Estanque MULTIPRO. Un Desarrollo Innovativo en la Producción de

Trucha

J. E. Fernández Mera, Ph.D. Departamento de Ingeniería Sanitaria y Ambiental, Facultad de

Ingeniería Civil, Universidad del Cauca, jefernandez@unicauca.edu.co

J.R. Caicedo Bejarano Ph.D. Escuela de Recursos Naturales y del Ambiente (EIDENAR)-Facultad de Ingeniería, Universidad del Valle, julia.caicedo@correounivalle.edu.co

Universidaddel Cauca

Introducción

• Necesidad creciente:– Conservación del

recurso hídrico– Demanda mundial

de proteína animal

• La piscicultura responsable como alternativa

20022003

20042005

20062007

20082009

20102011

0

10,000

20,000

30,000

40,000

50,000

60,000

70,000

Cachama Tilapia Trucha

Otras especies Total

Pro

du

cció

n (

Ton

nela

das)

Producción piscícola entre los años 2002 a 2011

Introducción

• En Colombia la producción de trucha se presenta en zonas de alta montaña

• La trucha es la tercer especie más cultivada

• La producción de trucha es exigente:– Calidad y cantidad de agua– Requerimientos nutricionales

• La producción trucha exigente – Calidad y cantidad de agua

• 36 a 150 m3/h. ton-pez se reportan en granjas tecnificadas de Noruega y Estados Unidos

• Niveles de oxígeno disuelto >8.0 mg/L • Baja concentración de sólidos en suspensión.• Temperaturas entre 12-16o C, entre otras

características.• Características que normalmente se presentan

en la cuenca alta de nuestros ríos

– Altos niveles de proteína en su alimentación

Introducción

Lodo : Consumo de oxígenodisuelve Nitrógeno y Fósforoincrementa presencia amonio

Heces

Orina

lodo

Alimento no consumido

RHRH

Alimento

Sólidossuspendidos

Sólidos disueltos

Materia orgánicaFósforoNitrógeno

Carne Subproductos

Fuente de los contaminantes• Sobras de alimento.

– Algunos autores estiman que pude llegar hasta el 30%.

• Excreción metabólica– Branquias del pez (NH4

+ )

– Heces fecales (30 - 40% del alimento)– Alimento mal digerido (5%)

• Peces muertos• Antibióticos• Hormonas

Introducción

• Dos tipos de efluentes se presentan:– Normal– De lavado

• En trucha– El efluente normal

95 al 99% del flujo que entra a la estación

– Efluente de lavado sale con la extracción del lodo que se ha retenido en el estanque

Introducción

Introducción

• Las altas demandas de agua y los altos requerimientos alimenticios generan efluentes con bajas concentraciones de contaminantes pero cargas no despreciables.

• Efluente con limitaciones para su tratamiento por sistemas convencionales utilizados en aguas residuales.

• Se requieren otras visiones distintas al tratamiento al final del tubo.

Objetivo

• Desarrollar un esquema de producción más limpia de trucha Arcoiris basado en el diseño de un nuevo estanque piscícola

Estrategia metodológica

El estudio se realizó en el departamento del Cauca en Colombia, caracterizada por:

• Zona indígena• Tercer departamento en

producción de trucha• Productores pequeños

Un gran impulso a la piscicultura como alternativa para el desarrollo y empleo rural

Revisió

n d

e lite

ratu

ra

Fase I

•Condiciones de producción de trucha utilizadas en departamento del Cauca, •Determinar cargas contaminantes •Evaluar aspectos específicos de los residuos.

Fase II Concepción del nuevo estanque

Fase IV Construcción prototipo ytiempo de extracción del lodo

Fase VComparación con estanque convencional

Estrategia metodológicaFases de la investigación

Estudios de componentes específicos:•Angulo de inclinación de las paredes,•Ancho y largo del estanque•Pendiente de fondo del canal

Fase III

Fase V I Validación de la tecnología

RESULTADOS: Fase I

• Recurso hídrico– Caudales en el rango

de 40 hasta 460 l/s.– Cantidad promedio

utilizado por producción 433 m3/h.ton-pez .

– En la literatura 36-150 m3/h.ton-pez por Bergheim & Brinker (2003) True et al. (2004)

Pequeño Mediano Grande0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Tamaño de Producción

Ca

nti

da

d d

e a

gu

a (

m3

/kg

-pe

z)

• Se encontró que la no extracción frecuente del lodo retenido en el estanque genera mayores usos de recurso hídrico

• Frecuencia de mantenimiento

0 20 40 60 80 1000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

f(x) = 0.025233816206428 x + 0.979740380262568R² = 0.824470124247887

Número de Días sin Mantenimiento

Desce

nso O

xig

eno (

mg.L

-1)

Piscícola

Cargas Contaminantes (kg/mes)

DBO5SólidosSusp.

Fósforo Total

Nitrógeno Total

Total 10 Piscícolas 7.890 17.708 768 1.896

Total Depto. 11.403 25.593 1.111 2.740

PoblaciónEquivalente 9378 21853 34308 25670

Estas cargas indican que si bien las concentraciones de materia orgánica y nutrientes encontradas en los efluentes son bajas, la contaminación generada no es despreciable.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 9000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

f(x) = − 22.2531173741 ln(x) + 157.578381207R² = 0.979028430436137

Tamaño de Partícula (µm)

Porc

en

taje

deM

asa A

cu

mu

lad

o (

%)

0 500 1000 1500 2000 25000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

f(x) = 0.148398857671 ln(x) − 0.3047789001843R² = 0.827494808624623

Velocidad de sedimentación (m/d)Fra

cció

n R

em

an

en

te d

e S

ólid

os S

usp

en

did

os

Curva de sedimentabilidad de partículas en la columna de agua

Distribución de masa por tamaño de partícula.

• El 77% de la masa presenta tamaños superior a 45 μm.• Eficiencia remoción teórica en sólidos suspendidos superior al 80%, carga superficial del orden de 30 m3.m-2.día-1

• Partículas con alta capacidad de sedimentar.

Fase II

Bases para la propuesta de un nuevo estanque

• Control de los sólidos suspendidos

• Partículas sedimentadas al interior del estanque

• Estructuras debe permitir que las partículas sedimentadas puedan ser trasladadas a una zona de almacenamiento

• Extracción del lodo debe ser realizada antes que los procesos de disolución y degradación se inicien.

• El método de extracción debe ser simple y no requerir de sistemas mecánicos complejos.

• El lodo extraído debe salir en forma separada del efluente principal.

Válvula de lavado

v

Canal de entrada

Pared inclinada

Canal de recolección de lodo

Tubería agua de lavado

Malla de Separación

Válvula de lavado

Salida efluente

Tapón roscado

Vista en Planta

Vista en corte lateral

Pared inclinada

Canal de recolecciónde lodo

Pared inclinada

Vista en Corte frontal

Malla de Separación

Tapón roscado

Esquema Generar Estanque Propuesto

Esquema Sistema Lavado

Estudio de la Inclinación de las paredes.

Estanque con peces

Tubería Captación

de agua

Tanque de distribución

Tuberías de

captación

Válvulas

Unidades de Estudio30o 45o 60

o

1

332Punto de Muestreo

1

2

El agua se tomó de estanque con peces de 150 g con una densidad de 11 kg/m3 con tres raciones en el día

Objetivo: evaluar el impacto del ángulo de inclinación de la pared en la capacidad de Transporte de sólidos producidos durante la cría de trucha

Fase III

• Se determinó la cantidad de sólidos retenida en las paredes y el fondo.

• Se determinó la cantidad de sólidos de entrada y salida de cada unidad

1

2

• Los datos se compararon con Anova (α=0,05), en caso de existir diferencias significativas se uso prueba de Tukey

• Estos resultados están acordes con la teoría sobre desplazamiento del lodo en una lámina inclinada de un sedimentador laminar presentada por Forsell & Hedström (1975), Zioło(1996) y Demi Qr (1995).

• Futuros estudios ángulo de 45 °.

Los resultados indican • La menor

acumulación de lodo en la pared se da en el ángulo de 60°, y la mayor en el ángulo de 30°.

• Angulo de 45° presenta condiciones intermedias entre otros dos ángulos de inclinación

Modelación hidrodinámica de las características geométricas en el transporte del sedimento durante el lavado.

• Objetivo: estudiar el efecto del característica geométricas como ancho y el largo del estanque y la pendiente del canal de fondo en el arrastre de partículas sedimentadas.

• Modelo “Simulation of sediment movements in water intakes with multiblock option– SSIIM”

Características a modelar

• Otras características ángulo de inclinación 45° y profundidad 1.1 m

• Se evaluaron tamaños de partícula hasta 1500 μm, con una media de 300 μm

Variable Valor

Longitud del Estanque (m) 11, 13, 15

Ancho del Estanque (m) 1.8 y 2.0

Pendiente de fondo (%) 0, 1.0, 1.4, 2.0

• Se estimó el flujo de entrada por el fondo en 4L/s y el de salida del estanque en 40 L/s.

• Se calcularon la velocidades en diferente puntos del estanque de manera particular en el canal de recolección de lodo.  

• Se determinaron los esfuerzos cortantes críticos

• Se calculó el esfuerzo cortante adimensional

• Para determinar la posibilidad de arrastre el esfuerzo cortante adimensional se comparó con el valor crítico determinado por el diagrama de Shields (0,035), si el esfuerzo supera el valor crítico del diagrama se considera que la partícula será arrastrada

• El ancho no genera ningún efecto sobre la velocidad de flujo y los esfuerzos cortantes

• Variables importantes la longitud y la pendiente de fondo del canal

0 2 4 6 8 10 12 14 16

-0.02

0.02

0.06

0.10

0.14

0.18

0.22

Esc. 17 Esc. 18 Esc. 19Esc. 20 Esc. 21 Esc. 22Esc. 23 Esc. 24

Distancia (m)

Velo

cid

ad

(m

/s)

Velocidades de flujo en estanque de 15 mPara diferentes anchos y pendientes

0 2 4 6 8 10 12 14 16

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Esc 17 Esc 18 Esc 19 Esc 20

Esc 21 Esc 22 Esc 23 Esc 24

Distancia (m)

Esfu

erz

o C

ort

an

te N

/m2

Esfuerzos cortantes en estanque de 15 mPara diferentes anchos y pendientes

Esfuerzos cortantes adimencionales

Ancho (m)Pendiente

(%)

Longitud (m)

11 13 15

Esfuerzo cortante(N/m2)

Esfuerzo cortante

adimensional

Esfuerzo cortante(N/m2)

Esfuerzo cortante

adimensional

Esfuerzo cortante(N/m2)

Esfuerzo cortante

adimensional

1.8

0 0.0650 0.029 0.0400 0.018 0.0350 0.015

1 0.1000 0.044 0.0600 0.027 0.0550 0.024

1.4 0.1250 0.055 0.0775 0.034 0.0700 0.031

2 0.2000 0.088 0.1000 0.044 0.1000 0.044

2.0

0 0.0650 0.029 0.0400 0.018 0.0350 0.015

1 0.1000 0.044 0.0575 0.025 0.0550 0.024

1.4 0.1250 0.055 0.0775 0.034 0.0700 0.031

2 0.2000 0.088 0.1000 0.044 0.1000 0.044

Valor crítico determinado por el diagrama de Shields 0,031

La mejor opción para la limpieza hidráulica se presentan con la longitud de 11 m y una pendiente de fondo superior al 1%.Es posible usar longitudes mayores como 13 y 15 m, si la pendiente del canal de fondo es superior al 1.4%.

Fase IV.

Paralelamente se realizaron dos actividades:

• Construcción de un prototipo

• Estudio de los procesos de disolución y degradación – A escala de laboratorio– A escala real

Construcción del prototipo de estanque.

• Ubicado en la estación piscícola de Chiliglo.

Largo (m) 14

Ancho (m) 2,05Altura total (m) 1Profundidad media (m) 0,85Angulo de inclinación de la pared (grados)

45

Pendiente de fondo (%) 1.4

Volumen de agua (m3) 12

Estudio de la disolución y degradación de los lodos

• Objetivo: Entender los fenómenos de disolución y degradación, además de establecer el momento más apropiado para la extracción del lodo.

Disolución de los sólidos.

• El estudio se realizó en un estanque piloto .

• Dos replicas fueron realizadas• Seguimiento durante 144 horas• Muestras compuestas por 12 horas

0 20 40 60 80 100 120 140 1600

100200300400500600700800900

1000

f(x) = 7.18839364161854 x − 227.629883236997R² = 0.995891722813883

f(x) = 8.21174306358388 x − 165.011327167632R² = 0.7400058885982

f(x) = 4.54237906542059 x − 64.249240373833R² = 0.992629321111253

f(x) = 4.84757957943932 x − 98.4318661682255R² = 0.974578489974939

P1<90 h Linear (P1<90 h)P2<90 h Linear (P2<90 h)P1>90 h Linear (P1>90 h)P2>90 h Linear (P2>90 h)

Tiempo (h)

Sólidos D

isuelt

os A

cum

u-

lados (

g S

DT)

0 20 40 60 80 100 120 140 1600

20

40

60

80

100f(x) = 1.04089759792386 x − 53.3480501106248R² = 0.960866482586119f(x) = 0.842690532010817 x − 36.5638917944089

R² = 0.985435113123823

f(x) = 0.47712848801224 x − 0.277964840095162R² = 0.90833283467427

f(x) = 0.635064601313928 x − 10.3233141826614R² = 0.974115263914524

P1 <84 h Linear (P1 <84 h)P2 <84 h Linear (P2 <84 h)P1>84 h Linear (P1>84 h)P2>84 h Linear (P2>84 h)

NTK

D

isuelt

o a

cum

ula

do

(g N

-NTK

)

0 20 40 60 80 100 120 140 1600

20

40

60

80

100

f(x) = 0.7960545 x − 32.0816916R² = 0.990984138583623

f(x) = 0.816391595454545 x − 27.0114887454546R² = 0.983251865629653

f(x) = NaN x + NaNR² = 0

P1 <84h Linear (P1 <84h)P2 Linear (P2)P1 >84h Linear (P1 >84h)

Tiempo (h)

Nit

rogeno A

monic

al

Acum

. (g

)

0 20 40 60 80 100 120 140 1600

5

10

15

20

25

30

35

f(x) = 0.331034177215192 x − 18.2434025316459R² = 0.997785353768445f(x) = 0.191990459363957 x − 8.64567349823313R² = 0.989915365062104f(x) = 0.129480108499096 x

− 1.32160940325497R² = 0.969498348156755

f(x) = NaN x + NaNR² = 0

P1<84 h Linear (P1<84 h)

Tiempo (h)

PT D

isu

elt

o A

cu

m (

g P

)

• El proceso de disolución de los contaminantes tiende a incrementarse después de la hora 84

horaParámetro a controlar

Periodo I(%)

Periodo II(%)

Rango dejado de disolver o generado

(%)

48

NAT 28,7 8,4 71-92NTK 26,8 20,5 73-80PT 7,1 2,2 93-98

SDT 13,5 18,1 87-82

72

NAT 49,2 30,4 50-70NTK 39,5 34,0 61-66PT 34,3 12,5 66-88

SDT 25,4 34,5 75-66

Fase V Estudio comparativo

• Objetivo: Comparar el desempeño de estanques en concreto tradicionalmente utilizados con estanque prototipo, en términos del control de la contaminación generada por el cultivo y el crecimiento del pez.

Metodología

• El agua de la Estación es tomada del Río Change, temperatura y oxígeno disuelto promedio de 11°C y 8,0 mg/L.

El estudio se realizó por un periodo de 63 días. Tiempo en que los peces crecieron de 110 a 250 g.

Dimensión Estanque Rectang

ular

Estanque

MULTIPRO

Largo (m) 15 14Ancho (m) 2 2,05Altura total (m) 1 1Profundidad media (m) 0,7 0,85Angulo de inclinación de la pared (grados) 90 45

Pendiente de fondo (%) 1 1.4

Volumen de agua (m3) 21 12

• Dado que la geometría de cada estanque comparación se realizó colocando igual densidad de biomasa y tamaño de pez al inicio del estudio.

• El caudal utilizado en cada estanque se estimó con base en los requerimientos por el tamaño de pez. En ningún momento se permitió menos de 5.5 mg/L O2

Geometría de los estanques

Evaluación del Crecimiento

• El efecto del estanque sobre el crecimiento del pez se evaluó midiendo el incremento en peso de los peces en ambos estanques.

• Muestras al azar cada 6 días, equivalente al 3% de la cantidad de individuos

• Comparación de las pendientes, ajustadas a un modelo estadístico lineal (mínimos cuadrados)

Donde Yi,j= peso del pez

β0= peso promedio al inicio del estudio Tj = representa el día

β1 y β2 = son los coeficiente de la regresión y representan el incremento del peso en el tiempoWK= Tipo de estanque

ξi,j= es el error aleatorio del modelo

𝑌𝑖,𝑗 = 𝛽0 +𝛽1𝑇𝑗 +𝛽2𝑊𝑘 +𝜀𝑖,𝑗

Discusión de Resultados

0 10 20 30 40 50 60 700

50

100

150

200

250

300

f(x) = 1.47742667069852 x + 116.536498336861R² = 0.98619037485818

f(x) = 2.00102308235057 x + 112.45297853039R² = 0.974390717976694

MULTIPRO Linear (MULTIPRO)CONVENCIONAL Linear (CONVENCIONAL)

Tiempo (días)

Pe

so

pe

z (

g)

FuenteGrados de

LibertadSuma de

CuadradosCuadrados

MediosValor F Valor-P

Día 1 27701,6 27701,6 637,91 0.0000Pendiente 1 1551,36 1551,36 27,72 0.0000Día•estanque 2 29253,0

Evaluación tasas de crecimiento

• Con base en las ecuaciones de ajustes presentadas se estimó el tiempo necesario para alcanzar un peso promedio de 300g, iniciando con un peso de 110g

Estanque Tiempo requeri

do (días)

Diferencia (días)

PROTOTIPO 95.0

33.6CONVENCIONAL

128.6

Reducción del 26.2% del tiempo

Impacto por el menor tiempo de producción

Parámetro

Cantidad producida o utilizada

por Estanque Prototipo

Cantidad producida o utilizada

por Estanque Convencional

Carga no vertida o volumen no utilizado

por Prototipo

Cantidad Porcentaje

SST (g) 208.8 563.6 354.7 62.9

NTK (g) 6.7 11.1 4.3 39.3

NAT (g) 6.1 8.0 1.9 23.4

PT (g) 4.9 10.8 5.9 54.4Volumen de agua

(m3)

21032 34528 13496 39.1

Conclusiones

Sobre la evaluación de componentes• La utilización de un ángulo de inclinación

de 45° en la pared permite el redireccionamiento del lodo sedimentado hacia el canal de fondo del estanque.

• El ancho del estanque tiene un impacto bajo o nulo sobre el incremento de las velocidades de flujo y los esfuerzos cortantes en el fondo del estanque.

• La longitud del estanque hidrodinámicamente más apropiada para el arrastre de las partículas durante el lavado, corresponde a 11 m con una pendiente de fondo superior o igual al 1%.

• Es posible usar una longitud de hasta 15 m con una pendiente de fondo 1.4%, bajo estas condiciones se puede arrastrar partículas hasta de 1500 µm.

Conclusiones

Conclusiones

Sobre la permanencia del lodo en el estanque

• El periodo para extracción de lodo no mayor a 48 h puede llegar a reducir hasta el 92% del nitrógeno amoniacal, el 80% del N- NTK y el 97% del P-PT.

ConclusionesSobre la comparación con estanques convencionales

El estudio mostró que el estanque prototipo presenta grandes ventajas respecto del estanque convencional en concreto:- genera menores cargas contaminantes en el

efluente en términos de sólidos suspendidos totales (62,9%), nitrógeno total Kjeldahl (39,3%) nitrógeno amoniacal (23,4%) y fósforo total (54,4%).

- reducción en el uso del recurso hídrico (39.1%).- Genera mayores tasas de crecimiento y por lo

tanto reducción en los tiempos de cultivo.

Conclusiones

• Por permitir realizar el control de la contaminación generada por los sólidos en suspensión, reducir los tiempos de producción, además de optimizar el uso de recurso hídrico, se le reconoce a este tipo de estanque como multipropósito (MULTIPRO)

Conclusión General La implementación de la tecnología de estanques MULTIPRO, conjuntamente con sistemas de recuperación del lodo y tratamiento de los efluentes de lavado, en lugar de la tecnología tradicional de estanques en tierra o en concreto permitirá grandes avances en la producción ambientalmente sostenible de la trucha.

Estación Piscícola Ambalo Silvia, Cauca

Validación y transferencia de tecnología

Agradecimientos

A la Estación Piscícola “Chiliglo” en Coconuco Cauca, por las instalaciones y los insumos (peces) en fase experimental, al Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural y la Universidad del Cauca por la financiación la cual se obtuvo a través de los proyectos de investigación: “ESTUDIO, DISEÑO Y EVALUACION DE UN PROTOTIPO DE ESTANQUE PISCICOLA” y “VALIDACIÓN DE UN PAQUETE TECNOLÓGICO PARA LA PRODUCCIÓN DE TRUCHA AMBIENTALMENTE SOSTENIBLE”, a la Universidad del Valle por el apoyo académico en desarrollo de la tecnología y facilitar los equipos para el trabajo de campo, al Centro Regional de Productividad e Innovación del Cauca (CREPIC) por el apoyo con la Cadena Piscícola del Cauca.