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REPORTE TECNICO FINAL DEL PROYECTO “ESTUDIO PRELIMINAR PARA EL DISEÑO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE EFLUENTES DE LA INDUSTRIA QUESERA PARA LA COMUNIDAD MENONITA”, CLAVE SIP 20070836.

RESUMEN

Las aguas residuales de la industria quesera contienen altas concentraciones de

grasas, Sólidos Totales (ST), Sólidos Disueltos Totales (SDT) y Demanda Química

de Oxígeno (DQO), por lo que su tratamiento secundario es muy complejo. Debido a

que las grasas causan problemas durante los tratamientos biológicos, es necesario

que se eliminen en el tratamiento primario. A fin de resolver esta problemática se

diseño un prototipo desnatador para reducir el contenido de grasas, bajo el régimen

de flujo laminar y flujo turbulento, con aire comprimido con burbuja gruesa. Consiste

en un recipiente cilíndrico de fondo cónico de 20 L de capacidad con un volumen de

operación de 14 L. La alimentación se realizó con muestras compuestas de aguas

residuales crudas de la empresa “Industria Quesera Holanda, S. de R. L., ubicada en

“Campo Hermoso” de la comunidad menonita de Nuevo Ideal, Dgo. La entrada del

afluente es lateral y la salida del efluente desnatado esta en el extremo opuesto. Al

centro cuenta con una mampara y una trampa de captación de grasas que se vierten

por derrame aprovechando su densidad y concentración. Las aguas residuales son

alimentadas con una bomba peristáltica Masterflex con velocidad variable. Se evaluó

la eficiencia de remoción de las grasas considerando los parámetros de gasto (Q) y

tiempo de retensión hidráulico (Tr). Se probaron 4 tiempos de retención hidráulicos

de, 6, 8, 10 y 12 horas. En cada uno de ellos se tomaron muestras al tiempo 0, 2 y 4

h a flujo constante. Las aguas residuales se caracterizaron durante el periodo de

prueba en muestras compuestas así como las aguas residuales desgrasadas,

determinando grasas por el Método de Soxlet, Conductividad eléctrica, pH y

temperatura. Se calculó la eficiencia del desnatador. Para determinar el inóculo mas

efectivo para el tratamiento de las aguas residuales de la industria quesera se probó

con aguas residuales sin tratar de la planta de tratamiento (PTAR), efluentes de la

segunda laguna de la PTAR de la ciudad de Durango, agua negras de la fosa séptica

de la empresa y un filtrado de la suspensión de estiércol al 10%.

Informe Técnico Final SIP 20070834

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1. INTRODUCCIÓN

El desarrollo tecnológico como una forma para obtener bienes y servicios en

beneficio de la población casi siempre es una fuente generadora de residuos líquidos

y sólidos que cuando no son aprovechados en el sitio de origen, causan

contaminación ambiental y disminución en la economía del propio generador. Esto

obliga a que la autoridad ambiental promulgue legislación con el afán de reducir la

problemática en los sitios de descarga y establezca la posibilidad de reusar, reciclar

o reutilizarlos a fin de optimizar el recurso.

En el caso de la producción de queso en la comunidad menonita de Nuevo

Ideal, Dgo., la cual es una de las principales industrias queseras del Estado, ha

funcionado desde hace más de 30 años, y no es la excepción como generador de

residuos contaminantes. Desde los inicios de operación las aguas residuales han

sido eliminadas a cielo abierto en los terrenos cercanos a las instalaciones y en

ocasiones a corrientes receptoras, como es el caso de la acequia que conduce las

aguas residuales municipales de la ciudad de Nuevo Ideal, Dgo.

Las descargas de agua residual al suelo ha provocado generación de olores

desagradables, generación de moscas y otros vectores; deterioro visual de lugar y la

posible contaminación del subsuelo y probablemente del agua del acuífero.

La empresa menonita en cuestión es la Quesería Holanda S. de R.L., y se

encuentra instalada en tres áreas denominadas “Campo Hermoso”, “Jardín de

Flores” y “Lugar de Rosas”, con un volumen total de leche procesada de 50 000

litros por día, aproximadamente. Se tiene contemplado que en el corto plazo toda la

producción se realice en la primera área.

A fin de mitigar el daño al ambiente y cumplir con la Normatividad, en cuanto a

las descargas de aguas residuales, la empresa solicitó al Centro Interdisciplinario de

Investigación al Desarrollo Integral Regional, CIIDIR IPN Unidad Durango, un estudio


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para que se realice la gestión de la calidad del agua, esto es, que se traten las aguas

residuales a fin de cumplir con la normatividad ambiental vigente.

Con base a lo anterior, se planteó este proyecto, el cual contempla dos fases:

la primera consiste en reducir el exceso de grasa en el efluente (tratamiento primario)

y la segunda fase en realizar estudios de tratabilidad del agua desnatada para

proponer un tren de tratamiento secundario.

JUSTIFICACIÓN

El problema principal que actualmente enfrenta la empresa quesera de la

comunidad menonita es que las aguas residuales no reciben un tratamiento biológico

adecuado y son eliminadas al suelo a cielo abierto, a estanques rústicos así como a

corrientes receptoras (Figura 1), generando olores desagradables, fauna nociva y

aspectos visuales que rompen la armonía de los alrededores de la empresa, así

como la posible contaminación del subsuelo y mantos acuíferos.

El efluente se genera durante las operaciones de limpieza del equipo, lavado

de utensilios y áreas de producción, donde parte del suero dulce y salado se eliminan

Figura 1. Descarga de aguas residuales en corrientes receptoras.


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produciendo un agua residual con alto contenido de materia orgánica, compuesta en

su mayor parte de grasa, lactosa y proteínas; sólidos suspendidos y sedimentables

así como sales inorgánicas, las que producen rangos elevados de conductividad

eléctrica.

Debido a lo anterior, a últimas fechas la Comisión Nacional del Agua (CNA) ha

ejercido mayor vigilancia sobre sus descargas y debido a que no cumplen con la

normatividad vigente (NOM-001-SEMARNAT-1996), recientemente la empresa

quesera ha recibido apercibimientos.

Finalmente, tomando en cuenta la economía del usuario, se contempló

construir y evaluar un prototipo desnatador para remover grasas del efluente de la

industria quesera tal que al proyectarlo para una planta de tratamiento tome en

cuenta la mayoría de los aspectos técnicos relevantes para su funcionamiento para

obtener los mejores resultados de operación y considerando que no deberán

emplearse sistemas mecánicos caros. Por otro lado, debido a la complejidad de la

composición del agua residual de la industria quesera fue necesario realizar estudios

a nivel de laboratorio, para determinar los inóculos más adecuados para lograr una

remoción de materia orgánica a través de estudios de cinética microbiana.

OBJETIVOS Objetivo General

Realizar pruebas en el tratamiento primario y secundario para dimensionar

estructuras de una planta de tratamiento para aguas residuales para la industria

quesera en una comunidad Menonita.

Objetivos Específicos 1. Construir y determinar las condiciones de operación, a nivel de laboratorio, de un

prototipo desnatador para reducir la concentración de la grasa de aguas

residuales de la industria quesera.


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2. Determinar a nivel de laboratorio las condiciones de tratamiento biológico de las

aguas residuales de la industria quesera.

2. ANTECEDENTES

La materia prima para producción de queso

La leche es un líquido nutritivo de color blanquecino, producido por las

hembras de los mamíferos (incluidos los monotremas). La leche de los mamíferos

domésticos es un producto de consumo corriente en la inmensa mayoría de las

civilizaciones humanas, principalmente leche de vaca, aunque también en muchos

países se consume la leche de oveja, cabra, de yegua, de camella, de dromedario,

entre otros. (http://es.wikipedia.org/wiki/Leche).

La leche es la base de numerosos productos lácteos, como la mantequilla, el

queso o el yogur. Varios subproductos de la leche son utilizados en las industrias

agroalimentarias, químicas y farmacéuticas: leche concentrada, leche en polvo,

caseína o lactosa. La leche de vaca se utiliza también en la alimentación animal.

Debido a la importancia que representa leche para esta industria, es básico

conocer su composición, la esta compuesta por el 87.5% de agua, 13% de sólidos

totales, 3.9% de grasas, 3.4% de proteína, 4.8% de lactosa y 0.8% de minerales

Durante el proceso de la leche, generalmente se vierte al agua residual de 0.5 a

2.5% de la leche cruda y puede alcanzar hasta 4% (Omil, et al, 2003). Aunque la

mayoría de los compuestos son biodegradables, algunos como la lactosa son

consumidos en el tratamiento biológico, mientras que las proteínas y especialmente

las grasas no son fácilmente degradadas.

Queso

El queso es un alimento sólido elaborado a partir de la leche cuajada de vaca,

cabra, oveja u otros mamíferos. La leche es inducida a cuajarse usando una

combinación de cuajo (o algún sustituto) y acidificación. Las bacterias se encargan

http://es.wikipedia.org/wiki/Color

http://es.wikipedia.org/wiki/Mammalia

http://es.wikipedia.org/wiki/Monotremas

http://es.wikipedia.org/wiki/Mammalia

http://es.wikipedia.org/wiki/Dom%C3%A9stico

http://es.wikipedia.org/wiki/Vaca

http://es.wikipedia.org/wiki/Oveja

http://es.wikipedia.org/wiki/Cabra

http://es.wikipedia.org/wiki/Equus_caballus

http://es.wikipedia.org/wiki/Camello

http://es.wikipedia.org/wiki/Dromedario

http://es.wikipedia.org/wiki/Productos_l%C3%A1cteos

http://es.wikipedia.org/wiki/Mantequilla

http://es.wikipedia.org/wiki/Queso

http://es.wikipedia.org/wiki/Yogur

http://es.wikipedia.org/wiki/Case%C3%ADna

http://es.wikipedia.org/wiki/Lactosa


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de acidificar la leche, jugando también un papel importante en la definición de la

textura y el sabor de la mayoría de los quesos. Algunos también contienen mohos,

tanto en la superficie exterior como en el interior (Alais, 1970).

Respecto de la leche utilizada para elaborar el queso menonita, es colectada

en los campos menonitas y almacenada por ellos mismos siendo la venta de queso

la principal fuente de ingresos de la comunidad. Hay una gran variedad de quesos,

cuya versatilidad está dada por las variaciones que hay en su proceso, en el tiempo

de curación, donde la pasteurización de la leche también puede afectar al sabor del

queso.

Para hacer un kilogramo de queso se requiere aproximadamente 10 litros de

leche. Siendo este uno de los derivados lácteos que tienen mucha demanda en el

mercado, además de ser una gran tradición en la cultura menonita en la ciudad de

Durango.

Grasas Las grasas aportan del 30 a 40% de la Demanda Química de Oxigeno (DQO)

en las aguas residuales municipales y es uno de los contaminantes más complejos

de eliminar, debido a la variedad del tamaño de las partículas y al comportamiento

fisicoquímico, ya que debido a su baja solubilidad de adhiere al interior de los tubos,

paredes de los tanques, reduce la tratabilidad biológica del agua residual y produce

sólidos grasos superficiales dificultando su manejo y tratamiento. Entre los métodos

de separación que más se aplican son la flotación, sin embargo, en el caso de la

leche, las partículas de grasa son muy pequeñas para que esto funcione

adecuadamente, ya que la partícula mínima debe ser de 20 micras, siendo que en la

leche éste es el tamaño máximo (Chipasa y Medrzycka, 2006).

Otra de las características químicas de las grasas, que obligan su remoción,

es que con el tiempo y al estar en contacto con el aire sufren rancidez y produce

olores desagradables, dandole al agua un olor muy intenso que al contacto con la

piel o en la ropa resulta muy complicada su eliminación. Finalmente, cuando no son


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retiradas adecuadamente, debido a los cambios de temperatura, se llegan a formar

bloques de grasa que obstruyen los conductos del agua residual en las etapas

posteriores al desnatador (Figura 2).

Tratamiento de aguas residuales industriales lácteas

En México en 1995, el procesamiento de leche y sus derivados representaba

el 10% del Producto Interno Bruto (PIB) de la industria alimenticia y el 1.8% de

industria manufacturera. Existían 5 millones de vacas, las cuales producían alrededor

de 7.288 x 106 litros de leche por año, mientras que el consumo nacional era de 9

500 x 106 L/año. La diferencia era cubierta por la importación de 145 000 toneladas

de leche en polvo. Parte de la leche era transformada en queso, crema y mantequilla

y otros derivados. En total la industria láctea generaba entre 3.739 y 11.217 millones

de m3 de agua residual por año. En promedio esta agua contiene de 1,000 a 4,000

mg/L de demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) que corresponden entre 2 a 5 g de

DBO5 por kg de leche procesada (Monroy, et al, 1995).

En el caso del agua residual de la industria menonita se caracterizan por el

alto contenido de materia orgánica, que consiste de proteína, carbohidratos y grasas,

Figura 2. Obstrucción de instalaciones por la acumulación de grasa en el tanque de recepción de las aguas residuales.


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esta última en alta concentración; así también elevados niveles de conductividad

eléctrica y sólidos sedimentables por lo que el diseño de la planta tiene que

considerar la infraestructura para remover dichas componentes.

Para el tratamiento de este tipo de aguas residuales existen diferentes

procesos. El pretratamiento químico a través de coagulantes y floculantes y la

aplicación de flotación de aire disuelto para su separación de grasa favoreciendo la

reducción de DQO (Rusten, et al, 1993). Bonnet, Bogaerts y Bohatier (1999)

evaluaron a nivel piloto la biodegradación del suero por un protozoario ciliado,

Tetrahymena pyriformis, observando que bajaba el nivel de contaminación del suero

y combinado con un tratamiento de aguas residuales en lagunas alcanzaba un nivel

aceptable de DBO5 para descargarlo a un curso de agua.

Rusten, Siljudalen y Strand (1996) mejoraron instalaciones de una industria

quesera modificando una planta de tratamiento que consistía en un tanque de

igualación aireado y dos filtros rociadores en serie y un sedimentador la transformó la

primera sección en un tanque de lodos activados con una unidad de precipitación

química de fósforo, obteniendo eficiencia de remoción de DQO menor de 95% y

concentraciones menores de 1.0 mg/L en el efluente. Omil, et al (2003) empleando

un reactor anaerobio y un reactor secuencial tipo batch de un efluente con carga

orgánica de 2 a 5 g de DQO/L, alcanzó una remoción de DQO hasta 90% en el

efluente. Monroy et al (1995) en efluentes de la industria quesera, logró remover 70%

de la grasa haciendo pasar el efluente a través de un desnatador con cuatro

secciones. La primera consistió en un filtro de grava de 3”, 2” y 1” de diámetro donde

desmulsifica a la grasa; la dos siguientes secciones consistieron en la separación de

la grasa por flotación con aire comprimido con difusores de burbuja gruesa.

En cuanto al tratamiento de aguas residuales se requieren diferentes niveles

de tratamiento. El objetivo general es reducir la materia orgánica del agua residual y

convertirla en un producto que pueda ser reutilizado o dispuesto en suelo o

corrientes receptoras, que sea amigable con el medio ambiente sin afectar la salud

de la población (Crites y Tchobanoglous, 2000).


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Los procesos empleados en las plantas tratadoras municipales suelen

clasificarse como parte del tratamiento primario, secundario, terciario o de pulimiento

(Metcalf and Eddy, 1996).

En el tratamiento primario las aguas residuales que entran en una planta de

tratamiento contienen materiales que podrían atascar o dañar las bombas y la

maquinaria. Estos materiales se eliminan por medio de enrejados o cribas

horizontales, y se queman o se entierran tras ser recogidos en forma manual o

mecánica. El agua residual pasa a continuación a través de una trituradora, donde

los materiales orgánicos son triturados para facilitar su posterior procesamiento y

eliminación (Fair, Geyer and Okun, 1971). Algunas de las operaciones unitarias son:

tamizado, homogenización de caudales, intercepción o remoción de grasas,

sedimentación, flotación natural o provocada con aire, filtración con arena, carbón y

cerámicas, la evaporación, absorción, desorción y extracción también son

considerados dentro de este nivel de tratamiento (Metcalf and Eddy, 1996).

En el caso de las grasas la remoción en un efluente industrial se ha aplicado el

proceso de flotación aprovechando la baja densidad y a las propiedades de

formación de una emulsión (Reynolds, 1983).

Para el tratamiento secundario generalmente se aplican procesos unitarios

para remover la materia orgánica, a través del tratamiento biológico en todas sus

acepciones. Los procesos unitarios incluyen las fosas sépticas, reactores aerobios,

reactores anaerobios, arreglo de lagunas de oxidación, principalmente (Winckler,

1981). Para el tratamiento terciario se aplican las lagunas de alta tasa y humedales

artificiales (Crites y Tchobanouglous, 2000 ).

El tratamiento anaerobio generalmente se aplica para aguas residuales

industriales con alta carga orgánica. Los efluentes de este sistema generalmente no

deben descargarse a una corriente receptora, es recomendable que haya un

tratamiento facultativo o aerobio (Arceivala, 1981).


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3. MATERIAL Y METODOS

Descripción del sitio de estudio

La empresa Quesería Holanda S de R.L. esta ubicada en las coordenadas de

24º 53’ de Latitud Norte y 105º 04’ de Longitud Oeste, con una altura de 1900 msnm,

y cuenta con tres instalaciones ubicadas en “Lugar de Flores”, “Jardín de Rosas” y la

de mayor tamaño en cuanto a producción, en el sitio conocido como “Campo

Hermoso” dentro del Municipio de Nuevo Ideal, Dgo. Esta situado a 130 km al

noroeste de la capital del Estado, y colinda al oriente con la Laguna de Santiaguillo

(Figura 3).

Descripción de las de descargas de aguas residuales Las descargas de aguas residuales producto del lavado de equipo, materiales

y pisos así como los escurrimientos de leche bronca, suero dulce y salado son

recolectados a través de tubería de PVC y descargadas a una fosa receptora de 2.0

m3 como se muestra en el conjunto de la Figura 4.

Figura 3. Ubicación de la empresa Quesería Holanda S. de R.L.


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Posteriormente pasan a una trampa de grasas de tres compartimientos de 6 m

de largo por 2 m de ancho por 2 m de profundidad (Figura 5), a partir de la cual se

descarga el agua a un estanque de 50 cm de profundidad, que funciona como un

sistema de evaporación e infiltración (Figura 6).

Figura 5. Tanque desnatador con exceso de grasa.

Figura 4. Fosa de recepción de los efluentes provenientes del proceso de elaboración de queso.


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Muestreo de aguas residuales El muestreo del agua residual se realizó de acuerdo al método propuesto por

la APHA-AWWA-WEF (1995), tomando muestras simples cada media hora hasta

alcanzar un volumen necesario para hacer una muestra compuesta que sirvió para

realizar las corridas experimentales planeadas para evaluar el prototipo desnatador o

desgrasador. Una vez removida la grasa el efluente fue utilizado para realizar los

ensayos biológicos a nivel de laboratorio. Después de tener la muestra compuesta se

tomo una pequeña muestra, por duplicado, para caracterizarla fisicoquímicamente,

preservándola con H2SO4 concentrado y trasladada al laboratorio para su análisis

correspondiente.

Caracterización del agua residual

Durante el muestreo se midió in situ la conductividad eléctrica (CE) en μS/cm,

se determinó de acuerdo a la NMX-AA-093-SCFI-2000, con un medidor de campo

marca HANNA. Las determinaciones se hicieron por dilución a partir de una alícuota

de 10 mL de agua residual. La temperatura (oC) se midió con termómetro de vidrio y

el contenido de sólidos sedimentables por el método de cono Imhoff.

Figura 6. Estanque de evaporación de aguas residuales.


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A nivel de laboratorio se midió el pH con un potenciómetro, marca Orion,

Modelo 230A, así como el contenido de grasa por el Método de Extracción de

Soxhlet. Las determinaciones se realizaron en el laboratorio de Ambiental del

CIDIIR, de acuerdo a la Norma Mexicana NMX-AA-005 para la determinación de

grasas y El nitrógeno orgánico se realizó con el equipo de digestión BÜHI, modelo

K-424 y la destilación y titulación con el equipo microKjeldhal, marca Labconco. El

fósforo se realizó con la técnica de fósfor extractable, de Bray y Kurtz1, modificado

para muestras con pH< a 7.0 (Etchever, 1992).

Construcción del desnatador

Considerando la capacidad económica de los usuarios y la existencia de

tanques cilíndricos de acero inoxidable con que ya cuenta la empresa (Figura 8), y

por las facilidades operacionales de un tanque cilíndrico respecto de un tanque de

forma rectangular se planteó construir y evaluar un prototipo de esta forma con una

relación largo/diámetro de 2:1, probando dos régimen de alimentación, uno con flujo

laminar y otro con flujo turbulento, aplicando aire comprimido con burbuja gruesa.

La forma del prototipo y materiales de construcción se eligieron tomando como

base las experiencias de trabajo realizados anteriormente en la academia haciendo

Figura 8. Tanque cilíndrico sin uso actual susceptible de emplearse como desnatador.


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algunas modificaciones al prototipo respecto de la captación de la grasa y salida del

efluente desnatado.

Los parámetros de construcción y de la evaluación operacional, fueron

básicamente el volumen del tanque (V), el gasto de agua (Q), y el tiempo de

residencia hidráulico (Tr).

El prototipo consiste en un tanque cilíndrico de 20 L (Figura 9), con fondo cónico

por el cual se instaló la salida de los sólidos sedimentables y de las grasas

concentradas. Al centro cuenta con una mampara de PVC de 6”, el cual fue fijado

con sellador tanto en las paredes del fondo como en la parte superior, con tres

pestañas, como observa en el conjunto de figuras de vista superior (Figura 10).

Sobre la mampara se colocó un embudo de plástico de igual tamaño de diámetro,

para captar la grasa que se separa por flotación.

Corte A-A

Corte B-B

Corte C-C

Figura 9. Cortes del prototipo.

Entrada de agua residual cruda

Salida de agua desnatada Embudo de

plástico

Mampara de PVC

Salida de grasas concentradas

Salida de sólidos sedimentables


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Figura 10. Conjunto de figuras del desnatador con vista superior en tres cortes.

Tres soportes de la mampara para sujetar el embudo.

Garrafón de plástico de 20 L

Corte A-A

Embudo con el plástico de 6” de Ø

Salida de Aguas desgrasadas

Tubo de 3/8” Ø de descarga de la grasa

Corte B-B Mampara de PVC de 6” de Ø

Entrada de agua residual cruda

Corte C-C

Tubo de 3/8 “ Ø para descarga de la grasa

Tubo de 3/8” Ø Para descarga de Sólidos Sedimentables

Tapón hule de 2”Ø

Parte baja del garrafón


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En una pared lateral se hizo una perforación de 3/8”, a 15 cm del fondo, para

instalar el sitio de alimentación del agua residual con tubería de cobre y empaques

de hule y plástico rígido para asegurar la hermeticidad. En la pared posterior de la

entrada, se instaló la salida del agua residual desnatada, la cual quedó exactamente

a la altura del embudo. Se le colocó una tubería de descarga de cobre de 3/8” la

cual baja a los 15 cm del fondo, a la altura de la alimentación. Los detalles se

muestran en la Figura 10.

Se acondicionó una estructura metálica (Figura 11), construida de perfil tubular

rectangular (PTR) de 1”, pintada con pintura epóxica, para que fuera funcional y fácil

de transportar durante la evaluación del prototipo (Figura 12).

28 cm

28 cm

80 cm

40 cm

27 cm

13 cm

20 cm

Figura 11. Soporte metálico donde se introduce el tanque separador de grasa.

Figura 12. Vista real del tanque separador de grasa en la estructura

metálica.


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En la parte inferior del tanque se colocó un tapón de hule con dos

perforaciones, una para la salida de la grasa concentrada y la otra para eliminar los

sólidos sedimentables.

Funcionamiento del prototipo

Se aforó el tanque quedando finalmente a un volumen constante de 14 L. La

alimentación se realizó con una bomba de velocidad variable, marca Masterflex y

manguera de silicón de 1/8”. Dependiendo del tiempo de retención hidráulico la

bomba se calibró dando los gastos que se marcan en la Tabla 1.

Antes de realizar las pruebas de remoción de grasa, se probó su hermeticidad

hasta lograr que no hubiera ninguna fuga, lo cual fue un poco complicado, ya que las

paredes del tanque no fueron tan rígidas como se había contemplado.

Posteriormente, se adicionó el agua residual con la bomba esperando que el

tanque se llenara de acuerdo al tiempo de retención (Tr) programado. Una vez

cubierto el Tr a partir de ese momento se dejó en estado estable en cuanto al flujo, y

se tomaron muestras de 1 L, al tiempo 0, 1, 2, 3 y 4 horas de haber alcanzado el Tr

Tabla 1. Cálculo del gasto en función del tiempo de retención hidráulico para un volumen constante de 14 L.

Gasto (mL/min) Tiempo de residencia

hidráulico (h)

38.3 6

29.16 8

23.3 10

20 12

15.5 15


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para evaluar si se mantenía estable la separación de grasa. Al final de cada toma la

muestra se preservó con H2SO4 concentrado. Este proceso se realizó con flujo

laminar y flujo turbulento.

El flujo turbulento se logró inyectando aire comprimido con un difusor de burbuja

gruesa al tanque que contenía el agua residual cruda, calculada de acuerdo a

Reynolds (1983).

Corrida experimental Primero se hicieron todas las corridas con flujo laminar y al final con el

turbulento. Cada una se realizó con muestras de aguas residuales transportadas de

un día para otro (por la distancia del sitio de muestreo al centro de trabajo). Después

se calibró el flujo de alimentación de la bomba para obtener los tiempos de retención

hidráulica (Tr) de 6, 8, 10 y 12 h. En cada tiempo de retención se obtuvieron cuatro

muestras al tiempo 0, 1, 2 y 3 h en recipientes de vidrio con un volumen de 1 L,

añadiéndole 1 ml de H2SO4 concentrado para determinar la concentración de grasa y

evaluar su eficiencia de remoción. El hecho de tomar cuatro muestras fue para

observar si había estabilidad de remoción en cada Tr.

Respecto a la segunda sección experimental, a fin de evaluar el

comportamiento cinético del agua residual respecto al inóculo, se realizó un estudio

cinético en frascos de 4 L, con un volumen de operación de 3.8 L, por duplicado, a

temperatura ambiente en condiciones estacionarias y bajo un proceso anaerobio,

empleando 4 inóculos diferentes. Se midió el contenido de nitrógeno orgánico,

fósforo de fosfatos, pH, Temperatura, conductividad eléctrica y sólidos volátiles

totales, aplicando un diseño completamente al azar con dos repeticiones.

En los bioensayos con la muestra de agua residual cruda, se probaron los

siguientes inóculos: 1) Agua residual cruda obtenida en el emisor de descarga que

llega a la planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR) de la ciudad de Durango;


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2) Agua tratada de la segunda laguna de la PTAR; 3) Agua negra de la fosa séptica

de la empresa menonita y 4) filtrado de una suspensión de estiércol al 10% (tabla 2).

Finalmente, el diseño que se probó fue de la siguiente manera:

Tabla 2. Condiciones del diseño experimental para evaluar el mejor inóculo para el tratamiento de aguas residuales.

Volumen de agua residual de la quesería (ARQ) 2 760 mL

Volumen de muestra de inóculo (1040 mL) Volumen total

ARQ 30% de AR de la PTAR 3 800 mL

ARQ 30% de ARSL 3 800 mL

ARQ 30% de AN 3 800 mL

ARQ 30% de filtrado de una

suspensión al 10% de

estiércol de ganado vacuno

3 800 mL


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6. RESULTADOS

1. Composición del agua residual cruda.

La composición del agua residual cruda de la empresa quesera menonita

resume la composición en la tabla 3.

Tabla 3. Composición del agua residual de la industria quesera menonita.

Componente Volumen

Suero dulce 0.88 m3

Suero salado 0.23 m3

Suero del prensado de los quesos 0.42 m3

Agua condensada de las tinas 0.99 m3

Agua del lavado de la pipa, lavado de moldes, equipo e instalaciones

1.13 m3

Volumen promedio de agua residual

7.38 m3/día

Parte de éstos resultados se calcularon en base a la cantidad de residuos líquidos

que se generan por cada 1000 L de leche que se procesan.

2. Caracterización de las aguas residuales crudas

Los resultados de la composición del agua residual de la empresa quesera se

muestran en la tabla 4.


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Tabla 4. Composición del agua residual de la industria quesera.

Componente Rango de

Concentración (mg/L)

Temperatura 30 - 37°C

pH 5.5 – 6.5

Conductividad Eléctrica (μS/cm) 3 220 – 13 340

Grasa 1 080 – 3 580

Nitrógeno orgánico 202.3

Fósforo 113

Sólidos Sedimentables (mL/L) 60 - 100

Análisis de resultados En la tabla 5 se anotan las características promedio de las aguas residuales al

inicio de las pruebas de evaluación del desnatador.

Tabla 5. Caracterización promedio del agua residual al inicio de la evaluación del desnatador.

Componente Concentración

pH (unidades) 4.5 a 5.5

Conductividad eléctrica (mS/cm) 11 a 12.9

Grasas (g/L) 1.8 a 3.5

Sólidos sedimentables (mL/L) 60 a 80

Temperatura (°C) 15 a 22

El pH del agua residual cruda se modificó casi siempre después de 24 horas

de almacenada la muestra, ya que siempre bajaba de 6.5 a 4.5 unidades. La CE

prácticamente no cambió durante la evaluación del desnatador. Sin embargo es


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prudente anotar que aún y cuando no esta regulado por la NOM-001-SEMARNAT-

1996, es importante considerar este parámetro, ya puede afectar la eficiencia del

tratamiento biológico de las aguas residuales, al incrementar la presión osmótica en

las bacterias.

Respecto a la temperatura el rango osciló de 27 a 36°C durante el muestreo

sin embargo al momento de evaluar el prototipo prácticamente bajaba de 5 a 15

unidades de temperatura, obteniendo un promedio de 22.5°C. Estos valores

impactan en la eficiencia de remoción de grasas, ya que a mayor temperatura mayor

solubilidad de ellas, por tanto mayor problema de separación. De aquí que para que

sea más eficiente la remoción sería suficiente con dejarlas reposar un día en un

tanque de igualación o amortiguamiento para que se pierda calor y se mejore la

separación de las grasas.

En cada muestreo se

determinó el contenido de

sólidos sedimentables con

conos Imhoff (Figura 13), con

valores que fluctuaron entre

60 y 100 mL/L, lo cual fue

confirmado durante el

funcionamiento del prototipo

donde se calculó la

acumulación de ellos y fue de

60 a 80 mL/L durante las

diferentes corridas

experimentales.

Figura 13. Determinación de Sólidos Sedimentables en conos Imhoff.


22

Determinación de Grasas

A las muestras compuestas de aguas residuales se les determinó el contenido

de grasas empleando este dato como punto de partida para calcular la eficiencia de

remoción de grasa durante la evaluación (figura 14), así también como las muestras

tomadas durante los diferentes tiempos de retención hidráulico.

En la tabla 6, se resumen los resultados de las diferentes corridas donde se evaluó la

eficiencia de remoción de grasas del prototipo

Figura 14. Muestreo de las aguas desnatadas para análisis de grasas.


23

Tabla 6. Concentración de grasas en muestras de agua desnatada durante la evaluación del prototipo en régimen de flujo laminar.

Tr (horas) Tiempo de estabilidad

(horas)

[Grasas] Final (mg/L) [Grasas] inicial

(mg/L) Remoción

(%) 0 0.50

1 0.40

2 ----

4

3 0.434

1.20 62.4

0 0.369

1 0.361

2 0.369 6

3 0.444

1.32 70.42

0 0.463

1 0.457

2 0.384 8

3 0.386

1.324 68.09

0 0.543

1 0.544

2 0.586 10

3 0.589

1.324 57.28

0 0.294

1 0.256

2 0.271 12

3 0.279

1.324 79.23

De la Tabla 6, se observa que las dos eficiencias más altas se obtuvieron al Tr

igual a 6 horas con una eficiencia de 70.42% y a Tr a 12 horas una eficiencia de

79.23%. De acuerdo a los datos de remoción la estabilidad tiene una desviación

estándar de = 0.09, por lo que se considera que la estabilidad de remoción de grasa

es muy confiable lo que le da un buen valor a las eficiencias encontradas (Vigueras,

et al, 2007).


24

Considerado estos valores para efectuar los cálculos de dimensionamiento del

tanque desnatador para la planta de tratamiento de la empresa, tomando como base

de cálculo 10 m3 de gasto promedio de aguas residuales crudas por día más 20% de

sobredimensionamiento, condición teórica para ajustar algún pico volumétrico,

entonces el volumen del tanque desnatador sería de:

Cálculos:

TrVQ /=

donde:

=Tr Tiempo de retención hidráulico (horas)

=Q Gasto de agua residual durante 12 horas (m3/h)

=Vt Volumen final del tanque (L)

%20)*( += QTrQ

Datos:

=Tr 6 horas

=Q 10 m3/día = 416.7 L/h

*solo trabajan medio día.

Con lo anterior, se tiene:

Vt6h = (6 h x 416.7L/h) + 20%

Vt6h = 2,995L que para fines operativos sería de 3,000 Litros

Vt12h = (12 h x 416.7L /h) + 20%

Vt12h = 5,990 L, lo que equivale a 6,000 Litros.


25

En cuanto a los resultados obtenidos con flujo turbulento, los resultados parciales se

muestran en la tabla 7.

Tabla 7. Concentración de grasas en muestras de agua desnatada durante

la evaluación del prototipo en régimen de flujo turbulento.

Tr (horas) Tiempo de estabilidad

(horas)

[Grasas] Final (mg/L) [Grasas] inicial

(mg/L) Remoción

(%) 0 4E-01

1 0.4256

2 0.463

4

3 0.4702

2.6033 80

Hasta el momento se tienen resultados parciales, que sin embargo son

alentadores respecto a la remoción de grasas empleando aire comprimido de burbuja

gruesa.


26

3. Resultados de la cinética de tratamiento biológico de aguas residuales crudas. Los estudios cinéticos de los diferentes inóculos se demuestran en la grafica

1, donde el pH alcanza 7 unidades a los 32 días para el ARQ con AN y 33 días para

ARQ con el filtrado de la SUSPENSIÓN de estiércol al 10% mientras que el testigo

lo alcanza el pH= 7 hasta los 55 días. Esto podría inferir que se requieren 32 días

para arrancar propiamente el tratamiento biológico del agua de la industria quesera.

En la misma grafica se observa una raya vertical punteada que significa que

hasta ese tiempo (59 días) se inició la adición de agua residual cruda, tomando en

cuenta los demás parámetros, observando que el pH se mantiene dentro del rango

de anaerobiosis de 6.5 a 7.3 (Arceivala, 1981).

Respecto a la remoción de nitrógeno orgánico, en la grafica 2, se observa que

Grafica 1. Cinética de pH de los inóculos en función del tiempo.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Tiempo (días)

pH

ARQ + AR de la PTAR ARQ + ARSL

ARQ + AN ARQ + SUSP de estiércol al 10%

TESTIGO


27

Grafica 2. Cinética de los inóculos respecto a Nitrógeno orgánico en función del tiempo.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Tiempo (días)

Nitr

ógen

o or

g (m


ARQ + AN ARQ + SUSP de estiercol al 10%

TESTIGO

El inóculo de las aguas residuales de la segunda laguna (ARQ + ARSL) tiene

una velocidad de decaimiento significativa al igual que el inóculo de la PTAR, lo que

podría implicar que estos serían los inóculos más apropiados para arrancar la planta

de tratamiento. El mismo comportamiento se observa cuando se adiciona ARQ a los

frascos.

Respecto del fósforo, los resultados de la cinética se muestran en la grafica 3,

donde nuevamente los inóculos de AR de la PTAR y de ARSL tienen una mayor

respuesta de consumo de fósforo por lo que fortalece la idea de emplearlos como

inóculos para el arranque de la planta de tratamiento de aguas residuales de la

industria quesera.


28

Grafica 3. Cinética de los inóculos respecto del fósforo en función del tiempo.

0

10

20

30

40

50

60

70

0 20 40 60 80 100

Tiempo (días)

Fósf

oro

(mg



TESTIGO

Finalmente, la cinética de la presencia de sólidos volátiles totales se muestra

en la grafica 4, donde se demuestra la presencia de los microorganismos

responsables de la disminución de nitrógeno y fósforo, principalmente, y que se

observa que existe una fase de adaptación aproximadamente de 30 días, a partir de

la cual se inicia una fase de crecimiento, que debido a la disminución ausencia de

nutrientes (graficas 2 y 3). Sin embargo, al adicionar ARQ, a los 61 días, se observa

un crecimiento muy alto debido al alto contenido de nitrógeno orgánico (202.3 mg/L)

y 113 mg/L de fósforo, respectivamente. Esto significa que es posible que la fase de


29

arranque pueda durar entre los 35 y 40 días, lo cual es muy alentador para este tipo

de efluentes, los cuales se caracterizan por el alto contenido de materia orgánica.

Grafica 4. Cinética de los inóculos respecto de los Sólidos Volátiles en función del tiempo.

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0 20 40 60 80 100

Tiempo (días)

SVT

(mg/



TESTIGO


30

7. CONCLUSIONES

De acuerdo a los objetivos planteados podemos concluir con los siguientes

puntos.

1. El diseño del prototipo logró una eficiencia de remoción de grasa de 79.3% y

70.42% a las 12 y 6 horas de tiempo de retención hidráulico, respectivamente,

aplicando un flujo laminar. Hasta el momento se tienen datos parciales del

flujo turbulento que realmente son alentadores, ya que a un Tr = 6 horas

alcanza una eficiencia de remoción de grasa de 80%, aplicando aire

comprimido con burbuja gruesa, el cual si se compara con el logrado por

Monroy, et al, (1995), aplicando la flotación con aire comprimido, él obtiene

70% de eficiencia en una planta de tratamiento. Esto permite predecir

resultados alentadores para cuando se proyecten estos resultados en la

construcción de un desnatador para planta de tratamiento de la industria

referida.

2. Los inóculos más adecuados para el tratamiento de las aguas residuales de la

industria quesera definitivamente fueron las aguas tratadas que proviene de la

segunda laguna de la planta de tratamiento de aguas residuales de la ciudad

de Durango, Dgo., ya que la velocidad de decaimiento del nitrógeno orgánico

y fósforo es alta.

3. De acuerdo a las cinéticas de crecimiento de los inóculos, es posible que la

fase de arranque de la planta de tratamiento se lleve a cabo entre 35 y 40

días, lo cual resulta muy alentador, ya que generalmente llegan a tardar hasta

3 meses, bajo condiciones anaerobias.

8. RECOMEDACIONES

1. De acuerdo a los resultados obtenidos en el prototipo de desnatador con los

dos flujos de alimentación se recomienda la aplicación del tipo DAF, ya que

existe mayor eficiencia de remoción de grasas del agua residual quesera.


31

2. A fin de lograr mayor eficiencia de remoción de grasas es recomendable que

exista un tanque homogenizador antes del desnatador, el cual deberá

proporcionar una pérdida de calor del agua residual cruda, para beneficiar la

coalescencia de las grasas.

3. Como se pueden apreciar los valores fueron muy elevados con un valor de

13,340 μS/cm y por ello fue imperioso separar los efluentes salados y darles

un tratamiento por separado. Otra causa también muy importante fue que sino

se reducía la concentración esto incrementaría sin duda alguna la salinidad de

los suelos cuando se dispongan los efluentes tratados.

4. Para el diseño de un desnatador o desgrasador se recomienda que sea

cilíndrico con alimentación ascendente, de preferencia que tenga un sistema

de enfriamiento (chaqueta) para favorecer la remoción de la grasa, ya que al

bajar la temperatura del agua residual la grasa tiene a formar una

acolmatación.

5. Es indispensable realizar estudios de mercado o diseñar alternativas

tecnológicas para el reuso o disposición adecuada de las grasas y de los

sólidos sedimentables, ya que estos últimos tienen alto valor alimenticio.


32

9. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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Compañía Editorial Continental , S.A. (C.E.C.S.A); Mexico. DF; pp. 73-74.

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33

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11. NOM-001-SEMARNAT-1996; Que Establece los Limites Máximos Permisibles

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