Lácteos de calidad Teolo

Propuesta de un sistema de tratamiento de aguas residuales

a través de un análisis técnico-económico

Proyecto profesional para obtener el título de:

Ingeniería ambiental

Presenta:

Araceli Mendoza Cruz

Abril, 2013

Universidad Tecnológica Tula-Tepeji

Propuesta de un sistema de tratamiento de aguas residuales

a través de un análisis técnico-económico

Proyecto para obtener el título de:

Ingeniería ambiental

Presenta:

Araceli Mendoza Cruz

Asesor industrial Asesor académico

____________________ _______________

Dedicatoria y agradecimientos

Resumen

Introducción

Antecedentes

Planteamiento del problema

La empresa Lácteos de Calidad Teolo se dedica a la producción lácteos (quesos),

donde es usada en grandes volúmenes el agua, por lo menos por cada litro de

leche procesada son usados 10 litros de agua siendo este un dato muy alarmante,

por otro lado está el lavado de las instalaciones y maquinaria. El uso del agua en

este tipo de empresas da como resultado que las características físicas y químicas

de esta sean que contenga altos índices de grasas y aceites, sales, materia

orgánica, presentan dos características físicas que deben de tomarse muy en

cuenta para su tratamiento un color blanco y un alta temperatura.

Con lo anterior dictaminando que industrias dedicadas a este tipo de procesos

debe contar con un sistema de tratamiento, para que sus descargas de agua

residual cumplan con la normatividad vigente (sus descargas de agua estén dentro

del rango de límites máximos permisibles especificados), así mismo minimizando

parte de la contaminación que es causa de este tipo de procesos.

Esta clase de estudios son realizados para la solución de un problema, para esto

es necesario plantearnos como llevarlo a cabo, en el área ambiental se llevan a

cabo proyectos tomando en cuenta tres factores importantes el social, económico

y ambiental, en este caso se tiene por objetivo proponer un sistema de

tratamiento de aguas residuales generadas por una industria productora de

lácteos (quesos) que esta ya operando, traerá beneficios sociales que son una

mejor calidad de vida para las personas y en lo económico la empresa evite ser

sancionada por parte de la autoridades pertinentes que vigilan que se cumplan las

normas establecidas para cuidado del ambiente,

Justificación

El uso del agua da como resultado aguas residuales con diferentes características,

estas dependerán si provienen de industrias u hogares (domesticas), de esto

resultan problemas como efectos nocivos para la salud humana y para el

ambiente, dañando a ambos de diferente manera, así una vez afectando al

ambiente por consiguiente pasa afectar a la salud humana; por medio de la

producción de malos olores al pasar por canales o ríos, contaminación de mantos

acuíferos por medio de filtración, y algo muy grave siendo utilizada para riego en

zonas agrícolas sin recibir ningún tratamiento dando como resultado

contaminación de los productos agrícolas.

Tomando en cuenta estos efectos que perjudican a la sociedad y ambiente, es

necesario realizar estudios sobre qué tipos de tratamientos son los más óptimos y

eficientes para las aguas provenientes de industrias en este caso una industria

dedicada a la producción de lácteos (quesos), siendo las características de estas

aguas por mencionar algunas una gran cantidad de grasas y aceites, sales y

materia orgánica.

El tratamiento de aguas residuales es una tecnología que hoy en día ayuda a

minimizar la contaminación presente en éstas, es muy poco el porcentaje acerca

del tratamiento de aguas residuales pero con el paso del tiempo con las nuevas

leyes y con preocupación sobre el cuidado del ambiente empresas como “Lácteos

de Calidad Teolo” se preocupan por cumplir con la normatividad ya que

cumpliendo con la normatividad por consiguiente se pasara a cumplir con el

cuidado del ambiente, dando resultados favorables para ambas partes el ambiente

y la empresa.

Objetivos

Objetivo General

Proponer un sistema de tratamiento de aguas residuales para la remoción de

contaminantes presentes en el agua residual proveniente de los procesos de

producción de la empresa Lácteos de Calidad Teolo.

Objetivos Específicos

Realizar análisis fisicoquímicos al agua residual para conocer cuáles

son sus características.

Seleccionar y proponer la tecnología ambiental que nos ayudara al

tratamiento de las aguas residuales generadas a través de experimentos

a nivel escala.

Lograr que el proyecto sea sustentable tomando en cuenta tres factores

el social, económico y ambiental.

Capítulo I

Marco teórico

Control de la contaminación del agua

El crecimiento de la población y el desarrollo tecnológico han provocado una

demanda progresiva de agua potable y cada vez resulta más costoso surtir el vital

líquido a las grandes urbes, ya que las fuentes de agua subterránea con que

generalmente cuentan se van agotando y los cuerpos de agua superficial se han

contaminado.

En el caso de las empresas, la legislación en los diferentes países es cada vez

más estricta en cuanto a la calidad del agua que descargar al drenaje o a los

cuerpos de agua. Por esto, en las diferentes ramas de la producción será preciso

darle al menos un tratamiento primario a las aguas residuales, aunque a largo

plazo la tendencia será disminuir las descargas a casi cero, y reutilizar las aguas

tratadas para los procesos o para otros fines dentro de las mismas plantas

productivas.

Determinación de la calidad de las aguas residuales

Métodos físico-químicos

Se basan en el estudio de los factores físico-químicos del agua, y se llevan a cabo

mediante una toma de muestras, con determinación de sus características físicas

y con análisis de sus componentes químicos. Estos métodos dan una información

valiosa, pero se refieren únicamente al instante en que se obtuvo la muestra; por

lo tanto pueden dar resultados muy alarmantes o, al contrario, pasar

desapercibidos ciertos factores que pueden ser decisivos para un uso determinado

del agua.

No indican el estado anterior al de la toma de la muestras ni la capacidad de

recuperación natural después de un aporte contaminante, tanto en el tiempo

como en el espacio.

Métodos biológicos

Se basan en el estudio de las comunidades de animales y de plantas acuáticas.

Dado que cada biocenosis o cada comunidad responden a las condiciones físico-

químicas del medio en que viven, cualquier alteración en estas induce cambios

que se manifiestan en la sustitución de unas especies por otras, o por la variación

del número y proporción de cada una de ellas.

Por lo tanto la caracterización biológica del agua parte de la determinación del

grado de alteración de la condición biológica de la misma cuando se introducen

sustancias toxicas, materia orgánica que puede descomponerse, o cualquier forma

de energía.

Evaluación biológica

Los compuestos orgánicos son destruidos por los descomponedores

(mineralización). Los compuestos intermedios y finales pueden ser utilizados por

los consumidores y por los productores primarios. De esta manera, los productos

añadidos se incorporan a través de los organismos al metabolismo de las aguas.

El proceso descrito, en el que también intervienen fenómenos de absorción en el

sedimento, se denomina autodepuración. El proceso de autodepuración esta,

pues, relacionado con los organismos, empezando por las bacterias como

descomponedores, hasta los productores primarios, portadores de clorofila.

La importantancia de la evaluación biológica de la calidad de un agua reside tanto

en la caracterización de la carga contaminante como en su capacidad de

autodepuración biológica, que no puede determinarse exactamente con ningún

método químico.

La carga contaminante se puede valorar con determinaciones individuales, pero la

integración de los cambios producidos por dicha carga y sus efectos a largo plazo

sólo pueden indicarlos los análisis biológicos.

Indicadores físico-químicos

Olor

Las aguas residuales tienen olores característicos generados por materiales

volátiles que contienen o por los procesos de degradación de la materia orgánica

presente.

Materiales en suspensión

Las aguas residuales están cargadas casi siempre con materiales en suspensión.

Estos materiales según su densidad y las características del medio receptor, son

depositados en distintas zonas de este, produciendo una contaminación mecánica.

La determinación de los materiales suspendidos en el agua técnicas de filtración o

centrifugación, aparece ampliamente descrita en numerosos tratados de análisis

de aguas.

Color

Algunos productos de desecho, según el tipo de proceso sufrido en la industria

alteran considerablemente el color de las aguas. Esto tiene como consecuencia

una grave contaminación estética, además de dificultar los procesos de

fotosíntesis e intercambios de oxígeno.

La determinación de color se realiza básicamente, por dos métodos: el método del

platino-cobalto, y la comparación con discos coloreados.

Turbidez

La turbidez del agua es debido a la presencia de materias en suspensión

finamente divididas: arcillas, limos, granos de sílice, materia orgánica, etc. La

apreciación de la abundancia de estas materias mide el grado de turbidez.

La turbidez es tanto mayor cuanto mayor es la contaminación del agua, por lo que

es un indicador de interés en el control de la eficiencia de los procesos de

depuración.

Temperatura

Influye en la solubilidad de las sales, y sobre todo en la de los gases y en la

disociación de las sales disueltas, y por lo tanto en la conductividad eléctrica y en

el pH del agua, además de ser un parámetro básico de los seres vivos.

Existe una estrecha relación entre la densidad del agua y su temperatura, por lo

que cualquier alteración de esta modifica los movimientos de mezclas de

diferentes masas de agua. Es un parámetro de gran utilidad para calcular los

intercambios térmicos que tienen lugar en el medio.

pH

Mide la concentración de iones hidrogeno en el agua. Un pH elevado indica baja

concentración de iones H+, y por tanto la alcalinidad del medio. Por el contario, un

pH bajo indica una acidificación del medio. Estas variaciones tienen una

repercusión muy importante sobre las biocenosis existentes.

Conductividad eléctrica

La conductividad, que varía en función de la temperatura, está estrechamente

ligada a la concentración de sustancias disueltas y a su naturaleza.

Las sales minerales son, en general buenas conductoras; las materias orgánicas y

coloidales tienen escasa conductividad. Por lo tanto, para las aguas residuales,

esta medida no da una idea precisa de la carga de contaminante, aunque sí

orienta en lo que se refiere a sus posibles usos en aplicaciones agrarias.

Potencial de óxido-reducción (rH)

Es un parámetro o indicador que permite hacer observaciones interesantes en las

estaciones de depuración.

Las aguas residuales urbanas y muchas procedentes de industrias

agroalimentarias, recién recolectadas, tienen un rH aproximado a 100 mV.

Un medio reductor (fosas sépticas, putrefacciones en las canalizaciones,

etc.), presenta un rH inferior a 40 mV.

Los valores de rH comprendidos entre 15 y 25 mV caracterizan un medio

aerobio que favorece la oxidación de los compuestos orgánicos.

Los valores de Rh de 13 a 15 Mv definen la zona de transición entre un

medio aerobio y otro anaerobio. En esta zona vira el azul de metileno,

reactivo que se utiliza en el test de putrefacibilidad de las aguas.

Indicadores de contaminación orgánica

La diversa naturaleza de los compuestos orgánicos y de los estados de

degradación en que se presentan, desaconseja el empleo de un solo indicador

(método o test) para evaluar la contaminación orgánica del agua. Consideremos

que dicha evaluación ha de resultar de comparación y yuxtaposición de los

resultados obtenidos al medir los distintos constituyentes de la materia orgánica.

La oxidación de los compuestos orgánicos para dar anhídrido carbónico y agua,

implica un consumo de oxígeno del agua que es renovado a partir del O2 del aire.

Los compuestos carbonados sirven de alimento para los microorganismos

aerobios; el nitrógeno oxidado (nitritos, nitratos, amoniaco), es utilizado por las

nitrobacterias y nitrosomonas. Estas reacciones pueden producirse en un medio

pobre de O2 a expensas no sólo de los nitratos y nitritos, sino de los sulfatos,

dando lugar a sulfuro de hidrógeno.

Estos fenómenos de oxidación que tienen lugar en la naturaleza son complicados

de reproducir en laboratorio, y sobre todo es muy difícil de llegar a la degradación

ultima de la materia orgánica. No obstante, algunos test como la DBO, el ensayo

de olor, etc., permiten apreciar el fenómeno por vía biológica.

Sin embargo, para lograr la oxidación completa de los compuestos orgánicos, se

han desarrollado métodos químicos que utilizan reactivos más o menos

energéticos, con una metodología precisa.

Los métodos basados en el carbono, denominador común de la materia orgánica,

son los más desarrollados, aunque precisan de una manera instrumentación algo

compleja. Las ventajas que presentan es de ser apreciables a todos los

compuestos orgánicos, por lo que permiten apreciar completamente la

contaminación, sobre todo en presencia de compuestos difícilmente oxidables.

Carbono orgánico total (COT)

Es un indicador de los compuestos orgánicos, fijos o volátiles, naturales o

sintéticos, presentes en las aguas residuales (celulosa, azúcares, aceites, etc.). Su

medida facilita la estimación de la demanda de oxígeno ligada a los vertidos y

establece una correlación con la DBO (demanda bioquímica de oxigeno) y la

DQO (demanda química de oxigeno). En presencia de sustancias nitrogenadas, la

medida de la COT está menos sujeta a interferencias por dichas sustancias que la

medida de la DTO (demanda total de oxigeno).

Demanda total de oxígeno (DTO)

La demanda total de oxigeno mide el consumo de oxígeno según reacciones

químicas que se desarrollan por combustión catalítica de la materia orgánica

En las mismas condiciones, los compuestos azufrados se oxidan, dando SO2 Y

SO3, en una relación fija.

Demanda bioquímica de oxígeno (DBO)

La DBO expresa la cantidad de O2 necesaria para biodegradar la materia orgánica

(degradación por microorganismos). Este parámetro ha sido objeto de continuas

discusiones; sin embargo, mejorando y precisando las condiciones de pH, de la

temperatura y de la salinidad, constituyen un método valido de estudio de los

fenómenos naturales de degradación de materia orgánica. Las dificultades de

aplicación e interpretación de los resultados y de su reproducción, son inherentes

de carácter biológico del método.

Hay que considera que la oxidación de las materias orgánicas no es el único

fenómeno que tiene lugar a la biodegradación; a ésta se debe añadir la oxidación

de nitritos y de las sales amoniacales, así como el consumo de oxígeno por los

procesos de asimilación y de formación de nuevas células. Por lo tanto, en la

medida de este parámetro se producen variaciones según las especies de

microorganismos, según su concentración y edad, según la presencia de bacterias

nitrificantes y según la presencia de protozoos consumidores de oxígeno y que se

alimentan de bacterias.

Además, a lo largo de los procesos catabólicos las reacciones de

deacarboxilación, hidrolisis e hidratación no consumen oxígeno, pero el elemento

intermolecular si puede emplearse con fines respiratorios, dando lugar a una

disminución del oxígeno medido.

La DBO, en la práctica, permite apreciar la carga del agua en materias

putrescibles y su poder autodepurador, y de ello se puede deducir la carga

máxima aceptable. Este indicador se aplica principalmente en el control del

tratamiento primario en las estaciones depuradoras y es evaluar el estado de

degradación de los vertidos que tengan carga orgánica.

Autoconsumo de oxígeno en 48 horas

El contenido de O2 en el agua se mide inmediatamente después de la toma de la

muestra y transcurrido un tiempo de incubación de 48 horas. La diferencia entre

las dos medidas corresponde al consumo de oxígeno.

Demanda química de oxígeno (DQO)

Ciertas sustancias presentes en las aguas residuales, cuando se vierten en

conjunto en un curso o a una masa de agua, captan parte del oxígeno existente

debido a la presencia de sustancias químicas reductoras. Estas necesidades de

O2 al margen de todo el proceso biológico, se denominan Demanda Química de

Oxígeno o DQO.

La demanda puede ser muy rápida, como es el caso de los sulfitos en presencia

de un catalizador, y entonces recibe el nombre de DIO, demanda inmediata de

oxígeno, o más lenta, llamándosele demanda de oxigeno por autooxidación, DAO.

La medida de la DQO es una estimación de las materias oxidables presentes en el

agua, cualquiera que sea su origen orgánico o mineral (hierro ferroso, nitritos,

amoniaco, sulfatos y cloruros). Es test particularmente útil para apreciar el

funcionamiento de las estaciones depuradoras, y muchos vertidos industriales.

La DQO es función de las características de los compuestos presentes, de sus

proporciones respectivas, de las posibilidades de oxidación, etc., por lo que la

interpretación y la reproducción de los resultados no son satisfactorios más que

bajo unas condiciones metodológicas bien definidas y estrictas. Este indicador no

es fiable en presencia de cloruros.

Nitrógeno total

El nitrógeno orgánico presente en el agua se encuentra formando parte de

compuestos tales como proteínas, polipéptidos y aminoácidos.

El método Kjendahl permite la trasformación en amoniaco de los compuestos de

origen biológico citados anteriormente, pero no la de los compuestos nitrogenados

de origen industrial (oximas, hidracina y derivados, etc.), ni el nitrógeno

procedente de los nitritos y nitratos. Para determinar estos últimos hay que

practicar una reducción en medio alcalina.

El nitrógeno total es la suma de nitrógeno presente en los compuestos orgánicos

aminados y en el amoniaco.

Biodegradabilidad

Relación C/N/P

En un medio aerobio, el crecimiento de la biomasa presente en el agua residual

necesita aportes de nitrógeno, de fosforo y de carbono en proporciones del orden

de C 100/N 5/P 1.

Se deben tener en cuenta, por otra parte, los parámetros DBO5 para el carbono, el

NK para el nitrógeno y el PT para fósforo.

En un efluente urbano normal, tendremos así:

C/N/P DBO5/NK/PT = 400/80/15 = 100/20/3.75

Relación de biodegradabilidad

Esta relación se define como:

Y representa la fracción de la DQO que es biodegradable.

Casos típicos de la relación de biodegradabilidad

K Efluente

1.5 Efluente biodegradable de forma natural

2 < K < 3 Efluente urbano biodegradable si se trata.

K > 5 Efluente no biodegradable. Es típico de

muchos efluentes industriales.

Industrias lácteas

Bases generales

Las plantas de tratamiento de leche realizan, por lo general, diferentes procesos

del producto, por lo que los residuos que vierten serán de diferente tipo, según el

producto que se elabore.

Las actividades y productos más comunes de este tipo de industria son:

Fábricas de queso (fresco, blando, duro, cocido, fundido, etc.).

Fábricas de lactosa y caseína (con laboratorios).

Plantas de tratamiento de leche de consumo (con laboratorios de análisis):

leche pasteurizada, esterilizada, concentrada, maternizada, etc.

Lecherías

Fábricas de leche condensada.

Fábricas de mantequilla.

Fábricas de otros productos: yogurt, nata, helado, etc.

Centros de recogida del producto a tratar.

Centros de distribución.

Los vertidos residuales de las industrias de la leche y derivados, proceden

principalmente de:

- Limpieza:

o De locales

o De recipientes

o De aparatos.

- Lavado de la mantequilla.

- Refrigeración.

- Condensaciones de los evaporadores.

- Vertidos accidentales.

- Residuos de leche y subproductos.

Composición de los residuos

El volumen de los efluentes y su contenido en materias contaminantes son muy

variables, según sea la naturaleza de la fabricación (la actividad quesera es más

contaminante que la actividad mantequera), la técnica de trabajo, la concepción de

la fábrica, etc.

El agua es utilizada en gran cantidad por la industria lechera: de 2 a 10 litros de

agua por litro de leche. Esta agua, en gran parte restituida, entra en el proceso de

fabricación para necesidades específicas de esta actividad, como el lavado de

ciertas pastas blandas y pastas prensadas cocidas, o bien para usos más

generales, como la alimentación de los condensadores de las calderas o el lavado

de los materiales y de los locales.

Los vertidos residuales

Se componen de agua, leche y subproductos. Contienen MO y otros productos

putrescibles, que originan ácido láctico y precipitan la caseína y otros compuestos

nitrogenados. El pH es bajo (4.5-4.8) y pueden contener gérmenes patógenos

(tubérculos, etc.).

La composición media es la siguiente:

Volumen de aguas residuales generadas en industrias lecheras

Producto o proceso Volumen de aguas residuales (l/litro de leche)

Centros de recogida 0.5 - 2

Mantecas 80/kg de mantequilla

Lecherías 1 - 2

Queso:

Fabricación

Limpieza

0.6

1 - 2

Evaporadores 0.6 – 0.9

Limpieza de instalaciones 0.01

MO: 63% de la materia seca.

N: 7% de la materia organica.

Ácido fosfórico: 7% de la materia seca.

Potasio: 0.7% de la materia seca.

Los metales tóxicos aparecen en pequeñísima cantidad.

Tratamiento de los vertidos

Tratamiento de los vertidos

La DBO de las aguas residuales generadas en los diversos procesos de

fabricación es:

Rangos de la DBO de las aguas residuales de las industrias lecheras

Proceso DBO (mg/l)

Centro de recogida 1000 – 1200

Mantecas 1300 - 3200

Lechería 90000 - 125000

Queso 400 – 3000

Leche condensada 5000 mg/kg de leche condensada

Leche en polvo 1100 - 5500

Debido al gran volumen de agua utilizada, se hacen necesarios la recuperación de

residuos por una parte, y el reciclado de las aguas re refrigeración por otra parte.

´´´p

Las tecnologías existentes para el tratamiento de este tipo de efluentes (industrias

lácteas) son muy amplias, por lo que es difícil precisar un tratamiento estándar. No

obstante, si podemos exponer de forma general los tratamientos habitualmente

empleados.

1) Pretratamientos. Los más habitualmente empleados son los siguientes:

Tamizado: elimina los sólidos gruesos antes de la entrada a la planta

depuradora.

Tanques de sedimentación: se suelen emplear para aquellas industrias que

generan una gran cantidad de sólidos en suspensión.

Homogeneización y neutralización: este procesos suele ser imprescindible

en la industria láctea, ya que al generarse durante los lavados aguas acidas

o muy alcalinas, podrán provocar un vertido impidiese cualquier tratamiento

biológico posterior, además de cumplir con los valores legales. Por ello se

suelen instalar tanques de tiempo de retención grande en los cuales se

mezclan las aguas acidas y alcalinas procedentes de la factoría,

produciéndose una neutralización natural. En ocasiones esto no es

suficiente para neutralizar los vertidos, por lo que se suelen emplear

sistemas automáticos de adición de ácidos o alcali en función del pH del

efluente.

Desengrasado: este proceso es también muy importante en la industria

láctea, la cual genera gran cantidad de grasas difíciles de desemulsionar

para ello se suele instalar tanques en los cuales se introduce aire en forma

de burbujas finas por el fondo para ayudar a desemulsionar la grasa. La

grasa formada en la superficie se suele empujar a la zona de remanso

donde una rasqueta la retira a una canaleta y a un contenedor para retirarla

a vertedero.

2) Tratamiento biológico: para reducir la DBO a los valores legalmente

admisibles no basta con los Pretratamientos, es necesario recurrir a los

tratamientos bilógicos. Estos pueden ser anaeróbicos y aeróbicos.

Aeróbicos: son los tratamientos habitualmente empleados, siendo el

proceso de fangos activados el utilizado normalmente. Se basa en la

descomposición de la materia orgánica por los microorganismos en

presencia de oxígeno. Son sistemas adaptables a una gran variedad de

vertidos y bastante flexibles, obteniéndose si la explotación es adecuada

muy buenos resultados. No obstante, tienen esencialmente dos

inconvenientes importantes como es la generación de una gran cantidad de

lodos u el importante gasto energético para proporcionar el oxígeno

necesario para la fermentación.

Anaeróbicos: se basa en la degradación de la materia organica por

bacterias anaerobias formándose metano y CO2. Como ventajas tienen

esencialmente la posibilidad de aprovechar el valor calorífico del gas en la

explotación de la propia planta, la baja producción de lodos, asi como el

valor de los mismos que pueden ser empleados como abono por su alto

valor fertilizante.

Una gran desventaja es que requieren un tiempo de retención muy alto, es

muy sensible a cualquier cambio de pH o de temperatura, necesita ser

calentado para que la temperatura de fermentación sea la adecuada.

Reactores

Capitulo II

Supuestos técnicos

Capitulo III

Propuestas de solución al planteamiento del problema

Capitulo IV

Evaluación, análisis de resultados, producto y/o impacto

Capítulo V

Conclusiones y recomendaciones

Anexos

Glosario

Homogeneización

Aireación

Electrocoagulación

Floculación

Coagulación

Clarificador

Bibliografía y fuentes de información

Seoánez Calvo M. (2005). DEPURACION DE LAS AGUAS RESIDUALES POR

TECNOLOGIAS ECOLOGICAS Y DE BAJO COSTO. Madrid España. Editorial

Mundi-Prensa.

Crites y Tchobanoglous.(2004). Tratamiento de aguas residuales en pequeñas

poblaciones. Bogotá Colombia. Editorial McGraw-Hill.

Martínez S. (1999). PARAMETROS DE DISEÑO DE SISTEMS DE

TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES. 1ra edición. México. Sans Serif

Editores.

Índice del material gráfico