DISEÑO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL INDUSTRIAL DE UNA PROCESADORA AVICOLA INTRODUCCION “restaurar y mantener la integridad química, física y biológica de las aguas de la nación” Congreso de los Estaos Unidos de Norte América 1972, Federal Water Pollution Control Act Amendments
Aunque los problemas de contaminación estarán presentes durante el futuro previsible, un asunto muy importante para los países desarrollados continúen su estilo de vida y los países en desarrollo alcancen uno similar se relaciona con la sustentabilidad. Es decir, la forma en que se mantiene un ecosistema a la luz de los grandes agotamientos de los recursos naturales. Si en la perspectiva de los sistemas se ve más allá de la sencilla idea de controlar la contaminación y se arriba a la idea más amplia de conservar el ambiente, se advierte que hay mejores soluciones a los problemas ambientales [1]. “Desde que el hombre existe en la tierra, sus actividades han dejado huella en el medio que lo rodea. Entre los seres vivos es el único capaz de modificar su entorno natural para adaptarlo a sus necesidades debido a su capacidad de raciocinio y a medida que ha crecido la población humana también ha ido creciendo esta capacidad de adopción que se consolida con el desarrollo de nuevas tecnologías.” (Javier Arellano Díaz, 2009)
El éxito y posterior incremento de las industrias alimenticias han contribuido con el aumento de la población humana, con la mejora de la dieta y sobretodo con el facilismo de la obtención de los alimentos, pero esta actividad también tiene un impacto negativo que no fue tomado en cuenta sino hasta muchos años después, por falta de conocimiento en los efectos que ciertas sustancias pueden producir en el medio ambiente.
Entre los productos alimenticios, las procesadoras de cárnicos están entre las más abundantes y más contaminantes. Entre ellas las de mayor éxito son las industrias procesadoras avícolas por sus características nutricionales y especialmente porque no tiene restricciones políticas, ideológicas, culturales o religiosas como pueden tener los derivados de otros animales. Estos factores han contribuido que en el mundo se produzcan más de 30000 millones de pollos por año y que en américa latina se consuman un promedio de 30 a 80
lb/cápita por año, entre los más altos a nivel mundial (Dr. Amir H. Nilipour, 2010)
En el Ecuador abundan los criaderos y procesadoras avícolas con pequeñas capacidades de producción que no cumplen con tratamientos de aguas residuales, esto complica el control ambiental, sin embargo también existen las empresas, principalmente las grandes que cumplen con estas normas, entre ellas tenemos a PRONACA S.A., la procesadora de alimentos más grande a nivel nacional con su planta de proceso en la parroquia de Yaruqui, sector de Getsemaní. La procesadora segunda en importancia en la zona sierra es INTEGRACION AVICOLA ORO y sea por casualidad o no, su planta también se encuentra en la parroquia de Yaruqui, barrio Santa Rosa.
El diseño de nuestra planta se basa en el agua residual obtenida del proceso de visera do y desprese de pollos y pavos y del desprese de cerdos en la empresa INTEGRACION AVICOLA ORO. Como datos generales de la planta de proceso se puede señalar que esta tiene una edad de 15 años, utiliza agua de vertiente administrada por la junta de aguas de la parroquia, devuelve su agua tratada al rio Pisque. Esta es una planta que trabaja a una jornada (07:00 – 17:00) con una producción de 15000 pollos al día durante los primeros 6 meses del año y de 10000 pollos y 1500 pavos al día durante los últimos 6 meses. Sus aguas residuales contienen detergentes, grasas, heces, restos no solidos de viseras, sangre y plumas. Los residuos sólidos no son desechados porque son la materia prima de harinas y balanceados para los galpones de los criaderos avícolas.
Yaruqui con una población de 15000 habitantes es una parroquia que se encuentra ocupada por empresas agropecuarias, como las dos procesadoras de cárnicos que se ha señalado, florícolas, plantaciones de frutilla, brócoli y otros. De aquí la importancia de que se realice correctos tratamientos ambientales para la seguridad y salud de la parroquia y su población.
ADMINISTRACION DE AGUA Para el diseño de la planta de tratamiento de agua residual, nos enfocaremos desde un punto de vista administrativo. Es decir, definiremos organizadamente un diagrama de flujo como trabajar en conjunto Figura 1-1. Fuente de Agua residual Procesamiento en el sitio
Recolección del agua residual.
Transmision y Bombeo
Tratamiento
Disposición o reutilizacion
FIGURA 1-1. SISTEMA ADMINISTRATIVO DE AGUA (Fuente: Linsley, R. K., Fanzini, J., B., Water Resources Engineering, McGraw-Hill, Nueva York, 1979.) Es mediante la figura 1-1 la cual se debe llevar a cabo la Administración de Agua, sea en una ciudad por medio de su alcalde o una industria por medio de su gerente general. La fuente de agua residual es industrial y cada paso son subsistemas, manejar el conjunto de subsistemas garantizan la sustentabilidad. En el Subsistema del Tratamiento de Agua seguiremos la figura 1-2.
TRATAMIENTO PRIMARIO •Rejas •Cámara de desarenador •Estanque de igualación
•Sedimentacion Primaria
TRATAMIENTO PREVIO
TRATAMIENTO TERCIARIO •Tratamiento Biológico •Sedimentador Secundario
•Tratamiento avanzado de residuos
TRATAMIENTO SECUNDARIO
FIGURA 1-2. GRADOS DE TRATAMIENTO (Fuente: Davis, M. L. and Cornwell, Introducction to Environmental Engieering, 3ª. Ed., McGraw-Hill, Nueva York, NY, p. 362, 1998.) Cada tratamiento de la figura 1-2 tiene un objetivo específico, que será explicado más adelante. Como dato de partida para el modelado de la planta es la caracterización del agua residual, la cual procederemos a encontrar en el laboratorio. Los cálculos y diseño de los componentes de planta de tratamiento estarán en función de la DBO5, los estándares de la calidad de agua cumpliendo normas internacionales. PALABRAS CLAVES Sustentabilidad Sistema Administrativo de Agua Subsistema de Tratamiento de Agua Caracterización del Agua Residual. DBO5 Calidad de Agua REFERENCIAS [1] Davis, M. L. and Masten, S. J., Ingeniería y Ciencias Ambientales, 1ra. Ed., McGraw-Hill, Mexico, 2007.
CARACTERISTICAS DEL PROCESAMIENTO AVICOLA Los mataderos y procesadoras avícolas tienen como principal problema los residuos liquidos, principalmente el agua sangre, el cual dependiendo de la industria puede ser utilizado para la obtención de balanceados. En el caso que estamos tratando, esta es re direccionada a un horno que evapora y seca la sangre. “En el caso de los mataderos, la mayor parte de los residuos generados están constituidos por estiércol de los animales (84%), puesto que existe un aprovechamiento intensivo de pezuñas, cueros, huesos, etc.” (C. A. Zaror, 2000). Corrales de animales
• Excrementos
Matadero
• Sangre y excrementos Remocion de plumas
• Plumas y cuero Corte y • Visceras y recortes carneos desvicerado Corte y deshuesado
• Huesos y recortes carneos
Carne en trozos y otros productos carneos.
Figura Procesamiento primario de aves (C.A. Zaror, 2000)
• Recortes carneos
PROYECCIONES FUTURAS. La planta de proceso de la Empresa INTEGRACION AVICOLA ORO tiene una edad de 15 años, por muchos años su función fue exclusivamente el proceso de pollos, pero en los últimos 3 años esta ha tenido un gran crecimiento, especialmente por la implementación del proceso de Pavos y cerdos, áreas de la empresa que todavía están en crecimiento. Actualmente la empresa procesa unos 10000 pollos diarios en temporada baja produciendo asi aguas residuales en caudales que tienen un promedio de 7 l/s. El diseño de la planta de aguas residuales se lo va a hacer tomando en cuenta un crecimiento del 50 % en los próximos 10 años, es asi que el caudal con el que se va a trabajar será.
CALCULO DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO
TRATAMIENTO PREVIO “Los pretratamientos de aguas residuales implican la reducción de solidos en suspensión o el acondicionamiento de las aguas residuales para su descarga bien en los receptores o para pasar a un tratamiento secundario a travez de la neutralización u homogenización” (R. S. Ramalho, 1990).
Criba o Tamiz
Trampa de aceites y grasa
Homogenización neutralización
CRIBADO Funcion Las cribas, mallas o rejillas son las encargadas de remover los solidos disueltos grandes que puedan afectar los equipos y obstruir los conductos en términos
generales. El diseño de estas rejillas se lo hace tomando en cuenta que se necesita de aceros inoxidables para resistir la corrosión. En nuestro proyecto la cantidad de solidos gruesos es baja debido a que la mayor parte de estos nunca sale de la planta ya que es reutilizado para la producción de balanceado. “Las rejillas o cribas de gruesos tiene aberturas que pueden oscilar entre 1 y 9 cm.” (R. S. Ramalho, 1990). En el diseño de las cribas se debe determinar la anchura del canal y de las barras de la criba, sobre la base de la velocidad requerida para evitar la sedimentación de los sólidos. (C.A. Zaror, 2000) Los solidos deben ser removidos mecanicamente de forma continua, el diseño se basa en la siguiente ecuación:
Donde: W F v H b
= ancho del canal (m) = flujo (m3/s) = velocidad a través de las barras (m/s) = profundidad del canal (m) = factor empírico: 2,0 para espaciamientos de 12 mm; 1,7 para espaciamientos de 18 mm; 1,5 para espaciamientos de 24 mm. (C.A. Zaror, 2000)
Criterio de diseño:
El diseño se lo hace en base a un espaciamiento de ½ “ o 12 mm con el fin de retener solidos grandes y trozos enteros de carne y plumas que pueden estar presente en el agua residual.
Se desea que la profundidad en el canal y el cribado sea constante, variando asi solo el ancho, para esto tomamos la profundidad del canal de 20 cm.
Para evitar la sedimentación la velocidad a través de las barras debe ser superior de 0,5 m/s, para nuestro caso la velocidad deseada en el canal y cribado va a ser de 7 m/s. Remplazando los datos tenemos:
Obtenemos una criba de 14 cm de ancho, con una profundidad de 20 cm en el canal y con espaciamiento de las barras de ½ pulgada. “Los residuos solidos generados en el tamizado grueso, los cuales son recolectados sobre rejillas de ½” o mas, están compuesto básicamente de residuos solidos como rocas, ramas, pedazos de madera, hojas de arboles, papel, raíces de arboles, plásticos y trapos, también puede retener algo de materia organica” . (Tchobanoglous, 2000) Espaciamiento Contenido Peso Volumen de residuos del humedad especifico cribado, pie3/Mgal Pulg. % Lb/pie3 Intervalo Usual 0,5 60 - 90 40 - 68 5 - 10 7 Tabla Informacion usual sobre las características y cantidades de residuos del tamizado grueso removidos con ayuda de rejillas (Tchobanoglous, 2000)
ANCHO m 0,14
REJILLA LARGO ESPACIAMIENTO m m 0,2 0,012
Tabla de dimensiones para la rejilla requerida. Comprobacion de valores
⇒ Con estas dimensiones se asegura que la velocidad del flujo no va a producir sedimentación.
TRAMPA DE GRASAS Y ACEITES Funcion La trampa tiene la función de separar los solidos suspendidos menos densos tal como grasas y aceites, esto se basa en la flotación.
“La separación se lleva acabo introduciendo un gas (normalmente aire) en la fase liquida, en forma de burbujas. La fase liquida se somete a un proceso de presurización para alcanzar una presión de funcionamiento que oscila entre 2 y 4 atm. Luego este liquido saturado de aire se somete a un proceso de despresurización llevándola a la presión atmosférica a través de una valvula reductora de presión. Debido a la despresurización se forman pequeñas burbujas de aire que se asocian a los solidos en suspensión obligándolos a flotar.” (Ramalho R.S., 1990)
Figura. Sistema de flotación sin recirculación (Ramalho R.S., 1990)
Criterio de diseño *Tomado de (Tratamiento de aguas residuales, Ramalho R.S., 1990) Calculo de la presión de funcionamiento
[
P:
f: A/S: Xo: Sa:
( )
]
presion de funcionamiento en atmosferas. factor de diseño del tanque de retencion, varia entre 0,5 y 0,8. relacion entre el aire utilizado y los solidos suspendidos. concentracion de solidos suspendidios. solubilidad del aire en agua cm3/litro El factor A/S o relación entre aire utilizado y solidos suspendidos puede ser determinado por datos de laboratorio o de la siguiente grafica.
Figura Correlacion típica del parámetro A/S en función de SS en efluente (Ramalho R.S., 1990) Ingresando a la tabla con un valor de 75 mg/l de SS en efuente, obtenemos un A/S de 0,004 ( )
Factor de relación tomamos un valor de 0,7
La concentración de solidos suspendidos es 19380
La solubilidad del aire es un valor constante.
Remplazando se tiene: [
]
Calculo del área de sección de la unidad de flotación
Donde: Auf: Qentrada: Fc:
Area de la unidad de flotación. Caudal de ingreso (afluente) Factor de carga volumetrica
El factor de carga volumétrica se toma de un rango permisible para unidades de flotación. (Ramalho R.S., 1990)
Reemplazando los datos:
Se obtiene una unidad de flotación con una presión necesaria de 6,364 atmosferas y de 3 m2 de área. Dimensionamiento:
Presion atm 1,598
Unidad de flotación Largo Ancho Profundidad m M M 1,50 2,00 1,00 Tabla de características para la unidad requerida.
Tanque de retención
En el tanque de retención el tiempo de retención hidráulico debe ser un valor pequeño ya que se busca solo una correcta homogenización del aire en el agua residual.
Para un tanque de retención de 2m de altura se procede a calcular el diámetro del tanque.
√
Diametro 1,40 m
⇒√
Tanque de retencion Altura 2m Tabla de características para la unidad requerida.
Comprobacion de valores
Para el diseño del tanque de retención se asegura un tiempo de retención hidráulica de 5,132 min.
HOMOGENIZADOR Función:
La variación del caudal de aguas residuales que entra a la planta con respecto al tiempo, especialmente cuando la planta de proceso no se encuentra funcionando es un factor que debe ser tomado en cuenta, con el fin de igualar el caudal se construyen tanques homogenizadores. “La igualación del flujo mejora mucho la eficiencia de una planta en funciones y aumenta su capacidad útil. En las plantas nuevas la igualación del flujo reduce el tamaño y el costo de las unidades de tratamiento” (Mackenzie, 2004) Con los datos entregados por INTEGRACION AVICOLA ORO con su planta en Yaruqui, indicados en la siguiente tabla se procederá al diseño del tanque homogenizador . TIEMPO H 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00 19,00 20,00 21,00 22,00 23,00
CAUDAL (m3/s) 0 0 0 0 0 0 0 0,006 0,006 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,006 0 0 0 0 0
caudal vs tiempo 0.012 0.01 Caudal m3/s
0.008 0.006 0.004 0.002 0 -0.002
0.00
5.00
10.00
15.00
Tiempo
Grafica
20.00
25.00
h
Flujo (m3/s) en función del tiempo en la planta de proceso avícola Oro
Criterio de diseño: Calculo de caudal promedio
Este caudal va a ser el de la salida del homogenizador y entrada al tratamiento primario. Calculo del volumen
TIEMPO H 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00
CAUDAL (m3/s) 0,006 0,006 0,01 0,01 0,01
VOLUMEN m3 21,6 21,6 36 36 36
VOLUMEN SALIDA m3 16,2 16,2 16,2 16,2 16,2
ΔV m3 5,4 5,4 19,8 19,8 19,8
ΣΔV m3 5,4 10,8 30,6 50,4 70,2
12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 19,00 20,00 21,00 22,00 23,00
0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,006 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
36 36 36 36 36 36 21,6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
16,2 16,2 16,2 16,2 16,2 16,2 16,2 16,2 16,2 16,2 16,2 16,2 16,2 16,2 16,2 16,2 16,2 16,2 16,2
19,8 90 19,8 109,8 19,8 129,6 19,8 149,4 19,8 169,2 19,8 189 5,4 194,4 -16,2 178,2 -16,2 162 -16,2 145,8 -16,2 129,6 -16,2 113,4 -16,2 97,2 -16,2 81 -16,2 64,8 -16,2 48,6 -16,2 32,4 -16,2 16,2 -16,2 6,3949E-14
Tomando el mayor volumen de almacenamiento que va a tener el tanque y multiplicándolo por un factor de seguridad se tiene:
250
Volumen
200 150 100 50 0 0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
Hora
Grafica
Volumen de almacenamiento en el tanque homogenizador con respecto al tiempo.
Dimensionamiento: Asumiendo una profundidad de 3 m se tiene: Tanque cilíndrico:
√
HOMOGENIZADOR Profundidad (m) Diametro (m)
√
3 10,30
Tabla de características para la unidad requerida. MEZCLADOR Diámetro de la turbina (paletas)
Donde: D
diámetro del tanque
d
diámetro de las paletas
Longitud de las paletas de la turbina.
Donde:
B
Longitud de paletas
d
diámetro de la turbina
Ancho de las paletas de la turbina
Donde: W
Ancho de las paletas.
d
diámetro de la turbina.
Potencia requerida:
Donde: P
potencia requerida (W)
G
Gradiante de velocidad (1/s) Volumen total de la camara
µ
viscosidad absoluta del agua
Para tiempos de retención hidráulica altos, el valor del gradiente de velocidad es de 700 1/s o menor. (Villegas, 2004).
(
)
MEZCLADOR DIAMETRO NUMERO DE PALETAS ANCHO DE PALETAS LONGITUD DE PALETAS REVOLUCIONES POTENCIA
3,5 m 6 0,7 m 0,88 m 10 rev/min 155,862 KW
Tabla de características para la unidad requerida.
AIREADOR En purificación de aguas se diseñan aireadores del tipo contacto liquido-gas, es decir, sistemas en los cuales se expone el agua al aire en pequeñas gotas o en laminas delgadas. (Villegas, 2004). Selección Para las dimensiones de la planta y el caudal de agua residual a tratar se selecciona el aireador.
AIREADOR MODELO MARCA CAPACIDAD
Flygt jet aerator ITT 2 – 21 kg/O2 por hora
FIGURA Flygt jet aerator
MEDIDOR DE PH Es importante la implementación de sistemas de control del ph y la alcalinidad. Debido a la producción de CO2, los procesos de lodos activados tienen una capacidad limitada para neutralizar aguas residuales alcalinas (Ramalho, 1990) Es por esto que en nuestro diseño hemos decido implementar un medidor de ph, a pesar de que en nuestra caracterización obtuvimos un valor de ph que esta dentro de los rangos aceptados. Selección. MEDIDOR DE PH METTLER TOLEDO Ingold Instrumentos de proceso altamente versátiles Puede configurar un sistema de medición de pH completo garantizando un alto nivel de seguridad del proceso.
Marca Modelo Caracteristicas
TUBERIA El diseño de la tubería se lo hace a partir de la velocidad de flujo y del caudal del tratamiento primario. (Crane, 1986)
⇒
⇒
√
√
TUBERIA PVC 4” (0,102 m)
Material Diametro Comprobacion de valores
Con esta velocidad de flujo en los tubos, se comprueba de que no va a ser menor a 0,5 m/s y por lo tanto no va a sedimentarse en la tubería.
Bombas Potencia requerida.
Donde: P
Potencia teorica W
Hb
Altura + longitud equivalente de tubería densidad kg/m3
Q
caudal m3/s
Potencia en hp:
Se seleccionara la bomba con potencia de 1 hp.
Accesorio Valvulas ½ vuelta de 4” Bomba de 1 Hp
Accesorios Cantidad 6 3
VILLEGAS, Maria paulina. PURIFICACION DE AGUAS 2004 RAMALHO, Rubens, TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES. ARRELLANO, Javier. INTRODUCCION A LA INGENIERIA AMBIENTAL. CRANE. FLUJO DE FLUIDOS EN VALVULAS Y ACCESORIOS 1986. ZAROR, Claudio. INTRODUCCION A LA INGENIERIA AMBIENTAL PARA LA INDUSTRIA DE PROCESOS.
Epa
[email protected] Mecanica10
