Alturas del lecho filtrante y DQO del efluente en el lombrifiltro para un caudal de 3,5 L/día

69

Tabla 3.13. Sólidos suspendidos del efleunte en el lombrifiltro para un caudal de 1,5 L/día

71

Tabla 3.14. Sólidos suspendidos del efluente en el lombrifiltro para un caudal de 3,5 L/día

72

Tabla 3.15. 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

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

78

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

Tabla 3.21. Sólidos suspendidos a una velocidad de agitación de 1 400 rpm

81

Tabla 3.22. Sólidos suspendidos a una velocidad de agitación de 1 200 rpm

82

Tabla 3.23. DBO5 del efluente a una velocidad de agitación de 1 400 rpm y 1 200 rpm

83

Tabla 3.24. 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

Tabla 3.28. Detalle de accesorios de las tuberías de la planta de tratamiento de aguas residuales

93

vi

Tabla 3.29. Detalles de bombas seleccionadas para el tratamiento de aguas residuales

94

Tabla 3.30. Parámetros económicos del proyecto de sistema de tratamiento de aguas residuales provenientes de una fábrica de embutidos

98

Tabla 3.31. Detalle de costos de inversión en equipos, tuberías e instrumentación

99

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

Figura 3.8. 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

Figura 3.15. 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

Figura AI. 1. 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

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 DBO5 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 debe tener

mínimo 50 mm y el de salida por lo menos 100 mm. El extremo final del

tubo de entrada del agua residual se debe encontrar sumergido por lo

menos 150 mm y el extremo del tubo de salida debe encontrarse hasta

una distancia mínima de 150 mm del fondo del tanque y con una sumergencia

de por lo menos 900 mm. La altura de la trampa de grasa está

representado por y la longitud del tanque por (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; corresponde a la altura

total del lombrifiltro y 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°2-

2014, 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 A y G 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…)

Parámetros Expresado

como Unidad

Límite máximo permisible

Alcantarillado Cauce de

agua

Cloroformo Ext. Carbón

Cloroformo ECC

mg/L 0,1 0,1

Cloruros CL- mg/L 1 000

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 30

Nitrógeno Total kjedahl

N mg/L 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

Límite máximo permisible

Alcantarillado Cauce de agua

Compuestos Organoclorados

Organoclorados

Totales mg/L 0,05 0,05

Organofosforados

Y carbamatos 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

Solidos suspendidos SS mg/L 100,0 80,0

Sólidos Suspendidos SS mg/L 100,0 80,0

(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).

Tiempo de recolección (s) =Volumen de muestra completa (L)

caudal promedio de las mediciones (L/s) número de mediciones 2.1

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 recolección Caudal 2.2

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 DBO5 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).

V= Q × TR × f

100 2.3

Donde:

V: Volumen de la trampa de grasa (m3)

Q: Caudal de descarga de aguas residuales (m3/s)

TR: Tiempo de separación gravitatoria (s)

f 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 = Ta Q 2.4

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 = As r 2.5

Donde:

l: Longitud de la trampa de grasa (m)

As: Área superficial de la trampa de grasa (m2)

r: Relación entre ancho/longitud (adimensional)

El ancho de la trampa de grasa fue determinado con la Ecuación 2.6 (Ayala y Díaz,

2008, p.188).

r = l

a 2.6

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 = As h 2.7

Donde:

V: Volumen de la trampa de grasa (m3)

h: Altura de la trampa de grasa (m)

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

Qn 2.8

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 DBO5

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 DBO5 permitida en la

Resolución Nº2-SA-2014 (Romero, 2001, p 589).

E = DBO0-DBOf

DBO0 2.9

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 =W1

F1

0,443 E

1-E

2

×f

100 2.10

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)

f: Factor de seguridad (%)

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

lnXA0

XA = k t 2.11

Donde:

XA Concentración de DBO5 a tiempo t (mg/L)

48

XA0 Concentración de DBO5 a tiempo 0 (mg/L)

k Constante cinética de la reacción (1/día)

t Tiempo (día)

Ecuación de segundo orden

1

X-

1

XA0= k t 2.12

Donde:

XA Concentración de DBO5 a tiempo t (mg/L)

XA0 Concentración de DBO5 a tiempo 0 (mg/L)

k Constante cinética de la reacción (L/mg día)

t Tiempo (día)

Ecuación de tercer orden

1

XA2 -

1

XA02 = k t 2.13

Donde:

A Concentración de DBO5 a tiempo t (mg/L)

XA0 Concentración de DBO5 a tiempo 0 (mg/L)

k Constante cinética de la reacción (L2/mg2 día)

t Tiempo (día)

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= 0,5 2.14

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).

Vt = V ×f

100 2.15

Donde:

Vt: Volumen total del tanque de almacenamiento (m)

V Volumen teórico del tanque de almacenamiento (m)

f 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)

D= 8 ×Vt

π

3 2.16

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

td = tlab× fd [2.17]

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 [2.18]

Donde:

V: Volumen de la celda (m3)

Q: Caudal del fluido (m3/h)

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 2.19

h = 2 × l 2.20

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 2.21

Donde:

A: Área del impeler (m2)

V: Velocidad superficial específica de agitación (m/s)

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).

Re =d2×Ni×δ

μ 2.22

Donde:

Re Número adimensional de Reynolds

d: Diámetro del impeler (m)

δ: Densidad del agua residual (kg/m3)

μ 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 × d 2.23

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°2-

SA-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

1 + i t

n

t=1- I0 2.24

Donde:

Vt Flujo de caja en cada período t (USD)

I0 Valor de desembolso inicial de la inversión (USD)

i: Tasa de interés de descuento (%)

n: número de períodos considerados (adimensional)

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

1 + i t

n

t=1- I0= 0 2.25

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 =6 L

0,289 Ls × 6

= 3,46 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

Nº muestras

Hora Alícuotas de muestra simple (mL)

Primer día Segundo día Tercer día

1 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

Nº muestras

Hora Caudal (m3/día)

Primer día Segundo día Tercer día

1 6:00 19 18 19

2 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…)

Nº muestras

Hora Caudal (m3/día)

Primer día Segundo día Tercer día

3 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.

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.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0:00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00

Ca

ud

al

(m3

/d)í

a)

Tiempo (h)

Primer día Segundo día Tercer día Caudal promedio

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 m3/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 físico-

químicos 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 DBO5 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 DBO5

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 DBO5 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

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

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

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 DBO5 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.

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.

0

200

400

600

800

1000

1200

0 5 10 15 20 25 30

DB

O5

(mg

/L)

Tiempo (h)

Caudal 3,5 L/d Caudal 1,5 L/d Norma ambiental (170 mg/L)

135 mg/L

113 mg/L

14

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

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 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

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 DBO5 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.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 5 10 15 20 25 30

DQ

O (

mg

/L)

Tiempo (h)

Caudal 1,5 L/d Caudal 3,5 L/d Norma ambiental (350 mg/L)

268,1 mg/L 239,9 mg/L

8

71

Tabla 3.13. Sólidos suspendidos del efluente en el lombrifiltro para un caudal de 1,5 L/día

Tiempo de retención

(h)

Altura del medio

filtrante

(cm)

Sólidos suspendidos

(mg/L)

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

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

Tiempo de retención (h)

Altura del medio

filtrante (cm)

Sólidos suspendidos

(mg/L)

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 .

Figura 3.9. Regresión lineal de la reacción de primer orden

y = -0,0962x + 6,4607R² = 0,8856

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

0 5 10 15 20 25 30

Ln

DB

O5

Tiempo de retención (h)

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.

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.

Figura 3.11.Regresión lineal de la reacción de tercer orden

y = 0,0005x + 0,0011R² = 0,9854

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

0,012

0,014

0 5 10 15 20 25 30

1/D

BO

5

Tiempo de retención (h)

y = 6E-06x - 1E-05R² = 0,963

-2,00E-05

0,00E+00

2,00E-05

4,00E-05

6,00E-05

8,00E-05

1,00E-04

1,20E-04

1,40E-04

0 5 10 15 20 25 30

(1/D

BO

5)^

2

Tiempo de residencia (h)

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

Tiempo de

retención (h)

DBO5 (mg/L) con 1,5 L/día

DBO5 (mg/L) con 3,5 L/día

Ensayo 1

Ensayo 2

Ensayo 3

Promedio Ensayo

1 Ensayo

2 Ensayo

3 Promedio

0 1 020,0 1 020,0 1 020,0 1 020,0±0,0 1 020,0 1 020,0 1 020,0 1 020,0 ±0,0

4 342,0 332,1 349,8 341,3±8,9 442,0 472,0 473,0 462,3 ± 17,6

8 235,8 215,0 228,0 226,3±10,5 322,6 315,9 328,0 322,2 ± 6,1

14 165,0 171,0 175.0 170,3±5,5 178,7 162,9 165,8 169,1 ± 8,4

17 154,0 159,3 140,5 151,3±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

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 DBO5, 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 DQO(mg/L) con 3,5 L/día

Tiempo de retención

(h)

Ensayo 1

Ensayo 2

Ensayo 3

Promedio Ensayo

1 Ensayo

2 Ensayo

3 Promedio

0 1 367,1 1 367,1 1 367,1 1 367,1 ±0,0 1 367,1 1 367,1 1 367,1 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

Sólidos suspendidos (mg/L) con

3,5 L/día

Tiempo de

retención (h)

Ensayo 1

Ensayo 2

Ensayo 3

Promedio Ensayo

1 Ensayo

2 Ensayo

3 Promedio

0 2 802,5 2 802,5 2 802,5 2 802,5 ± 0,0 2 802,5 2 802,5 2 802,5 2 802,5 ± 0,0

4 999,6 1 022,8 1 002,7 1 008,4 ±12,6 1 103,2 1 096,2 1 108,2 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

Tiempo de flotación

(min)

Sólidos suspendidos (mg/L)

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°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

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

Tiempo de flotación (min)

Sólidos suspendidos

(mg/L)

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 DBO5 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

Ensayo 2

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.

90

Fig

ura

3.1

4. D

iagr

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BF

D d

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de tr

atam

ient

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91

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3.1

5. D

iagr

ama

PF

D d

e la

pla

nta

de tr

atam

ient

o de

agu

as r

esid

uale

s

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 corriente

Nomenclatura Diámetro nominal (pulg)

Longitud (m)

ΔP

(Psi)

(m/s) 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

Denominación de la línea

Accesorio Cantidad Diámetro nominal (pulg)

3 19,1-AR-03-CS

SA

Válvula de cuatro vías

1 1/2

Codo de 90° 2 1/2

4 19,1-AR-04-SS

SA

Codo de 90° 3 1/2

Aspersor 1 1/2

5 19,1-AR-05-SS

SA

Codo de 90° 2 1/2

Aspersor 1 1/2

6 19,1-AR-06-SS

SA

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

10 19,1-AR-10-CS

SA

Válvula de Globo

1 3/4

Codo de 90° 1 3/4

11 19,1-AR-11-CS

SA

Válvula de Globo

1 3/4

Codo de 90° 2 3/4

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 corriente

Denominación 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.

97

F

igu

ra 3

.17.

Dia

gram

a P

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nta

de tr

atam

ient

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agu

as r

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uale

s

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 TG-

101 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) 24 634,66

(IESS, 2015)

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

Detalle Unidad Costo unitario

(USD) 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

Total 240,00 440,00

*(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

Ahorro

Concepto Remuneración

básicas unificadas (RBU) (USD)

N° RBU Visitas

mensuales Visitas anuales

Costo (Ahorro anual)

(USD)

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-SA-

2014 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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limpia). Universidad Técnica de Ambato, Tungurahua, Ecuador

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 Cantidad Medida Unidad Observaciones

Espectrofotómetro 1 600 nm Con adaptador de celda de 25 mm

de diámetro

Digestor 1 No aplica No aplica

Capacidad mínima de 25 tubos de

25 mm de diámetro que opere a

150 ºC

Tubos de

digestión 8 No aplica No aplica

Tubos de borosilicato con tapa

rosca resistente al calor y

contratapa de teflón.

Matraces 1 1 000 mL aforados

Pipetas

1 1 mL

Volumetricas

1 2 mL

1 3 mL

1 4 mL

1 5 mL

1 10 mL

Pipetas 1 10 mL Serológicas

(APHA, 2012)

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

Compuestos Cantidad Unidades Observaciones Preparación

Solucion Digestora

Agua Destilada 500 mL - 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

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 -

Solución de ácido sulfúrico

Sulfato de plata (Ag2S)

5,5 g - 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

Ácido Sulfúrico (H2 SO4)

1 kg -

Solución estándar de ftalato ácido de potasio, 500 mg O2/L

ftalato ácido de potasio (KHP),

42 mg - 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.

Agua destilada 10 mL -

(APHA, 2012)

Procedimiento:

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, mgO2

L=

N × 10

P AII.1

Donde:

N: mg de O2/L de la muestra leída de la curva de calibración

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 Cantidad Medida Unidad Observaciones

Botellas de

incubación 1 300 mL

Las botellas deben ser lavadas con

detergente, bien enjuagadas y

secadas antes de su uso

Incubadora 1 - -

Controlada termostáticamente a 20

1°C. Excluir toda luz para

prevenir la posibilidad de

producción de oxígeno, con

compensación 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

Compuestos Cantidad Unidades Observaciones Preparación

Solución buffer de fosfato

Fosfato de potasio monobásico (KH2PO)

8,5 g - 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.

Fosfato dipotasico 21,75 g -

Cloruro de amonio (NH4Cl)

1,7 g -

Agua destilada 500 mL -

Solución de sulfato de magnesio

Sulfato de magnesio (MgSO4)

22,5 g Disolver el sulfato de magnesio con agua destilada hasta 1 L Agua destilada 1 L -

Solución de cloruro férrico

Cloruro férrico (FeCl3)

0,25 g - Disolver el cloruro férrico y diluir a 1,00 L

Soluciones ácidas y alcalinas

Ácido Sulfúrico (H2 SO4)

28 mL - 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

Hidroxido de sodio (NaOH)

40 g -

Agua destilada 2 L -

(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 DBO5

DBO5=(ODi-ODf)×V

P AII.2

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 =p2-p1 ×100

V AII.3

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=P2-P1 ×1000

V AII.4

Donde:

: Peso del filtro preparado (mg)

: Peso del filtro más el residuo seco a 103°C (mg)

: Volumen de la muestra (mL)

139

ANEXO III

PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LOS FILTROS

PERCOLADORES

Tabla AIII.1 Principales características de filtros percoladores

Características Tasa baja o

estándar Tasa

intermedia Tasa alta

Torres biológicas

Desbaste

Carga hidráulica m3/m2 d

0,08-2,50 4,00-9,00 9,00-37,00 14,00-240,00 57,00-171,00

Carga Orgánica kg DBO5/m3 día

0,1-0,3 0,2-0,5 0,3-1,8 4,8 >2,0

Medio Piedra, escoria

Piedra, escoria

Piedra, escoria, sintético

Sintético Piedra o sintético

Profundidad 1,5-3,0 1,0-2,5 0,9-2,5 12,0 0,9.6,0 Relación de circulación

0,0 0,5-2,0 0,5-4,0 1,0-4,0 0,0

Dosificación Intermitente Continua Continua Continua Continua % de remoción 80,0-85,0 50,0-70,0 40,0-80,0 65,0-85,0 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 Sólidos suspendidos

0,1-0,2

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

0,3-0,5

Mayoría de aplicaciones de suspensión de sólidos y de disolución · Suspenderá sólidos sedimentables

· Adecuado para vaciar suspensiones en locaciones con boquillas

0,6-0,8 Distribución uniforme de sólidos

· Proporciona una distribución uniforme

0,9-1,0

Máxima velocidad factible · Proporcionará uniformidad en las suspensiones

· Adecuado para vaciar suspensiones por medio de desbordamiento

(Walas, 2012, p.294)

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

día; dato proporcionado por la empresa

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 = 25m3

d×

1d

24h×

1h

3 600s×312 s × f

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

1Ls

× Q

144

Área superficial =0,25

1Ls

0,289L

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 = 1 L2

largo = 0,0723 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

0,0723 m2

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 = DBOo-DBOf

DBOf

E =1 020 mg/L-135 mg/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

V1 =W1

F1

0,443 E

1-E

2

× f

Se determinó la carga orgánica en el filtro con la Ecuacion AVIII.1

W1 = DBOo × Caudal AVIII.1

146

W1 = 1,02kg

m3 × 8,3m3

d

W1 = 8,5kg

d

V1 =8,5

1

0,443 0,87

1- 0,87

2

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 =3,60 D

0,340,33

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 AVIII.1

Donde:

hlecho: Altura del lecho (m)

D: Altura total del filtro (m)

Por lo tanto,

hlecho= 0,55 × 2,72 m

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 AVIII.2

Donde:

As: Área superficial del lombrifiltro (m2)

V: Volumen del lombrifiltro (m3)

h 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

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

D= 0,5

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

D= 8 × 28,75 m3

π

3

D = 4,2 m

Para calcular la altura del tanque se utilizó la Ecuación 2.14

H

4,2= 0,5

H = 2, 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,

V = 25m3

dí×

1 d

24 h×40min×

1 h

60 min

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 a l AX.1

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

Di = 0,5 AX.2

Donde:

d: Diámetro del impeler (m)

151

Di: Lado de la celda de flotación (m)

Por lo tanto,

d

0,7 m= 0,5 m

d = 0,35 m

Se determinó el área del impeler con la Ecuación AX.3

A =π×d2

4 AX.3

Donde:

d: Diámetro del impeler (m)

Por lo tanto,

A =π×0,352

4

A = 0,096 m2

Se obtuvo el caudal de agitación mediante la Ecuación 2.21.

Q = 0,096 m2×0,06m

s

Q = 0,0058m3

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 Np (visto en gráfico)

Ni (rps)

1,00 12 2500 4,8 1,03

1,03 12 6254,04 5 1,02

1,02 12 4547,69 5 1,02

1,02 12 4547,69 5 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

1 000 kg/m3×1,023×0,355

P = 27,86 W

Se calculó la potencia para la capacidad de la celda de flotacion

P = 0,04kW

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 AXI.1

Se consideró δ = 1 000 kg/m3

m agua residual = Qagua residual × δagua residual AXI.1

m agua residual = 25m3

día×1 000

kg

m3 = 25 000 kg

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

m1 sólidos suspendidos = C sólidos suspendidos × Q agua residual AXI.2

154

m1sólidos suspendidos = 3 130,5mg

L × 25

m3

día ×

1 000L

m3 × 1g

1 000mg ×

1 kg

1 000g

m1 sólidos suspendidos = 78,26 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.

m1grasas = C grasas × Q agua residual AXI.3

m1 grasas = 2 159,0mg

L × 25

m3

día×

1 000L

m3 ×1g

1 000mg×

1 kg

1 000g

Grasas = 53,97kg

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

m1 grasas = m2 grasas + m3

m2 grasas = 53,97kg

día- 25 000

kg

día×

m3

1 000 kg× 0,061

kg

m3

m2 grasas = 52,44 kg

día

155

· Flujo másico de sólidos

m1 sólidos suspendidos = m2 solidos + m3

m2 sólidos suspendidos = 78,26kg

día - 25 000

kg

día×

m3

1 000kg× 2,80

kg

m3

m2 sólidos suspendidos = 8,26 kg

día

· Flujo másico de la corriente 2:

m2 = m grasas + m sólidos

m2 = 52,44 kg

día + 8,26

kg

día

m2 = 60,70kg

día

Corriente 3

· Flujo másico del agua residual

Utilizando el balance general se calculó el flujo másico del agua residual en la

corriente 3.

m = m + m

m3 = 25 000kg

día- 60,7

kg

dia

m3 = 24 939,3kg

d

156

· Flujo másico de sólidos

Se determinaron los flujos másicos de sólidos suspendidos, grasas en la corriente

3 mediante la Ecuación AXI.4 a partir de los resultados obtenidos en la

caracterización de los efluentes después de la trampa de grasa.

m flujo másico de sólidos = C sólidos suspendidos× Q agua residual AXI.4

m sólidos suspendidos = 2 802,53mg

L× 25

m3

día×

1 000L

m3 ×1g

1 000mg×

1 kg

1 000g

m sólidos suspendidos = 70,06kg

día

· Flujo másico de grasas

El flujo másico de las grasas se determinó con la Ecuación AXI.5

m grasas = C grasas × Q agua residual AXI.5

m grasas = 61,3mg

L× 25

m3

día×

1 000L

m3 ×1g

1 000mg×

1 kg

1 000g

m grasas = 1,53kg

día

Corriente 4

Para determinar los flujos másicos de la corriente 4 se utilizó el balance general

m = m + m

m4 = 24 939,3kg

día- 29,28

kg

día

157

m4 = 24 910,02kg

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

AXI.6

· Flujo de masa de sólidos suspendidos

m4 sólidos suspendidos = C sólidos suspendidos× Q agua residual AXI.6

m sólidos suspendidos = 852,2mg

L×25

m3

día×

1 000L

m3 ×1g

1 000mg×

1 kg

1 000g

m4 sólidos suspendidos = 21,3kg

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

m humus = 0,6× 48,81kg

día= 29,28

kg

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.

m5 = m6 = 24 910,02kg

día

· Flujo de masa de sólidos suspendidos

m sólidos suspendidos = 21,30kg

día

Corriente 7

Se realizó el balance general para determinar los flujos másicos

m = m + m

· Flujo másico de sólidos suspendidos

m6sólidos suspendidos = m7 sólidos suspendidos + m8sólidos suspendidos

m7 sólidos suspendidos = 21,3kg

día- 2,2

kg

día

m sólidos suspendidos = 19,1kg

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

m8 = 24 910,02kg

día- 19,1

kg

día

m8 = 24 890,92kg

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 AXI.7

· Flujo másico de sólidos suspendidos m8 sólidos suspendidos = C sólidos suspendidos × Q agua residual AXI.7

m sólidos suspendidos = 88mg

L×25

m3

día×

1 000L

m3 ×1g

1 000mg×

1 kg

1 000g

m sólidos suspendidos = 2,2kg

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

Fluido Aplicación

Rango

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…)

Fluido Aplicación Rango

Bajo Alto m/s m/s

Agua Flujo por gravedad 0,6 0,9 Agua Recirculación de agua caliente - 0,9 Agua Descarga de bombas reciprocantes 1,5 3,0 Agua Succión de bombas reciprocantes 0,6 1,5 Agua Agua de mar 1,5 3,7

(Silowash, 2010, p. 267)

Vasumida = 1,2 m

s

Se calculó el área de la tubería con la Ecuación AXII.1

A= Q

Vasumida AXII.1.

Donde:

Q: Caudal que circula por la tubería (m3

s)

A: Área de la tubería (m2)

Vasumida : Velocidad asumida m

s

Por lo tanto,

A= 0,00029 m3 s

1,2 m s

A = 0,000024 m2

Se determinó el diámetro de la tubería con la Ecuación AXII.2

162

d =4×A

π AXII.2

Donde:

A: Área de la tubería (m2)i

di: Diámetro de la tubería (m)

Por lo tanto,

di =4×0,000024 m2

π

di 017

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 AXII.3

Donde:

Di: Diámetro interno (mm)

Dex: Diámetro externo (mm)

e: espesor (mm)

Entonces, se tiene que:

Dex = 17,54 mm 2 2,77 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×0,0158 m 2

4AXII.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=ρ

fluido× vfluido×d

μfluido

AXII.5

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

Re=1 000 kg m3 × 1,48

ms ×0,0158m

0,001kgms

Re = 23 384

Se determinó la rugosidad relativa del acero inoxidable mediante la Ecuación AXII.6

Rugosidad relativa = ε

dAXII.6

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

LTDT

× V2

2g

AXII.7

Donde:

f: Factor de fricción

hf: Caídad de presion (m)

LT: Longitud de la tubería (m)

DT: Diámetro interno de la tubería (m)

167

Velocidad del fluido (m/s)

G: Gravedad (m/s2)

Por lo tanto,

hf = f ×LT

DT×

V2

2g

hf = 0,018 ×1m

0,0158 m×

1,482 m2

s2

2×9,8 m s2 = 0,12m

· Modificación de las unidades de caída de presión

γ =δfluido×g=1 000kg

m3 ×9,8m

s2 = 9 800N

m3

∆P = 0,12 m×9 800N

m3 = 2 636,90 Pa= 0,17 psi

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).

HB + Z1+P1

γ+

V12

2g= Z2+

P2

γ+

V22

2g +hfs AXIII.1

Donde:

Zi: Elevación del punto i (m)

Pi: 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 ( a 0 y al tratarse de un

fluido incompresible y considerando una tubería de sección constante, la ecuación

de la continuidad determina que , por lo tanto se tiene la siguiente Ecuación

AXIII.2

NPSHdis= P1-PV

ρ×g-Z-hfs AXIII.2

Donde:

P1: Presiona en el nivel de aspiración (Pa)

Pv: Presión de vapor del fluido (2330,47 Pa) a T=20ºC,

ρ 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

NPSHdis= 71 940,75

kgms2

9 800 kg

m2s2

-2 330,47

kgms2

9 800 kg

m2s2

-2,74 m - 0,011m

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

NPSHdis= 71 940,75

kgms2

9 800 kg

m2s2

-23 30,47

kgms2

9 800 kg

m2s2

-2,0 m-0,012m

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.

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Figura AXIII.1. Especificaciones de bombas centrífugas (Arancia, 2011, p. 11)