rediseño del sistema de tratamiento de aguas residuales de fabricas de chicha
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UNIVERSIDAD CATÓLICA BOLIVIANA SAN PABLOUNIDAD ACADÉMICA REGIONAL COCHABAMBA
Departamento de Ciencias Exactas e IngenieríaIngeniería Ambiental
Mejoramiento del diseño del sistema de tratamiento de aguas residuales de fábricas de chicha de Kanarancho-Tiquipaya.
Estudio de caso: fábrica de chicha Miguel Pizarroso
Proyecto de Grado de Licenciatura en Ingeniería Ambiental
Rocío Luz Leyda Chavarría Quintanilla
Cochabamba – Bolivia Marzo 2010
TRIBUNAL EXAMINADOR
Mgr. Claudia PizarroProfesora Guía
Dr. David AmurrioProfesor Relator
Ing. Mauricio AzeroDirector de Carrera
Dr. René Santa CruzRector Regional
Agradecimientos
Agradezco a Dios, quién me regaló la oportunidad de vivir y de vivir con un propósito. Todo se lo debo a Él.
Quiero agradecer a las tres personas que fueron mis guías y que con su gran dedicación me ayudaron a concluir este trabajo:- Mis papás, quienes estuvieron a mi lado en todo momento, enseñándome a perseverar y
a luchar por alcanzar mis sueños.
- Claudia Pizarro, quién supo guiar este trabajo hasta su culminación, le agradezco por tener una extraordinaria paciencia conmigo y por ser mi principal “cómplice” en este documento.
Quiero agradecer al Dr. Amurrio por sus conocimientos impartidos, al Ing. Azero por ser un excelente director de carrera, al Ing. Marcelo Ledezma del CASA y a la Unidad de Medio Ambiente de la Alcaldía de Tiquipaya.
Agradezco a la Universidad Católica que llegó a ser una familia para mi, siento una gran nostalgia al volver a entrar por sus puertas y saber que ya terminó mi camino por sus aulas.
Agradezco a Laura, Charito y Antonia por todo su apoyo cuando trabajaba con ellas.
Finalmente quiero agradecer Isabel y Natalia, dos grandes amigas que con su amistad pusieron color a mi vida universitaria.
“Porque habéis sido comprados por precio; glorificad, pues, a Dios en vuestro cuerpo y en vuestro espíritu, los cuales son de Dios” …………………………………..1 Corintios 6:20
11.1 Agua para riego..........................................................................................................51.2 Caracterización de aguas residuales...............................................................................81.3 Tratamiento de aguas residuales.............................................................................181.4 Diseño de sistemas de tratamiento de aguas residuales..................................20, 2922.1 Datos generales del municipio de Tiquipaya.........................................................332.2 Comunidad de Kanarancho....................................................................................342.2.1 Servicios básicos.......................................................................................................342.2.2 Uso del suelo y actividades económicas..................................................................352.2.3 Proceso de la elaboración de la chicha.............................................................38, 402.3 Fabrica de chicha Miguel Pizarroso.......................................................................402.3 Fabrica de chicha Miguel Pizarroso.............................................................................42AAlcance y límites.....................................................................................................................3BBIBLIOGRAFÍA..................................................................................................................93CCONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.................................................................90DDescripción del problema......................................................................................................2IINTRODUCCIÓN..................................................................................................................1JJustificación............................................................................................................................3MMARCO REFERENCIAL..................................................................................................33MARCO TEÓRICO..............................................................................................................5METODOLOGÍA................................................................................................................44OObjetivo General....................................................................................................................2Objetivos.................................................................................................................................2Objetivos Específicos.............................................................................................................2RRESULTADOS Y DISCUSIONES.....................................................................................52
ÍNDICE DE FIGURAS
Página
Figura 1. Normas de Riverside para evaluar las aguas de riego 7Figura 2. Medición volumétrica del caudal de agua9Figura 3. Etapas del proceso de sedimentación 21Figura 4. Zonas formadas en una prueba de sedimentación22Figura 5. Representación gráfica de la altura frente al tiempo para determinar la .…
velocidad de sedimentación 23Figura 6. Columna de sedimentación y curvas de igual eliminación porcentual 24Figura 7. Zonas de un sedimentador convencional 26Figura 8. Distritos 4, 5 y 6 del Municipio de Tiquipaya 33Figura 9. Ubicación de las fábricas de chicha 36Figura 10. Vertido de las aguas residuales de tres fábricas de chicha 37Figura 11. Proceso de la elaboración de la chicha 38Figura 12. Proceso del lavado de barriles 39Figura 13. Emplazamiento del tratamiento de aguas residuales de la fábrica de chicha
..f.Miguel Pizarroso41Figura 14. Ingreso de aguas residuales a la tercera etapa del sedimentador 42Figura 15. Medición del caudal de aguas residuales 43Figura 16. Ubicación de los puntos de muestreo dentro de la actual estructura de
…...sedimentación 44Figura 17. Inicio del ensayo de sedimentación 47Figura 18. Finalización del ensayo de sedimentación 47Figura 19. Localizacion de los puntos de muestreo en la columna de sedimentacion 48Figura 20. Caudales medidos de aguas residuales 51Figura 21. Caudales máximos de aguas residuales 52Figura 22. Vista de planta del actual tratamiento de aguas residuales de la fábrica de
…..chicha Miguel Pizarroso 56Figura 23. Corte A-A. Vista de perfil del actual tratamiento de aguas residuales de la
…...fábrica de chicha Miguel Pizarroso 56Figura 24. Vista de una losa del sedimentador 56Figura 25. Variacion de la altura de interfase en la probeta con el tiempo 57Figura 26. Remoción de SS en funcion del tiempo de retención 59Figura 27. Remoción de DBO en función del tiempo de retención 59Figura 28. Diagrama de flujo propuesto del sistema de tratamiento de aguas …...residuales
63Figura 29. Vista del vertedero triangular en el canal de ingreso 65Figura 30. Vista del vertedero de entrada 67Figura 31. Vista de la pantalla perforada 68Figura 32. Vista del vertedero de alivio 69
Figura 33. Vista de la zona de sedimentación 70Figura 34. Vista del vertedero de salida 73Figura 35. Vista de la zona de recolección de lodos 74Figura 36. Vista de planta del sedimentador rediseñado 76Figura 37. Corte A-A. Vista de perfil del sedimentador rediseñado 77Figura 38. Corte B-B. Pantalla perforada del sedimentador rediseñado 78Figura 39. Emplazamiento del sistema de tratamiento de aguas residuales 81
ÍNDICE DE TABLAS
Página
Tabla 1. Parámetros de calidad de agua residual para reuso en irrigación agrícola 7Tabla 2. Clasificación del agua por su dureza 13Tabla 3. Criterios de diseño de sedimentadores 28Tabla 4. Distritos de Tiquipaya: Características, superficie, población 32Tabla 5. Distribución de actividades económicas por sectores del distrito 6 35Tabla 6. Materia prima utilizada en la elaboración de chicha 40Tabla 7. Parámetros analizados y criterios de selección 45Tabla 8. Cronograma de muestreo realizado en la columna de sedimentación 49Tabla 9. Comparación de la calidad del afluente y efluente del actual tratamiento de …
aguas residuales con los limites máximos establecidos por la Ley 1333 para ....descargas liquidas y descargas a sistemas de alcantarillado, y para reuso en …riego 53
Tabla 10. Eficiencia de remoción lograda en el tratamiento existente 60Tabla 11. Remoción de SS de cada etapa del sedimentador 61Tabla 12. Relaciones dimensionales de las etapas del sedimentador 61Tabla 13. Relaciones dimensionales del sedimentador rediseñado 70Tabla 14. Calidad del efluente del tratamiento actual y del sedimentador rediseñado 78Tabla 15. Comparación del efluente del tratamiento actual y del sistema de tratamiento
….de aguas residuales con los límites máximos permisibles establecidos por la ….Ley 1333 para descargas liquidas y descargas a sistemas de alcantarillado, y ….para reuso en riego 79
Tabla 16. Costos de construcción del sistema de tratamiento de aguas residuales 83Tabla 17. Parámetros para el control del funcionamiento del sistema de tratamiento de
….aguas residuales de la fábrica de chicha Miguel Pizarroso 84Tabla 18. Costos de operación y mantenimiento del sistema de tratamiento de aguas
….residuales 85Tabla 19. Contenido de proteínas de los residuos generados 85
Resumen
En Kanarancho, las fábricas de chicha vierten sus aguas residuales tratadas al canal de
riego próximo a sus instalaciones, los agricultores que utilizan esta fuente de agua
observan problemas en las tierras de cultivo. Así, en el presente proyecto de grado se
mejoró el diseño del sistema de tratamiento de aguas residuales existente, para disminuir
la carga contaminante de la fábrica de chicha Miguel Pizarroso.
Con tal fin, se caracterizó las aguas residuales generadas en la elaboración de chicha, se
evaluó la eficiencia del tratamiento existente, se diseñó el tratamiento de aguas
residuales complementario y se estimó sus costos de construcción, operación y
mantenimiento. Finalmente, se realizó la valorización de la borra y lodo generado a
partir de su contenido de proteínas.
Las aguas residuales generadas en la elaboración de chicha poseen elevada
concentración de materia orgánica. El tratamiento existente remueve 57% de DBO e
incrementa la concentración de SS en 31%. La propuesta de mejoramiento del sistema
de tratamiento de AR se compone de: canal de ingreso, sedimentador primario,
sedimentador secundario. El efluente final contendría 820 mg/l de DBO, 993 mg/l de
DQO y 57 mg/l de SS. Los costos de construcción del sistema de tratamiento ascienden
a 2250,9 $us y los costos de operación y mantenimiento a 182,2 $us/año. La venta de
borra y lodos generaría un ingreso de 3900 $us/año.
Palabras clave: aguas residuales, remoción, fábrica de chicha, Kanarancho,
…………………… sedimentador.
i
Abstract
In Kanarancho, farmers see problem in soils irrigated with the treated waste water pour
in the irrigation’s channel by chicha’s industries. So, this project improved the design of
the existent waste water treatment, in order to decrease the polluting charge of Miguel
Pizarroso’s industry.
The study characterized the waste water generated in chicha’s industry, evaluated the
efficiency on present treatment, design a complementary treatment and estimate cost of
building, operation and maintenance. Finally, it made a valuation of other generated
residues by their protein’s content.
Waste water generated in chicha’s industry has high organic charge. Existent treatment
removes 57% of DBO and increase SS in 31%. Improved waste water treatment is
composed of an entrance channel, a primary sedimentation basin and a secondary
sedimentation basin. Final flowing will contain 820 mg/l of DBO, 993 mg/l of DQO and
57mg/l of SS.
It estimate a cost of 2250,9 $us in the building, and 182,2 $us/year in operation and
maintenance. Other generated residues will sell in 3900 $us/year.
Key words: waste water, removal, chicha’s industry, Kanarancho, sedimentation basin.
ii
Abreviaciones
AR: Aguas residuales
CE: Conductividad eléctrica
DBO: Demanda bioquímica de oxigeno
DQO: Demanda química de oxigeno
SAR: Índice de relación de adsorción de sodio
SD: Sólidos disueltos
SF: Sólidos fijos
SS: Sólidos suspendidos
ST: Sólidos totales
SV: Sólidos volátiles
iii
INTRODUCCIÓN
Antecedentes
La chicha es una bebida fermentada de maíz, agridulce, ligeramente efervescente, con un
bajo contenido alcohólico y abundante almidón. Su sabor varía según el proceso de
elaboración y saborizantes utilizados.
Hace años, la chicha de maíz era elaborada con muk’u1, actividad ancestral que ha
dejado de practicarse por higiene y para minimizar el tiempo de elaboración. La chicha
elaborada con wiñapu2 como materia prima es la más común.
Antiguamente, en los pueblos andinos, se creía que era un remedio contra algunos males
de los riñones y de la vejiga, y por ello era la única bebida disponible en las casas para
calmar la sed y para mantenerse sano y vigoroso. Su expendio, después de la reforma
agraria, pasó a ser el negocio más rentable de los pueblos del valle (QUIROGA 1997).
La chicha tiene un impacto sociocultural muy importante en la cultura boliviana, es el
sustento económico de muchas familias que se dedican a su elaboración y
comercialización, y aporta en la generación de ingresos de muchos municipios de
Cochabamba.
En los últimos años, muchas fábricas de chicha se establecieron en zonas periurbanas del
departamento de Cochabamba, donde la cobertura de servicios básicos (en especial
alcantarillado) es baja, descargando sus aguas residuales (AR) a cuerpos de agua y/o
canales de riego.
En la zona de Kanarancho, perteneciente al municipio de Tiquipaya de la provincia
Quillacollo, existen cinco fábricas de chicha que cuentan con sedimentadores como
1 Proceso de mezclado por ensalivado de la harina de maíz, formando pequeños bolos, los cuales se hacían secar al sol2 Granos de maíz germinados en agua y secados al sol
tratamiento primario de AR. El efluente final, con intenso olor y color a chicha, es
vertido a un canal de riego próximo a sus instalaciones.
Descripción del problema
Desde el establecimiento de las fábricas de chicha en Kanarancho, ha surgido un
conflicto entre propietarios de dichas industrias, regantes y vecinos por el vertido de AR
al canal de riego vecinal. El conflicto se caracteriza por el incumplimiento de acuerdos
entre partes, relación altamente conflictiva e intolerante entre grupos involucrados y
acentuado conflicto de intereses (NEGOWAT 2006a).
Los regantes de Kanarancho que alguna vez utilizaron las AR de las fábricas de chicha,
observaron la formación de una costra blanquecina en el suelo que impide la infiltración
del agua (ARGOTE 2008).
Se tiene previsto la expansión del alcantarillado sanitario a la zona, y para que las aguas
residuales industriales puedan conectarse al servicio, deben cumplir con la remoción
exigida por reglamentación.
Por ello, se requiere mejorar el diseño del sistema de tratamiento para las AR de las
fábricas de chicha de Kanarancho.
Objetivos
Objetivo General
Mejorar el diseño del sistema de tratamiento existente, para disminuir la carga
contaminante de las aguas residuales, de la fábrica de chicha Miguel Pizarroso, de la
comunidad de Kanarancho, perteneciente al distrito 6 del Municipio de Tiquipaya.
Objetivos Específicos
• Caracterizar las aguas residuales producidas durante la elaboración de chicha
• Evaluar la eficiencia del tratamiento de aguas residuales existente
• Elegir el tratamiento complementario que proporcione la remoción exigida por
reglamentación (Ley 1333)
• Diseñar el sistema de tratamiento de aguas residuales mejorado complementario al
existente
• Estimar costos de construcción, operación y mantenimiento del sistema de
tratamiento de aguas residuales diseñado
• Evaluar la opción de valorizar los residuos generados
Justificación
El uso potencial del suelo en Kanarancho es agrícola, por ello los regantes de la zona se
ven afectados por las descargas residuales de las fábricas de chicha a los canales de
riego, con una supuesta carga contaminante que limita el desarrollo agrícola de la zona.
Con el mejoramiento del sistema de tratamiento de AR de la fábrica de chicha Miguel
Pizarroso se pretende garantizar que el efluente no afecte el componente agrícola, la
salud humana y el medio ambiente, y que cumpla con los parámetros establecidos por la
Ley 1333 para ser reutilizado para riego o ser vertido al sistema de alcantarillado.
Asimismo, el sistema de tratamiento de la fábrica en estudio puede ser adaptado a
aquellas con similar proceso productivo, como las establecidas en Kanarancho.
Alcance y límites
En el proyecto de grado se mejoró el diseño del sistema de tratamiento de AR de la
fábrica de chicha Miguel Pizarroso. Para ello, se evaluó y rediseñó el tratamiento
existente, y se diseñó el tratamiento complementario.
El proyecto de grado contó con el respaldo institucional de la Honorable Alcaldía
Municipal de Tiquipaya, a través del programa de Gestión Integral de Residuos Sólidos
(GIRS) perteneciente a la Unidad de Medio Ambiente y Recursos Naturales.
Entre los límites del proyecto, se encontró el presupuesto financiado por el propietario
de la fábrica de chicha, que solamente cubrió un análisis físico-químico y bacteriológico
de las AR vertidas. Por otro lado, el reducido espacio disponible para realizar las
mejoras del sistema de tratamiento de AR, limita a considerar unidades de tratamiento
compactas.
1. MARCO TEÓRICO
1.1 Agua para riego
La desigual distribución de la precipitación, crecimiento demográfico y contaminación
de aguas superficiales y subterráneas han obligado a la reutilización de AR con un nivel
secundario de tratamiento para irrigación agrícola (CRITES y TCHOBANOGLOUS
2001).
Las AR reutilizadas en riego pueden contener ciertas sustancias en cantidades
controladas, como nutrientes, pero no debe presentar bacterias ni virus patógenos, ni
sobrepasar ciertos niveles de metales pesados (CASTAÑÓN 2000). Sin embargo, la
cantidad de sales y elementos que contiene debe ser conocida, con el fin de evitar
problemas de salinidad o de exceso de ciertos iones que pueden tanto dificultar su
aplicación para riego, como disminuir la producción de los cultivos así regados.
En sistemas de goteo, la cantidad de sólidos suspendidos, sales solubles, nutrientes y
sustancias tóxicas determinan la calidad del agua de riego (CASTAÑÓN 2000,
PLASTER 2001). Los sólidos disueltos en el agua aplicada pueden afectar el
crecimiento de las plantas, las características del suelo y la calidad de las aguas
subterráneas (CRITES y TCHOBANOGLOUS 2001).
Las sales en el suelo causan que las plantas consuman más energía para ajustar la
concentración de sales en el interior de su tejido vegetal y conseguir el agua necesaria
del suelo, y por consiguiente hay menos energía disponible para el crecimiento de la
planta (METCALF y EDDY 1995). Las AR tienen un contenido en sales variable que
oscila, en general, entre 2000 y 4000 μS/cm, así pues pueden presentar problemas por
salinidad si se utilizan estas aguas, afectando directamente a las propiedades físicas y
mecánicas del suelo como el grado de dispersión de las partículas del suelo, la
estabilidad de los agregados, y la estructura y permeabilidad del suelo (CRITES y
TCHOBANOGLOUS 2001).
La presencia de carbonatos y bicarbonatos afecta a la permeabilidad del suelo por la
competencia entre el calcio de los carbonatos y el sodio de las aguas de vertido,
incrementándose la presencia de carbonatos solubles y modificando el pH, lo que origina
variaciones en el equilibrio de las poblaciones microbianas, en la propia vegetación, y en
los procesos edafogenéticos que se van produciendo en los horizontes del suelo
(SENOÁEZ 1999). La fuerte alcalinidad crea condiciones poco aptas para el crecimiento
de los cultivos, pudiéndose presentar efectos desfavorables a concentraciones bajas
(GARCÍA y DORRONSORO s/a).
El efecto de sodificación varía con la cantidad de calcio y magnesio en el suelo: el sodio
degrada el suelo, modificando su estructura y disminuyendo su permeabilidad, y los
iones calcio y magnesio tienen efectos contrarios (CASTAÑÓN 2000). Para determinar
el peligro de sodificación del suelo se suele utilizar la relación de adsorción de sodio o
índice SAR.
Para determinar la calidad del agua de riego se debe conocer sus características mediante
el análisis químico de los iones sodio, calcio, magnesio, bicarbonatos, cloruros y
sulfatos, y su contenido total de sales, expresado por la conductividad eléctrica (CE)
(CASTAÑÓN 2000).
A partir de los datos de CE y del SAR se establece la clasificación del agua según las
normas Riverside (INFOAGRO s/a).
Figura 1. Normas de Riverside para evaluar las aguas de riego (INFOAGRO s/a)
La tabla 1 muestra los parámetros de calidad de las AR para reuso en irrigación agrícola.
Tabla 1. Parámetros de calidad de aguas residuales para reuso en irrigación agrícola
Parámetro Unidad Rango
pH 6,5-8,5
Conductividad eléctrica µS/cm 0-3000
Alcalinidad mg/l 0-600
Índice SAR 0-15
SS mg/l <5-35
DBO mgO2/l <5-45
DQO mgO2/l <20-200
Coliformes fecalesUFC/100m
l0-1000
Fuente: en base a AKIÇCA s/a
1.2 Caracterización de aguas residuales
Las AR provienen del sistema de abastecimiento de agua de una población, después de
haber sido modificadas por diversos usos en actividades domésticas, comunitarias e
industriales (ROLIM 2000).
Los estudios de caracterización están encaminados a determinar las características
físicas, químicas y biológicas del agua, las concentraciones de los constituyentes de las
AR, y los medios óptimos para reducir las concentraciones de contaminantes (DA
CÁMARA et al. s/a).
El nivel de contaminación de las aguas se mide determinando parámetros globales
(MENÉNDEZ y PÉREZ 2005), sin la necesidad de conocer la composición química
específica. Las características de las AR son determinadas a partir de una secuencia de
procedimientos que incluye mediciones locales de caudal, colecta de muestras y análisis
e interpretación de los resultados obtenidos (ROLIM 2000).
1.2.1 Estimación del caudal de aguas residuales
El caudal es uno de los parámetros importantes a ser medidos de las AR, para su
estimación se aplican diferentes métodos: datos de proyecto, índices de consumo por
unidad de producción o por habitante y medición directa (MENÉNDEZ y PÉREZ 2005).
El método volumétrico es una medición directa del caudal que se aplica cuando existe
una descarga libre y el flujo es bajo (laminar) y constante (PEMEX 2003). Si se toman
todas las previsiones para su determinación, es el método más preciso y confiable, pues
resulta de la relación directa del volumen y tiempo (DELGADILLO 2004). Para la
medición volumétrica del caudal se puede emplear un recipiente graduado y un
cronómetro, como se ilustra en la figura 2.
Figura 2. Medición volumétrica del caudal de agua (PEMEX 2003)
1.2.2 Muestreo
Solo cuando las muestras tomadas en el sitio de muestreo, con el equipo adecuado y
precauciones necesarias para no contaminarlas y preservarlas de acuerdo con los
procedimientos establecidos, se podrá asegurar que son representativas (ARCE et al.
2007). Las técnicas de muestreo deben asegurar la obtención de muestras
representativas, ya que los datos que se deriven de los análisis de dichas muestras serán
la base para el proyecto de las instalaciones de tratamiento (DA CÁMARA et al. s/a).
Existen tres formas básicas de recolección de muestras: simple, compuesta (mismo sitio
y tiempos distintos) e integrada (distinto sitio y mismo tiempo).
Las muestras compuestas son recomendadas para conocer la calidad media del agua,
cuando hay variación de sus características con los cambios de flujo (TAPIAS 2008a).
El volumen de la muestra depende del tipo de análisis a realizar, siendo la cantidad
mínima de la muestra total compuesta 2 l (KIRCHMER 1980).
Una muestra compuesta se conforma con pequeñas muestras individuales, que se toman
proporcionales al flujo o al tiempo (PANIZZO 2000):
• Según el flujo: se toman muestras de igual volumen a intervalos de tiempo
inversamente proporcionales al caudal, de manera que a mayor caudal los intervalos
de tiempo de muestreo son menores
• Según el tiempo: se toman muestras a intervalos de tiempo constantes, el volumen de
la muestra es proporcional al caudal.
La muestra obtenida será representativa si su composición es la misma que la que se
hubiese conseguido acumulando el total de la corriente y homogenizado el contenido,
para ello se debe recoger un volumen de muestra individual proporcional al caudal en
que fue tomada. El volumen parcial que ha de tomarse de cada muestra i puede ser
calculado con la ecuación 1 (GIL 2004).
nQ
QVV
p
iTi ∗
∗=
(1)
Donde: Qi = caudal de cada muestra, correspondiente a un intervalo de tiempo, l/s
Qp= caudal promedio, l/s
VT = volumen total de composición, l
n = número de muestras
Tomando estos volúmenes parciales y mezclándolos se obtiene la cantidad de volumen
deseado de la muestra compuesta, representativa de la corriente variable.
1.2.3 Análisis de laboratorio
El análisis de laboratorio brinda información cuantitativa de las características del agua
es lo referente al tipo y concentración de las sustancias contenidas en la muestra a
analizar (ARCE et al. 2007), y se recomienda utilizar métodos normalizados
(KIRCHMER 1980).
Se deben definir los parámetros físico-químicos y microbiológicos que van a ser
medidos teniendo como referencia: la actividad que desarrolla la industria, los objetivos
buscados, y las normas de calidad vigentes para alcantarillado y cauces receptores
(PANIZZO 2000).
1.2.3.1 Parámetros físico-químicos
• Temperatura
La temperatura se mide con un termómetro y se expresa en grados centígrados (°C), e
influye en la solubilidad de sales y gases, en la conductividad eléctrica y pH del agua
(SENOÁEZ 1999).
La temperatura del agua afecta directamente a las reacciones químicas, velocidades de
reacción, vida acuática, además que muchos sistemas de tratamiento incluyen procesos
biológicos que dependen de la temperatura (CRITES y TCHOBANOGLOUS 2001).
• pH
La medida del pH es una de las pruebas más importantes y frecuentes utilizadas en el
análisis químico del agua (MENÉNDEZ 2003). El pH es la expresión usual para medir
la concentración del ion hidrógeno en una solución (CRITES y TCHOBANOGLOUS
2001), de modo que valores menores de 7 indican carácter ácido del agua y valores
mayores indican carácter básico.
El método más preciso de medición del pH es la potenciométrica o empleando un
pHmetro, cuya calibración se debe realizar con soluciones tampón estándar
(MENÉNDEZ 2003).
Las variaciones de pH influyen en la biocenosis existente (SENOÁEZ 1999). Las AR
con pH inadecuado presentan dificultades de tratamiento con procesos biológicos, y el
efluente puede modificar el pH de las aguas naturales (METCALF y EDDY 1995).
• Conductividad eléctrica
Un ácido, una base o una sal en agua se disocian en iones y forma una solución que
puede conducir la corriente eléctrica a través del movimiento de estos iones al ser
sometidos a la acción de un campo eléctrico (MENÉNDEZ 2003). La concentración de
los iones en la solución se determina midiendo su conductividad eléctrica (METCALF y
EDDY 1995).
La conductividad se mide con un conductímetro, y se expresa en microsiemens por
centímetro (µS/cm) o en milisiemens por metro (mS/m) en el Sistema Internacional de
unidades.
La conductividad eléctrica varía en función de la temperatura y está estrechamente
ligada a la concentración de sustancias disueltas y a su naturaleza (SENOÁEZ 1999).
Las sales minerales son, en general, buenas conductoras, mientras que las materias
orgánicas y coloidales tienen escasa conductividad. Por ello, el valor medido de
conductividad no brinda una idea precisa de la carga contaminante en las AR, aunque
orienta sus posibles usos en aplicaciones agrarias (SENOÁEZ 1999).
• Alcalinidad
La alcalinidad del agua se debe a la presencia de hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos
de elementos como el calcio, magnesio, sodio, potasio y amoniaco, siendo los más
comunes el bicarbonato de calcio y el bicarbonato de magnesio (METCALF y EDDY
1995). La alcalinidad ayuda a regular los cambios del pH producido por la adición de
ácidos.
Se determina mediante una valoración con un ácido fuerte (ácido sulfúrico) de
concentración conocida y empleando como indicadores la fenolftaleína y el naranja de
metilo. La alcalinidad total se determina empleando el naranja de metilo como indicador
(MENÉNDEZ 2003).
La concentración de alcalinidad en las AR es importante en aquellos casos en los que se
empleen tratamientos químicos, en la eliminación biológica de nutrientes, y cuando haya
que eliminar el amoniaco mediante arrastre por aire (METCALF y EDDY 1995).
• Dureza
La dureza del agua es una propiedad que viene dada por la presencia de cationes calcio
(dureza cálcica) y cationes magnesio (dureza magnésica), y la dureza total por la
presencia de ambos cationes (MENÉNDEZ 2003).
Este parámetro permite conocer el riesgo de obstrucciones en los sistemas de riego,
goteos y boquillas, e indica la utilidad del agua en determinados tipos de suelo como el
empleo de aguas ricas en calcio en suelos con exceso de sodio (CANOVAS 2002). El
grado de dureza, expresado en mg/1 de CaCO3, se clasifica como muestra la tabla 2.
Tabla 2. Clasificación del agua por su dureza
Tipo de agua Rango
-- mg/l --Blanda 0-75
Semi-dura 75-150
Dura 150-300Muy dura >300
Fuente: CANOVAS 2002
Para la determinación de la dureza total se añade el indicador negro de eriocromo T al
agua en medio alcalino, se realiza una valoración con EDTA y se forma un complejo
soluble con el calcio y magnesio, el agua torna de color vino a azul, la cantidad de
EDTA empleada da la medida de la dureza total presente (MENÉNDEZ 2003).
La dureza total también puede ser calculada a partir de las concentraciones de calcio y
magnesio respectivamente (STARDARD METHODS 1996):
Dureza(mgCaCO3/l)=2,497[Ca mg/l] + 4,118[Mg mg/l] (2)
• Relación de adsorción de sodio (SAR)
Para determinar el peligro de sodificación de un suelo se suele utilizar la relación de
adsorción de sodio o el índice SAR (por sus siglas en inglés), que es la relación entre la
concentración de sodio, calcio y magnesio (CRITES y TCHOBANOGLOUS 2001).
[ ][ ] [ ]
+
=
2
MgCa
NaSAR
(3)
Donde: SAR = relación de adsorción de sodio
[ ]Na = concentración de sodio, meq/l (mg/l dividido entre 23)
[ ]Ca = concentración de calcio, meq/l (mg/l dividido entre 20)
[ ]Mg = concentración de magnesio, meq/l (mg/l dividido entre 12,15)
El calcio se determina añadiendo NaOH a la muestra para elevar el pH entre 12 y 13, y
que el magnesio precipite como hidróxido y no interfiera, se usa el indicador muréxida
que forma un complejo de color rosa con el ion calcio y se titula con una solución de
EDTA hasta la formación de un complejo color púrpura (BOLAÑOS et al. s/a).
La concentración de magnesio, puede ser calculada a partir de ecuación 2.
El análisis de sodio se realiza por fotometría de flama, la muestra es aspirada por un
nebulizador que la esparce a una flama en forma de aerosol, los átomos de sodio son
excitados por la flama a un nivel de energía mayor y al regresar a su estado fundamental
emiten energía en forma de luz de una longitud de onda de 589 nm que es específica
para el análisis de este elemento; la intensidad de la luz emitida y la respuesta eléctrica
del detector son directamente proporcionales a la concentración del sodio (BOLAÑOS
et al. s/a).
• Sólidos
El contenido sólidos totales (ST) es la característica física más importante de las AR,
término que engloba la materia en suspensión y disuelta (METCALF y EDDY 1995);
también pueden ser de naturaleza inorgánica y orgánica (determinado a 600ºC)
(MENÉNDEZ y PÉREZ 2005).
El contenido de sólidos permite conocer si se requiere de algún tratamiento específico
para su remoción (MENÉNDEZ y PÉREZ 2005). Los sólidos se determinan
gravimétricamente: los sólidos totales (ST) luego de la evaporación y secado de la
muestra a 105ºC, los sólidos disueltos (SD) son previamente filtrados y la muestra
filtrada es secada a 105°C, y los sólidos suspendidos (SS) resultan de la diferencia entre
ST y SD (MENÉNDEZ 2003).
Los SS pueden llevar al desarrollo de depósitos de lodo y condiciones anaerobias
(ROLIM 2000), su evaluación en las AR permite determinar la eficiencia de las
unidades de tratamiento (PANIZZO 2000).
Los sólidos pueden estar constituidos por compuestos orgánicos e inorgánicos, por ello,
cada una de las categorías anteriores pueden también clasificarse en sólidos volátiles
(SV) y sólidos fijos (SF) respectivamente (MENÉNDEZ 2003).
• Demanda bioquímica de oxigeno (DBO)
La DBO es el parámetro de contaminación orgánica más ampliamente empleado en AR
(METCALF y EDDY 1995) y se define como la cantidad de oxígeno utilizado por los
microorganismos heterótrofos para transformar la materia orgánica metabolizable de una
muestra de agua en dióxido de carbono, agua y otros productos finales (GIL 2004).
La DBO depende de la temperatura y el tiempo del que disponen los microorganismos
para la degradación de la materia orgánica, el método analítico consiste en llenar con
muestra, hasta rebosar, un frasco hermético del tamaño especificado (MENÉNDEZ
2003), e incubado en un ambiente libre de luz durante 5 d y a 20°C (KIELY 1999) que
representa el valor medio de temperatura de las corrientes de agua de movimiento lento
en climas templados (ARUNDEL 2000).
El oxigeno disuelto se mide, con el método Winkler o yodométrico, antes y después de
la incubación y la DBO se calcula mediante la diferencia entre oxígeno disuelto inicial y
el final (MENÉNDEZ 2003).
Las AR con elevada concentración de materia orgánica descargas al entorno pueden
causar el agotamiento de los recursos naturales de oxígeno y al desarrollo de condiciones
sépticas (DA CÁMARA et al. s/a). Los resultados de los ensayos de DBO se emplean
para determinar la cantidad aproximada de oxígeno que se requerirá para estabilizar
biológicamente la materia orgánica presente, dimensionar las instalaciones de
tratamiento de AR, medir la eficacia de algunos procesos de tratamiento, controlar el
cumplimiento de los límites permisibles a que están sujetas las descargas liquidas
(METCALF y EDDY 1995).
• Demanda química de oxigeno (DQO)
La DQO expresa la cantidad de oxígeno necesaria para oxidar químicamente todas las
sustancias susceptibles de ser oxidadas de las AR (TAPIAS 2008b), incluye compuestos
degradables y no degradables biológicamente, también compuestos inorgánicos
reductores como el anión cloruro (MENÉNDEZ y PÉREZ 2005).
Las condiciones de oxidación se deben a la acción combinada de un oxidante fuerte en
medio sulfúrico y a temperatura elevada, durante un tiempo suficiente para completar la
oxidación (GIL 2004). La DQO se determina midiendo el consumo del oxidante añadido
a la muestra (TAPIAS 2008b).
La muestra se diluye cuando sea necesaria, y se hierve luego de añadirle una mezcla de
ácido sulfúrico y cromito potásico (ARUNDEL 2000), se somete a reflujo con un exceso
conocido de dicromato de potasio (K2Cr2O7), el dicromato no reducido que quede se
valora con sulfato ferroso amoniacal y ferroína (indicador), la DQO es proporcional a la
cantidad de dicromato (MENÉNDEZ 2003).
Los resultados de las mediciones de DQO se obtienen en dos horas, pero no ofrece
información de la proporción de las AR que puede ser oxidada por las bacterias ni de la
velocidad del proceso de biooxidación (ROLIM 2000). La DQO suele ser mayor que su
correspondiente DBO, en muchos tipos de AR es posible establecer una relación entre
ellas y emplear las medidas de la DQO para el funcionamiento y control de las plantas
de tratamiento (METCALF y EDDY 1995).
1.2.3.2 Parámetros biológicos
El número de bacterias patógenas para el hombre y para los animales presentes en el
agua es muy reducido y difícil de determinar, dado que la mayoría de dichos gérmenes
patógenos viven en el intestino del hombre y de los animales de sangre caliente, por ello
la detección de contaminación fecal constituye una excelente señal de alarma. Se
consideran organismos exclusivamente fecales, Escherichia coli, coliformes fecales y
estreptococos fecales (SENOÁEZ 1999).
El grupo coliformes agrupa a diversas especies bacterianas que pertenecen a la familia
de las Enterobacteriáceas, y cuya característica fundamental es la fermentación de la
lactosa con producción de gas (SENOÁEZ 1999). El subgrupo coliforme fecal es
termotolerante (resiste temperaturas mayores a 44,5ºC) y está conformado
principalmente por E.coli (ROLIM 2000).
El interés indicador de los coliformes fecales se debe a la presencia de un gran número
de ellos en las materias fecales de los animales de sangre caliente y a su resistencia a los
agentes antisépticos, sobre todo al cloro y sus derivados (SENOÁEZ 1999), además
indican la probable presencia de bacterias patógenas y persistencia de los distintos
agentes infecciosos en las diversas matrices ambientales, y permiten conocer la
eficiencia de un sistema de tratamiento de AR (TAPIAS 2008b).
Una técnica para el conteo de coliformes fecales consiste en pasar un volumen conocido
de muestra a través de un filtro de membrana que tiene un tamaño de poro muy pequeño,
el filtro se pone en contacto con el agar que contiene los nutrientes necesarios para el
crecimiento de las bacterias retenidas; la concentración de coliformes fecales expresado
como unidades formadoras de colonias por 100 ml de muestra (UFC/100ml), se
determina a partir del conteo directo del número de colonias formadas luego de la
incubación de las bacterias (CRITES y TCHOBANOGLOUS 2001).
1.3 Tratamiento de aguas residuales
El grado y la eficiencia del tratamiento dependen del cuerpo receptor, de las
características del uso del agua, de la capacidad de autodepuración y dilución del cuerpo
de agua, de la legislación ambiental y de las consecuencias del vertimiento de las AR
(ROLIM 2000). Los procesos y operaciones unitarias se combinan y complementan para
dar lugar a diversos niveles de tratamiento de las aguas: preliminar, primario, secundario
y terciario (METCALF y EDDY 1995).
1.3.1 Tratamiento preliminar
El tratamiento preliminar prepara las condiciones de las AR que pueden someterse a
posteriores procesos de tratamiento (KIELY 1999), como la separación, por operaciones
físicas y mecánicas, de la mayor cantidad de materia por su naturaleza (grasas, aceites,
etc.) o por su tamaño (ramas, latas, etc.) (MENÉNDEZ y PÉREZ 2005).
Algunos procesos de pretratamiento son: rejillas de barras, desbaste, tamices y
dilaceración para la eliminación de sólidos gruesos, la flotación para la eliminación de
grasas y aceites, el desarenado para la eliminación de la materia en suspensión gruesa y
sólidos suspendidos fijos (METCALF y EDDY 1995).
1.3.2 Tratamiento primario
El objetivo del tratamiento primario es producir un efluente de calidad aprovechable
para la siguiente etapa de tratamiento y lograr una separación de sólidos que dé lugar a
un lodo primario que pueda ser convenientemente tratado y vertido (KIELY 1999), sin
embargo el efluente resultante suele contener una cantidad considerable de materia
orgánica (METCALF y EDDY 1995).
El tratamiento primario disminuye la velocidad de las AR hasta 1 ó 2 cm/seg, de forma
que sedimenten la mayoría de los sólidos presentes (orgánicos principalmente) y puedan
ser así separados del liquido tratado (SENOÁEZ 1999). Comprende principalmente:
fosas sépticas, tanques imhoff y tanques de sedimentación.
1.3.3 Tratamiento secundario
El tratamiento secundario está destinado a la remoción de sólidos suspendidos y
compuestos orgánicos biodegradables de las AR provenientes del tratamiento primario,
generalmente realizada por acción biológica (METCALF y EDDY 1995).
Las AR domésticas, industriales y comerciales contienen una gran diversidad de
sustancias en forma disuelta y no disuelta, las cuales son aprovechadas por los
microorganismos, para su crecimiento (multiplicación) y para procesos metabólicos
(conservación), lo que permite removerlas de las AR (CZYSZ et al. 1991). La
conversión de dichas sustancias puede realizarse en un medio que contenga oxígeno
(aerobio) o que carezca de él (anaerobio).
La relación DBO/DQO se emplea para evaluar las posibilidades de éxito de los procesos
biológicos en el tratamiento de las AR, los cocientes mayores a 0,5 indican que los
procesos biológicos pueden extraer considerablemente las sustancias que producen DBO
y DQO, y la descomposición biológica empieza de inmediato y prosigue rápidamente
(CZYSZ et al. 1991).
1.3.4 Tratamiento terciario o avanzado
La contaminación bacteriológica y microbiana en general no suele ser eliminada en el
tratamiento primario y secundario y ciertas sales minerales aún permanecen en el
efluente a pesar de los tratamientos, con lo que pueden verse afectados los posibles
reciclados agrarios, urbanos o industriales (KIELY 1999). El tratamiento terciario se
emplea para conseguir un efluente de buena calidad (METCALF y EDDY 1995).
El objetivo es la remoción de nutrientes (nitrógeno y fósforo), patógenos (desinfección),
compuestos tóxicos, contaminantes específicos (ROLIM 2000), excesos de materia
orgánica y sólidos en suspensión (METCALF y EDDY 1995).
1.4 Sedimentación
1.4.1 Generalidades
La sedimentación es la separación de las partículas suspendidas con peso específico
mayor que el del agua, por la acción de la gravedad, con el objetivo principal de obtener
un efluente clarificado y una suspensión más concentrada de lodos que permita su fácil
tratamiento y manejo (METCALF y EDDY 1995).
Dependiendo de cómo se realice la sedimentación, ésta puede clasificarse en los
siguientes tipos (GILARRANZ 2007):
- Sedimentación intermitente: transcurre en régimen no estacionario y el flujo
volumétrico total de materia fuera del sistema es nulo. Este tipo de sedimentación es
la que tiene lugar en una probeta de laboratorio, donde la suspensión se deja reposar.
- Sedimentación continua: transcurre en régimen estacionario, la suspensión diluida
se alimenta continuamente y se separa en un líquido claro y una segunda suspensión
de mayor concentración.
De acuerdo al movimiento de las partículas que sedimentan, se pueden distinguir dos
tipos de sedimentación (GILARRANZ 2007):
- Sedimentación libre: se produce en suspensiones de baja concentración de sólidos,
donde la interacción entre partículas puede considerarse despreciable y éstas
sedimentan a su velocidad de caída libre en el fluido.
- Sedimentación por zonas: se produce en suspensiones concentradas, donde la
interacción entre las partículas es importante, alcanzándose velocidades de
sedimentación menores que en la sedimentación libre. Dentro del sedimentador
se forman varias zonas de diferente concentración de sólidos y velocidad de
sedimentación.
En soluciones concentradas (>500 mg/l de SS), las partículas tienden a agregarse entre
ellas, formando flóculos, durante el proceso de sedimentación (PÉREZ 1984). El
desarrollo de la sedimentación floculenta depende del contacto entre las diferentes
partículas, que a su vez es función de la velocidad de sedimentación, de la profundidad
del tanque, de la concentración de partículas y de los tamaños de las mismas; el efecto
de estas variables se determina mediante ensayos de sedimentación (METCALF y
EDDY 1995).
1.4.2 Ensayos de sedimentación
En el diseño de sedimentadores, se selecciona una partícula con una determinada
velocidad de sedimentación (Vs), de modo que queden eliminadas todas aquellas
partículas cuya velocidad vertical final sea igual o superior a Vs (METCALF y EDDY
1995). Los valores de velocidad de sedimentación de partículas finas (diámetro menor a
0,01 cm) oscilan entre 0,015 y 0,8 cm/s (PÉREZ y CANEPA 1992).
La velocidad de sedimentación se determina a partir de un ensayo de laboratorio que
consiste en la sedimentación de una suspensión, de concentración de sólidos conocida,
en una probeta (PÉREZ 1984). La figura 3 muestra las distintas etapas que se observan
en la probeta.
Figura 3. Etapas del proceso de sedimentación (GILARRANZ 2007)
De acuerdo a lo observado en la figura 3, inicialmente se forma una capa de sólidos de
velocidad y concentración constantes (zona B), y por encima de ella una zona de líquido
clarificado (zona A). A lo largo del ensayo, se produce la acumulación y la
compactación de las partículas sedimentadas en el fondo de la probeta (zona D), y una
zona de transición (zona C) (GILARRANZ 2007).
En el denominado momento crítico (tC), la zona de transición desaparece y el sólido
sedimentado comienza su compactación con una concentración uniforme o crítica
(GILARRANZ 2007).
Mientras transcurre el proceso de sedimentación se mide la altura de la zona clarificada
y se obtiene una curva, como ilustra la figura 4.
Figura 4. Zonas formadas en una prueba de sedimentación (PEREZ 1984)
• Zona A-B. Fase de coalescencia de los flóculos seguida de una zona muy pequeña de
decantación libre.
• Zona B-C. La velocidad de caída es constante y depende de la concentración de las
partículas.
• Zona C-D. Se produce una disminución progresiva de la velocidad de caída.
• Zona D-E. Los flóculos sedimentan y ejercen presión sobre las capas inferiores.
En la curva obtenida, se trazan dos tangentes correspondientes a la zona sedimentación
floculenta (zona B-C) y a la zona de sedimentación por compresión (zona D-E), y a
partir de su punto de intersección se traza un recta directriz (VILLACRESES y VEGA
2006), así como ilustra la figura 5.
Figura 5. Representación gráfica de la altura frente al tiempo para determinar
…… la velocidad de sedimentación (VILLACRESES y VEGA 2006)
La velocidad de sedimentación que ocurre en el momento crítico (tC) corresponde a la
pendiente de la recta directriz trazada en la curva (VILLACRESES y VEGA 2006), y se
calcula con la ecuación 4.
BA
BAs xx
yyV
−−
=
(4)
Donde: Vs = velocidad de sedimentación, cm/s
xA, yA = coordenadas del punto A
xB, yB = coordenadas del punto B
Para determinar las características de sedimentación de una suspensión de partículas
floculentas se emplea una columna de sedimentación equipada con grifos de muestreo,
de diámetro cualquiera y altura correspondiente a la del tanque de sedimentación de que
se trate (METCALF y EDDY 1995).
El agua se introduce en la columna y se toman muestras de cada grifo de muestreo a
intervalos conocidos de tiempo (VALENCIA 1976). Para cada muestra analizada, se
determina la concentración de SS y DBO y se calcula su porcentaje de eliminación; los
resultados obtenidos se grafican utilizando como ejes de la gráfica el tiempo de
sedimentación y la profundidad a la cual está ubicado el punto de muestreo (METCALF
y EDDY 1995). Por interpolación numérica se dibujan unas curvas que unen todos los
puntos que representan un valor porcentual igual de remoción (VALENCIA 1976).
En la figura 6 se muestra un esquema de una columna de sedimentación y los resultados
esperados en el ensayo.
Figura 6. Columna de sedimentación y curvas de igual eliminación porcentual (METCALF y EDDY 1995)
A partir de las curvas obtenidas se trazan líneas perpendiculares a los puntos de
intersección con el eje X. La remoción total esperada en un determinado tiempo de
sedimentación se determina con la ecuación 5.
∑
+∆+= =
+Nn
nnnnn
RR
H
hRR 1
1
2*%
(5)
Donde: %Rn= fracción porcentual total de remoción escogida
Rn = fracción porcentual de remoción escogida
N = número de intersecciones de las curvas de remoción trazadas con
----------------------------el eje X
∆hn = altura a la cual se interceptan las interpolaciones de la curva de ………
…… remoción con una perpendicular trazada por el valor del tiempo de
……… sedimentación escogido
H = altura de la columna
1.4.3 Componentes de un sedimentador
Los tanques de sedimentación están conformados por cuatro zonas (PÉREZ y CANEPA
1992, CEPIS/OPS 2005):
• Zona de entrada. Constituida por estructuras hidráulicas de transición que permiten
una distribución uniforme del flujo dentro del sedimentador, entre las más comunes
están: 1) canales que ocupan el ancho del sedimentador, con vertederos de entrada,
2) canales de entrada con compuertas grandes y deflectores, 3) canales de entrada
con una pantalla perforada sumergida (METCALF y EDDY 1995).
• Zona de sedimentación. Consta de un canal rectangular con volumen, longitud y
condiciones de flujo adecuados para que sedimenten las partículas. La dirección del
flujo es horizontal y la velocidad es la misma en todos los puntos.
• Zona de salida. Constituida por un vertedero que ocupa el ancho del sedimentador
para la recolección del efluente sin perturbar la sedimentación de las partículas
depositadas.
• Zona de recolección de lodos. Constituida por una tolva con capacidad para
depositar los lodos sedimentados, de una tubería y una válvula para su evacuación
periódica.
En la figura 7 se muestra las zonas de un sedimentador rectangular.
Figura 7. Zonas de un sedimentador convencional (PÉREZ y CANEPA 1992)
1.4.4 Parámetros de diseño
Se sugieren los siguientes criterios para el diseño de sedimentadores rectangulares
(PÉREZ y CANEPA 1992, CEPIS/OPS 2005):
1) Periodo de operación de 24 h continuas al día.
2) La velocidad horizontal (VH) se debe mantener menor que la velocidad de arrastre
(VA), de modo que las partículas no sean arrastradas desde el fondo del tanque
(METCALF y EDDY 1995).
La velocidad de arrastre (VA) viene dada por la ecuación 6.
2
1)1(8
−=f
gdskV A (6)
Donde: VA= velocidad horizontal mínima a la cual se inicia el arrastre de
partículas, cm/s
k = constante que depende del tipo de material arrastrado
s = peso especifico de las partículas, g/cm3
g = aceleración de la gravedad, cm/s2
d = diámetro de las partículas, cm
f = factor de fricción de Darcy-Weisbach
Y, la velocidad horizontal (VH) por la ecuación 7.
BH
QVH *
*100=
(7)
Donde: VH = velocidad horizontal, cm/s
Q = caudal, m3/s
H = altura del sedimentador, m
B = ancho del sedimentador, m
3) Para estabilizar el flujo, las dimensiones del sedimentador deberán guardar relación
entre sí, como muestra la tabla 3.
4) Situar una pantalla perforada entre 0,60 a 1,00 m de distancia de la pared de entrada,
para una distribución homogénea del agua dentro del sedimentador. Los orificios
más altos deben estar a 1/5 o 1/6 de la altura a partir de la superficie del agua y los
más bajos entre 1/4 o 1/5 de la altura a partir de la superficie del fondo.
Los orificios deberán tener sección circular o cuadrada y estar aboquillados a 15° en
la dirección del flujo para mejorar el funcionamiento hidráulico. El mayor número de
orificios con una velocidad de paso entre 0,10 y 0,15 m/s ayudan a minimizar la
longitud de los chorros de agua y no crear perturbaciones dentro de la zona de
sedimentación.
5) En el caso de sedimentación a caudal continuo, la profundidad del tanque y el tiempo
de retención deben permitir la deposición de todas aquellas partículas cuya velocidad
de sedimentación sea Vs (METCALF y EDDY 1995). La velocidad de
sedimentación, el tiempo de retención y la profundidad del tanque se relacionan
mediante la ecuación 8.
( )
rs T
HV *028,0=
(8)
Donde: Vs = velocidad de sedimentación, cm/s
H = altura del sedimentador, m
Tr = tiempo de retención, h
En tanques de sedimentación, los valores recomendados de tiempo de retención
oscilan entre 2 y 6 h, sin embargo, a caudal máximo el valor mínimo es 1 h.
6) La pendiente de la tolva de sedimentación debe ser de 5 a 10% para facilitar el
deslizamiento del sedimento y estar ubicada en el primer tercio de la unidad, pues el
80% del volumen de los lodos se deposita en esa zona.
7) Considerar un vertedero de alivio que regule el caudal de agua a ser tratado en la
unidad, evitando que éste se vea incrementado durante la operación lo cual traería
como consecuencia la disminución de la eficiencia de remoción.
La tabla 3 muestra algunos criterios importantes para el diseño de sedimentadores
rectangulares.
Tabla 3. Criterios de diseño de sedimentadores
Parámetros Valores Símbolos
Profundidad (m) 1,5 – 2,5 HRelación largo/ancho 4 – 6 L/B
Relación largo/profundidad 5 – 20 L/H
Tiempo de retención (h) 2 – 6 V/Q
Fuente: PÉREZ y CANEPA 1992
1.5 Diseño de sistemas de tratamiento de aguas residuales
Para diseñar un sistema de tratamiento de AR, se debe considerar los elementos
descritos a continuación.
1.5.1 Caudales de diseño
La determinación de los caudales generados de AR es fundamental para proyectar las
instalaciones destinadas a su recogida, tratamiento y evacuación. Un sistema de
tratamiento de AR debe ser diseñado para resistir los caudales pico que llegan
(METCALF y EDDY 1995).
Si se dispone de datos de caudales de AR, se deben analizar los datos de, al menos, los
dos últimos años, caso contrario se debe realizar mediciones de caudales o estimarlos a
partir de datos de consumo de agua (METCALF y EDDY 1995). Mediante el análisis de
los datos de caudales pueden obtenerse importantes parámetros, como el caudal medio
diario y el caudal máximo horario.
El caudal medio diario (Qmed-d) es el caudal promedio que se presenta en un periodo de
24 h (CRITES Y TCHOBANOGLOUS 2001), y se emplea para determinar la capacidad
de una planta de tratamiento, relaciones de caudal y estimar costos de bombeo,
productos químicos, volumen de lodos y carga orgánica (METCALF y EDDY 1995).
El caudal máximo horario (Qmax-h) es el caudal horario punta que se presenta en un
periodo de 24 h (METCALF y EDDY 1995), y se emplea en el dimensionamiento de
desarenadores, sedimentadores, filtros, tanques de cloración, estaciones de bombeo y
líneas de conducción (CRITES Y TCHOBANOGLOUS 2001).
1.5.2 Diagrama de flujo
Los diagramas de flujo son representaciones gráficas de las diferentes combinaciones de
las operaciones y los procesos unitarios previamente seleccionados que se
implementarán en un tratamiento específico (METCALF y EDDY 1995).
La selección del diagrama se centra en la evaluación e interacción de las diferentes
combinaciones de procesos y operaciones unitarias, en la interacción entre las diferentes
alternativas de tratamiento del agua y los lodos (METCALF y EDDY 1995), y en su
costo-efectividad (CRITES y TCHOBANOGLOUS 2001).
En un diagrama de flujo es importante conocer en detalle los procesos planeados, ya que
un error de apreciación en la eficiencia o aplicación apropiada de un proceso particular
puede ser desastroso (CRITES y TCHOBANOGLOUS 2001).
La experiencia práctica adquirida con el ejercicio profesional se considera como el
factor de mayor importancia en la valoración y selección de los procesos y operaciones
unitarios (CRITES y TCHOBANOGLOUS 2001). Existen otros factores importantes:
aplicabilidad del proceso, intervalo y variación del caudal aplicable, características del
agua a tratar, constituyentes inhibidores e inertes, limitaciones climáticas, cinética de
reacción y selección del reactor, eficacia, residuos del tratamiento, procesamiento de
lodos, limitaciones ambientales, necesidades químicas, necesidades energéticas,
necesidades de personal, necesidades de operación-mantenimiento, recursos adicionales,
procesos auxiliares, nivel de confianza, complejidad, compatibilidad y disponibilidad de
espacio (METCALF y EDDY 1995).
1.5.3 Dimensionamiento de las unidades de tratamiento
Una vez definido el diagrama de flujo, se ubica cada unidad de tratamiento y
conducciones requeridas sobre el plano de terreno (CRITES y TCHOBANOGLOUS
2001). Posteriormente, se establecen los criterios de diseño en base a fundamentos
teóricos, datos publicados en literatura especializada, resultados de estudios a nivel de
laboratorio o planta piloto y la experiencia del diseñador (CRITES y
TCHOBANOGLOUS 2001).
Al dimensionar las unidades de tratamiento se debe tener en cuenta el espacio
disponible, las condiciones ligadas al funcionamiento de la planta (partición del caudal,
equilibrio de cargas) y los aspectos relacionados con las operaciones de mantenimiento
como contemplar la posibilidad de aislar un elemento del sistema sin que ello provoque
algún problema en el funcionamiento de la planta (METCALF y EDDY 1995).
1.5.4 Presupuestos
Los presupuestos o costos estimados de ingeniería se utilizan como guía en la evaluación
de propuestas presentadas por varios contratistas. La estimación de costos de un
proyecto incluye la proyección de costos de capital (equipos, construcción de
instalaciones y puesta en marcha) y de costos anuales de operación y mantenimiento
(salarios de empleados, reparación de equipos, insumos químicos, etc.) (CRITES y
TCHOBANOGLOUS 2001).
1.6 Valorización de los residuos generados
Se recomienda que los constituyentes eliminados de las AR, generalmente lodos, deban
ser tratados para reducir su contenido de agua y materia orgánica, y acondicionarlos para
su reutilización o evacuación final (METCALF y EDDY 1995).
Los lodos con un alto contenido de proteínas, desde el punto de vista económico,
deberían ser reutilizados como alimentos o fertilizantes y no descargarlos con las AR
(CZYSZ et al. 1991), de esta manera se reduciría la carga contaminante al ambiente y se
obtiene un valor agregado por su uso.
En la alimentación de los animales, las proteínas de los alimentos son degradados, bajo
la acción de las enzimas hidrolíticas del estómago e intestino delgado, para liberar sus
aminoácidos constitutivos que absorbidos al torrente circulatorio pasan a formar parte de
los aminoácidos de su organismo (COULTATE 1998). El maíz se constituye la principal
fuente de energía en la alimentación porcina, con un contenido de proteínas entre 8 y
11% del peso del grano (ROCABADO 2005).
El método Kjendalh se emplea para determinar el contenido proteínico en alimentos. El
método se basa en la digestión ácida con sulfato de sodio y sulfato de cobre, y posterior
destilación del nitrógeno en medio básico; se utiliza el factor 6,25 para la conversión de
la concentración de nitrógeno a contenido porcentual de proteínas (OFFICIAL
METHODS OF ANALYSIS 1984).
2. MARCO REFERENCIAL
2.1 Datos generales del municipio de Tiquipaya
El municipio de Tiquipaya, tercera sección municipal de la provincia Quillacollo, se
encuentra ubicado al noroeste de la ciudad de Cochabamba, entre las coordenadas 16º30
´00”–17º18´25” (latitud sur) y 65º49´21”–66º17´59” (longitud oeste), y tiene una
extensión aproximada de 1.866,44 km2 (TIQUIPAYA 2007).
De acuerdo al Censo Nacional de Población y Vivienda (CNPV) realizado por el
Instituto Nacional de Estadística (INE), el 2001, el municipio de Tiquipaya tenía una
población de 37.791 hab y una tasa de crecimiento poblacional intercensal de 11,2%
(TIQUIPAYA 2007). Según el Plan de Desarrollo Municipal 2007, Tiquipaya cuenta
con una población estimada para el 2010 de 57.689 hab.
El relieve físico está determinado por la diversidad de pisos ecológicos, la altura varía de
2500 a 4800 msnm, los recursos hídricos son abundantes, la temperatura promedio de
22ºC y la precipitación promedio anual de 600 mm (TIQUIPAYA 2007).
Tiquipaya está dividida en seis distritos, distribuidos en la subregión cordillera y valle
(TIQUIPAYA 2007) como muestra la tabla 4.
Tabla 4. Distritos de Tiquipaya: Características, superficie, población
Distrito Subregión Características Superficie Población
--- ha ------ %
------ hab ---
--- % ---
1
Cordillera
Íntegramente rural 134.482,3 72,1 1.261 3,33
2 Íntegramente rural 39.331,7 21,02 2.167 5,733 Rural con altas pendientes 8.993,8 5,01 716 1,89
4
Valle
Predominio urbano 812,1 0,37 7.654 20,25
5 Predominio urbano 687 0,4 13.406 35,47
6 Predominio rural 2.337,1 1,2 12.587 33,3
TOTAL 1.866,44 100 37.791 100
Fuente: TIQUIPAYA 2007
Cada distrito, a su vez, esta compuesta por comunidades. La figura 8 muestra los
distritos 4, 5 y 6 del municipio de Tiquipaya y la zona de estudio.
Figura 8. Distritos 4, 5 y 6 del Municipio de Tiquipaya (en base a TIQUIPAYA 2007)
2.2 Comunidad de Kanarancho
Kanarancho, la zona de estudio, pertenece al distrito 6 del municipio de Tiquipaya.
Según el INE, el 2001, la cantidad de habitantes era de 998, y su proyección para el
2010 de 1523 hab (TIQUIPAYA 2007).
2.2.1 Servicios básicos
2.2.1.1 Agua potable
La provisión domiciliaria de agua potable, se encuentra a cargo de dos comités de agua.
La cantidad de agua de suministro no abastece a toda la población de Kanarancho. Una
encuesta sobre calidad de agua realizada el 2003 determinó que la dotación es de 71,7
l/hab/d, la cual corresponde a una comunidad de tipo rural (TIQUIPAYA 2007). Para
solucionar el déficit de agua captan agua de vertientes y pozos profundos.
2.2.1.2 Disposición de aguas residuales
El año 2002, el 14% de la población contaba con conexión a alcantarillado
(TIQUIPAYA 2007), a pesar del incremento poblacional desde el año 2002, no existe un
registro actual que indique el porcentaje de cobertura de alcantarillado a la fecha. Gran
parte de las AR generadas en el municipio son vertidas a los canales de riego (AMPUERO
y VAN ROOIJEN 2006).
Para dar solución integral al elevado déficit en el servicio ambiental, se creó la Empresa
prestadora de servicio de agua potable y alcantarillado de la Mancomunidad
Colcapirhua-Tiquipaya (EPSA-MACOTI), que pretende dotar el servicio de
alcantarillado y mejorar el servicio de provisión de agua potable a las comunidades más
pobladas de los municipios de Tiquipaya y Colcapirhua (NEGOWAT 2006b).
2.2.2 Uso del suelo y actividades económicas
El distrito 6 sufre fuerte presión urbanizadora en el sentido este-sur, a pesar de ello, el
uso del suelo agrícola corresponde al 74% del total de la superficie y el 26% restante al
área urbana. (TIQUIPAYA 2007).
El extenso territorio agrícola permite la producción intensiva o semi-intensiva en
unidades familiares de hortalizas, maíz, papa y forrajes (alfalfa principalmente) en
parcelas de diversos tamaños. La producción de forraje es destinado a la producción
lechera en mediana y pequeña escala, se estima que se produce más de 5.500 l de leche
al día, la actividad cubre aproximadamente 770 hectáreas (TIQUIPAYA 2007).
La agricultura constituye la principal actividad económica del distrito 6, seguido de los
sectores de producción, artesanía, comercio y servicios, como se observa en la tabla 5.
La producción de chicha logra importantes niveles de acumulación económica.
Tabla 5. Distribución de actividades económicas por sectores del distrito 6
Sector Actividad Cantidad
Producción (transformación)
Granjas lecheras y avícolas
19
Viveros 1
Aserraderos 5
Fábricas varias 3
Fábricas de chicha 12
ArtesaníaMetalmecánicas 2
Artesanías 6
Panaderías 5
Comercio
Reventa chicha 116Tiendas abarrotes 94
Agencias de cemento 1
Kioscos 2
Restaurant 10
Servicios privados
Mercados 15Balnearios 1
Centros Médicos 4
Salones de belleza 2Juegos electrónicos 1
Fuente: TIQUIPAYA 2007
2.2.3 Producción de la chicha
En Kanarancho existen cinco fábricas de chicha ubicadas de acuerdo a la figura 9, las
cuales funcionan de manera formal. El proyecto de grado se realizó en la fábrica de
chicha Miguel Pizarroso.
Figura 9. Ubicación de las fábricas de chicha
Entre noviembre de 2003 y febrero de 2004, como parte de una tesis de maestría de la
Universidad Mayor de San Simón (UMSS) y la Universidad de Wageningen realizaron
un trabajo de investigación sobre las descargas residuales en la comunidad de
Kanarancho, el punto de muestreo fue ubicado aguas debajo de un matadero y de las
fábricas de chicha. Los análisis de agua fueron realizados por el Centro de Aguas y
Saneamiento Ambiental (CASA), los resultados obtenidos muestran lo siguiente: 683
mgO2/l de DBO, 5,3*106 UFC/100ml de coliformes fecales, aguas ácidas, alto contenido
de sales, y el caudal fluctúa entre 0,1 y 1,5 l/s (VAN ROOIJEN 2006).
Las AR provenientes de la elaboración del producto y lavado de barriles eran evacuadas
directamente a terrenos baldíos y acequias. En marzo del 2004, los propietarios
presentaron su Registro Ambiental Industrial (RAI), en el cual se asignó la categoría 4 a
su actividad industrial, posteriormente iniciaron la construcción de unos sedimentadores.
Se desconocen los criterios de diseño del actual tratamiento de AR.
Actualmente, las fábricas de chicha evacuan sus AR parcialmente tratadas al canal de
riego próximo a sus instalaciones, para ello, tres de ellas las conducen por una tubería de
6” (figura 10). La descarga es constante durante todo el año y, en época seca, está siendo
utilizada para regar cultivos forrajeros (VAN ROOIJEN 2006).
Figura 10. Vertido de las aguas residuales de tres fábricas de chicha
El efluente final posee residuos de borra, y el color y olor característicos de la chicha. La
borra se adhiere fácilmente a cualquier superficie, cuando llega al suelo forma una capa
blanquecina que lo impermeabiliza.
Se tiene proyectada la finalización del tendido de la red de alcantarillado en Kanarancho
por EPSA-MACOTI, y para que las fábricas de chicha se conecten al servicio, sus AR
deben cumplir con los límites permisibles para descargas a sistemas de alcantarillado
establecidos por la Ley 1333: 250 mg/l de DBO y 200 mg/l de SS.
2.2.3.1 Proceso de la elaboración de la chicha
El proceso de elaboración de la chicha comienza con el wiñapu, el cual es un producto
de la germinación controlada de los granos de maíz que transforma los almidones en
maltosa (CZYSZ et al. 1991). El wiñapu presenta modificaciones morfológicas por el
desarrollo del talluelo y la radícula, que dan lugar al reblandecimiento del grano y la
degradación de las proteínas y del almidón, productos resultantes de la liberación de las
enzimas citasa, diastasas, amilasa y proteasa; estas transformaciones sirven de nutrientes
para los microorganismos responsables de la fermentación de la chicha (DE FLORIO
2008).
En Kanarancho, el proceso de elaboración de chicha consiste en: 1) remojar los granos
de maíz durante dos días, eliminar el agua y dejarlos germinar en las mismas pozas de
remojo dos días más, 2) secar al sol los granos germinados de maíz (wiñapu) y molerlos,
3) mezclar el wiñapu molido con agua caliente por ocho horas, 4) separar el arrope
(parte sedimentada) del upi (parte acuosa), 5) añadir chancaca y azúcar al arrope y
dejarlo hervir aproximadamente quince horas, hasta que tenga consistencia pastosa, 6)
hervir el upi durante tres horas, 7) en cada wirkhi (cántaro de boca ancha) poner arrope
frío y upi caliente y dejar fermentar durante tres días, 8) verter la chicha elaborada a los
barriles y añadir alcohol y 9) distribuir los barriles de chicha (PIZARROSO 2008).
La figura 11 muestra el proceso de la elaboración de la chicha.
Figura 11. Proceso de la elaboración de la chicha (en base a PIZARROSO 2008)
La elaboración de chicha genera borra que queda sedimentada en los barriles y debe ser
removida antes de iniciar de nuevo el proceso. Se considera que la principal carga
contaminante de este proceso proviene de la descarga, en tandas, de las agua de los
tanques de remojo (CZYSZ et al. 1991).
2.2.3.2 Proceso del lavado de barriles
La rutina de lavado establecida por las fábricas de chicha de la zona de Kanarancho
consiste en: 1) recoger y acumular, durante una semana, los barriles sin chicha para su
lavado los días martes en la mañana, 2) extraer manualmente la borra sedimentada de los
barriles, 3) introducir a los barriles piedras, cal y agua con el fin de estregarlos y quitar
la borra y 4) enjuagar con abundante agua (PIZARROSO 2008).
La figura 12 muestra el proceso del lavado de los barriles de chicha.
Figura 12. Proceso del lavado de barriles (en base a PIZARROSO 2008)
La borra extraída de los barriles de chicha es comercializada a las granjas de crianza de
cerdos a un costo de 0,50 Bs/l (PIZARROSO 2008).
Las AR generadas en el lavado de barriles, que constituyen la mayor parte de la descarga
residual de las fábricas de chicha de Kanarancho, se caracterizan por su elevada carga
orgánica producida por la presencia de cal y borra.
2.3 Fábrica de chicha Miguel Pizarroso
2.3.1 Generalidades
La superficie total de la fábrica de chicha Miguel Pizarroso es de 1.750 m2, con una
superficie útil de 1.450 m2 (PIZARROSO 2008). Según la figura 9, el predio colinda al
norte y al este con caminos vecinales, al sur con la cancha polifuncional de la zona y al
oeste con la fábrica de chicha Máximo Velasco.
La unidad industrial cuenta con 6 empleados, quienes trabajan, de lunes a viernes,
durante 8 horas diarias.
2.3.2 Elaboración de chicha
El proceso de elaboración de chicha en la fábrica Miguel Pizarroso se ciñe al explicado
en el punto 2.2.3.1. Semanalmente, se produce alrededor de 60 barriles de chicha
(equivalente a 6.000 l).
La fábrica de chicha Miguel Pizarroso se abastece de agua del pozo ubicado dentro del
predio. La tabla 6 muestra la cantidad de materia prima utilizada anualmente en la
elaboración de chicha.
Tabla 6. Materia prima utilizada en la elaboración de chicha
Insumo Cantidad anual Unidad
Agua 301.608 l
Maíz 12.500 kg
Azúcar 1.517 kg
Chancaca 1.250 kg
Alcohol 2.418 l
Fuente: TIQUIPAYA 2004
2.3.3 Lavado de barriles
Semanalmente, se disponen 80 barriles para su lavado. El proceso de lavado de barriles
de chicha se ciñe al explicado en el punto 2.2.3.2, con excepción de la extracción de
borra que no se realiza. La borra sedimentada en los barriles se diluye con agua y se
vierte a los sedimentadores, incrementando así el volumen de AR. Se genera
aproximadamente 65 l de AR por barril lavado.
2.3.4 Actual tratamiento de aguas residuales
El tratamiento de AR de la fábrica de chicha Miguel Pizarroso consiste en un
sedimentador rectangular que funciona en tres etapas (figura 13), el cual recibe la
descarga proveniente del lavado de barriles. El sedimentador, cuyas características son
especificadas en el punto 4.2.1, comparte el ambiente destinado a la elaboración de
chicha y al lavado de barriles.
Figura 13. Emplazamiento del tratamiento de aguas residuales de la fábrica de chicha Miguel Pizarroso
La protección del sedimentador es deficiente (figura 14), las rejillas y tablas que lo cubre
permiten el ingreso de AR a la segunda y tercera etapa del sedimentador.
Sedimentador
canal de riego
zona
de
lava
do
zona
de
elab
orac
ión
de c
hich
a
Figura 14. Ingreso de aguas residuales a la tercera etapa del sedimentador
Se dispone de una superficie de 6 m2 para la ampliación del sistema de tratamiento de
AR (PIZARROSO 2008). La limpieza del sedimentador se realiza dos veces al año en
los meses de marzo y octubre.
3. METODOLOGÍA
La metodología que se siguió para cumplir el objetivo general se describe a
continuación:
3.1 Recopilación de información
Se recopiló información sobre la problemática ambiental en Kanarancho con respecto a
las fábricas de chicha establecidas en la zona. Para ello, se revisó la documentación
existente en la Unidad de Medio Ambiente y Recursos Naturales, perteneciente a la
Honorable Alcaldía Municipal de Tiquipaya, y se entrevistó a los propietarios de las
fábricas, vecinos y regantes de la zona. Simultáneamente, se buscó información sobre el
tratamiento de AR, con énfasis en tanque de sedimentación.
3.2 Caracterización de las aguas residuales
3.2.1 Medición de caudales
No se dispone de datos sobre los caudales de AR que ingresan al tratamiento existente,
por ello se utilizó el método volumétrico para la medición directa de caudales. Se simuló
una descarga libre a través de la prolongación del tubo de desagüe del sedimentador,
como se observa en la figura 15.
Figura 15. Medición del caudal de aguas residuales
Con un cronómetro se midió el tiempo de llenado de un balde graduado de 10 l. Con los
datos obtenidos de volumen y tiempo se calcularon los caudales de AR de acuerdo a la
ecuación 9.
t
VQ = (9)
Donde: Q = Caudal de agua, l/s
V = Volumen de agua, l
t = Tiempo de llenado, s
Los caudales máximos de AR se generan durante el proceso de lavado de barriles. Por
ello, las mediciones de caudales se realizaron los días martes en la mañana con una
frecuencia de una vez por semana, durante 5 d, en intervalos de 5, 10 y 15 min. Los
datos obtenidos de caudales se graficaron en función de la hora de medición.
Se analizaron las variaciones horarias de los caudales de AR, a fin de estimar el caudal
medio (Qmed) y el caudal máximo horario (Qmax-h).
3.2.2 Muestreo
Con el fin de evaluar el funcionamiento del sedimentador existente, se tomaron muestras
compuestas del afluente y del efluente de las tres etapas que lo constituyen, de acuerdo
al esquema presentado en la figura 16.
Figura 16. Ubicación de los puntos de muestreo dentro de la actual estructura de sedimentación
De acuerdo a la figura 16, el punto de muestreo P1 corresponde al afluente del
sedimentador (AR sin tratamiento), y los puntos P2, P3 y P4 al efluente de cada etapa
del sedimentador.
Las muestras fueron recolectadas el día martes 4 de noviembre de 2008, de horas 10:10
a 12:10 con un intervalo de muestreo de media hora. El volumen parcial de cada muestra
fue calculado con la ecuación 1 y la muestra total compuesta, en cada punto de
muestreo, fue de 5 l.
3.2.3 Parámetros representativos analizados
Los análisis de AR fueron realizados por el CASA (Centro de Aguas y Saneamiento
Ambiental). La tabla 7 muestra los parámetros considerados, así como su criterio de
selección y técnica de análisis de laboratorio.
Tabla 7. Parámetros analizados y criterios de selección
Parámetro Criterio Técnica
DBO Cantidad de carga orgánica biodegradable Winkler
DQO Cantidad de carga orgánica contaminante Oxidación con dicromato
Sólidos totales Sólidos suspendidos Gravimétrico a 105°C
Sólidos disueltos Sólidos suspendidos Gravimétrico a 105°C
Sólidos suspendidos Cantidad de lodos a sedimentar Cálculo
Calcio Índice SAR Titulación EDTA
Magnesio Índice SAR Cálculo
Sodio Índice SAR Fotometría de llama
Índice SAR Riesgo de sodificación del suelo Cálculo
Conductividad eléctrica Cantidad de sales disueltas Electroquímico
Coliformes fecales Cantidad de patógenos Membrana filtrante
Temperatura Calidad de agua Termómetro
pH Calidad de agua Electroquímico
Alcalinidad Capacidad buffer EDTA-titulación
Dureza Calidad de agua para riego EDTA
En los puntos P1 y P4, correspondientes al afluente y efluente final del sedimentador, se
analizaron los parámetros mencionados. Para evaluar el rendimiento de las etapas que
componen el sedimentador, en los puntos P2 y P3, se analizaron los sólidos (totales,
suspendidos y disueltos).
3.3 Evaluación del tratamiento de aguas residuales existente
3.3.1 Evaluación del tratamiento existente
Inicialmente se midieron las dimensiones del sedimentador vacío, luego de la extracción
de lodos realizada por la Empresa de Servicios Generales de Higiene Servimaster, dos
meses antes del muestreo.
Para la evaluación del funcionamiento del tratamiento existente se consideraron las
concentraciones de DBO, DQO, SS y coliformes fecales obtenidas en los puntos P1 y
P4. El cálculo de remoción de carga medida de mencionados parámetros se realizó con
la ecuación 10.
100*%i
fi
C
CCR
−= (10)
Donde: %R = porcentaje de remoción
Ci = concentración inicial
Cf = concentración final
3.3.2 Ensayos de sedimentación
Los ensayos de sedimentación se realizaron para conocer el comportamiento de las
partículas de las AR generadas en la elaboración de chicha (punto de muestreo P1) en el
proceso de sedimentación. Los ensayos se realizaron a una temperatura de agua de 19°C.
• Velocidad de sedimentación
La velocidad de sedimentación se determina a partir de la sedimentación de una muestra
de agua en una probeta de sedimentación de 1 l de capacidad.
Se introdujo la muestra de AR en la probeta hasta una altura de 36 cm, se agitó
vigorosamente y se la dejó reposar sobre una superficie horizontal, momento en que se
puso en marcha el cronómetro. La figura 17 muestra el inicio del ensayo.
Figura 17. Inicio del ensayo de sedimentación
Al transcurrir el tiempo, se observó la formación de interfases dentro de la probeta y de
una zona de líquido clarificado por encima de ellas. Durante 45 min de sedimentación,
se registró la variación de la altura de la zona clarificada a intervalos de 1 min. El ensayo
se realizó dos veces. La figura 18 muestra la finalización del ensayo de sedimentación.
Figura 18. Finalización del ensayo de sedimentación
Los datos obtenidos de tiempo de sedimentación y altura de la zona clarificada se
representaron gráficamente en la figura 25, a ésta se trazaron dos tangentes que indican
la sedimentación floculenta y la sedimentación por compresión de las partículas de la
muestra de AR. La velocidad de sedimentación se calculó a partir de la pendiente de la
recta directriz al punto de intersección de ambas tangentes.
• Eficiencia de remoción
Se trato de simular la eficiencia de remoción de los sedimentadores de la fábrica de
chicha Miguel Pizarroso a través de una columna de sedimentación de 0,15 m de
diámetro con orificios de muestreo situados cada 0,2 m.
Para determinar las variaciones de SS y DBO3 en la muestra de AR, se llenó la columna
con un volumen de 18 l, el cual alcanzó una altura sobre la columna de 1 m que
corresponde a la altura del sedimentador existente. Se tomaron muestras de la columna a
diferentes intervalos de tiempo y altura (figura 19).
3 Se analizó el parámetro de sólidos volátiles (SV) como un estimativo de la DBO o materia orgánica existente en las AR (SANHUEZA 1995).
Figura 19. Localización de los puntos de muestreo en la columna de sedimentación
De acuerdo a los puntos de muestreo establecidos, se siguió el cronograma de muestreo
mostrado en la tabla 8. La toma de muestras se realizó a intervalos de 15 min. La
muestra A0 corresponde a las condiciones iniciales de la muestra de AR. Transcurridos
45 min del proceso de sedimentación, el nivel de agua en la columna se encontraba
debajo del punto A, y las muestras A3 y A4 fueron tomadas en el punto A’.
Tabla 8. Cronograma de muestreo realizado en la columna de sedimentación
TiempoPuntos de muestreo
A A’ B C
-- min --0 A0
15 A1 B1 C1
30 A2 B2 C2
45 A3 B3 C360 A4 B4 C4
A (0,2 m)
A’ (0,4 m)
B (0,6 m)
C (1,0 m)
1,0
m
Obtenidos los resultados de los muestreos se trazaron las curvas de igual remoción
porcentual, y, a partir de ellas y la ecuación 5 se graficaron los porcentajes de remoción
de SS y DBO en función del tiempo de retención (figuras 26 y 27).
3.4 Propuesta de mejoramiento del sistema de tratamiento
3.4.1 Rediseño del tratamiento existente
Analizados los resultados obtenidos en los ensayos de laboratorio y de sedimentación, se
planteó hacer modificaciones en la estructura actual del sedimentador, se diseñó una
pared perforada para la distribución uniforme del flujo, una zona de acumulación de
lodos y se incluyeron vertederos de entrada y salida.
3.4.2 Diseño del tratamiento complementario
A partir de los resultados de carga de remoción obtenidos en el rediseño del
sedimentador y con las bases teóricas de los tipos de alternativas de tratamiento, se
propuso el diseño de otro sedimentador, de igual dimensiones al rediseñado, además del
diseño de estructuras complementarias como un canal de ingreso, un vertedero triangular
para la medición de caudal y líneas de conducción.
3.5 Estimación de costos
Con los diseños obtenidos se calculó, de manera general, el valor de obra con el fin de
obtener los costos estimados para la construcción, operación y mantenimiento de los
mismos.
3.6 Valoración de los residuos generados
Actualmente, en la fábrica de chicha Miguel Pizarroso, no se realiza la recuperación de
los residuos generados en la elaboración de chicha. Sin embargo, se realizó una
evaluación proteínica de los residuos a fin de estimar el valor económico que se
obtendría con su venta.
Se obtuvo una muestra de 200 ml de borra de los barriles y similar cantidad del lodo del
sedimentador. El Centro de Alimentos y Productos Naturales (CAPN), dependiente de la
UMSS, realizó la determinación de proteínas en ambas muestras. A partir de la cantidad
de proteínas presente, se evaluó su potencial nutricional en la alimentación porcina.
El volumen de borra producido semanalmente se calculó con la ecuación 11, para lo cual
se consideró que el barril tiene forma cilíndrica. Se estimó el volumen total de borra a
partir de 16 barriles medidos, que corresponde al 20% de los 80 barriles para su lavado.
hD
V *4
* 2π=
(11)
Donde: V = volumen de borra sedimentada, m3
D = diámetro promedio del barril, m
h = altura de borra, m
A partir de la remoción esperada de SS se calculó la cantidad de lodos producidos en los
sedimentadores.
4. RESULTADOS Y DISCUSIONES
4.1 Caracterización de las aguas residuales producidas en la elaboración de chicha
4.1.1 Caudales
La figura 20 muestra los caudales de AR medidos durante los meses de septiembre,
octubre y noviembre del 2008. En los diferentes días de medición de caudales realizados
se observa que las descargas varían en las horas de medición, sin embargo, se observa
que los mayores caudales se presentan entre 10:00 y 11:00 a.m. lo que coincide con la
hora de lavado de barriles. Mediante el análisis de los datos medidos se encontró el
caudal medio diario (Qmed) de 0,8 l/s.
Figura 20. Caudales medidos de aguas residuales
La figura 21 muestra los caudales máximos obtenidos a partir del análisis de las
variaciones horarias de los caudales de AR, para la frecuencia de medición utilizada. El
caudal máximo horario (Qmax-h) hallado es 1,34 l/s. A pesar de que durante los meses de
Septiembre y Noviembre se presentaron los máximos caudales, se observa una notable
fluctuación de los caudales máximos con relación al periodo de medición.
Figura 21. Caudales máximos de aguas residuales
Qmed
El sistema de tratamiento de AR se dimensionó con el caudal máximo horario, de modo
que pueda resistir los caudales pico que ingresen.
4.1.2 Calidad del agua residual
La tabla 9 muestra la caracterización del afluente y del efluente del tratamiento
existente, a su vez muestra los límites máximos permisibles establecidos por la Ley 1333
para descargas a cuerpos receptores de agua, alcantarillado y los parámetros
recomendados para agua de riego.
Tabla 9. Comparación de la calidad del afluente y efluente del tratamiento existente .………………con los límites máximos permisibles establecidos por la Ley 1333 para descargas ……………
liquidas y descargas a sistemas de alcantarillado, y para reuso en riego..………
ParámetroAfluente
(P1)Efluente
(P4)
Límites permisibles
Descarga1 Alcantarilla1 Riego2
pH 4,83 4,93 6 a 9 6,5 a 8,5Temperatura (°C) 23 23 ±5°C 3 ±3°C 3
Conductividad (µS/cm) 2355 1259 3000Alcalinidad (mg/l) 1271,92 104,90 600Dureza (mgCaCO3/l) 3320,10 744 300Índice SAR 0,78 1,01 15SS (mg/l) 850 1110 60 200 35DBO (mgO2/l) 15500 6733 80 250 45DQO (mgO2/l) 18770 7564 250 200Coliformes fecales (UFC/100ml) 2*105 2*105 1*103 1*103
1Límites establecidos por la Ley 1333
2Parámetros de calidad de aguas residuales para reuso en irrigación agrícola (en base a AKIÇCA s/a) 3Rango de viabilidad en relación a la temperatura media del cuerpo receptor
Como se indicó anteriormente, el efluente es reutilizado en el riego de cultivos de la
zona. Si se compara la calidad exigida para riego con la descarga actual (efluente), se
tiene que el pH está por debajo del requerido, esta acidez se supone que es parte del
proceso de fermentación del maíz como ingrediente esencial del proceso de elaboración
de chicha, pues la fermentación se produce en un rango aproximado de 3,5 a 5,5 pH
(COULTATE 1998). Las aguas con un pH entre 4,0 y 6,5 afectan al crecimiento de las
plantas reduciendo la disponibilidad de fósforo y de otros nutrientes, liberando niveles
tóxicos de aluminio e inhibiendo microorganismos útiles del suelo, además causa
problemas de corrosión en estructuras de metal y de hormigón (AKIÇCA s/a).
Los valores de temperatura reportados se encuentran en un rango normal para vertidos
residuales, que corresponde a un rango de 13 a 30°C en regiones cálidas (CRITES y
TCHOBANOGLUOS 2000). La temperatura encontrada de 23°C, no afectaría al suelo
regado por su proximidad a la temperatura media de Tiquipaya (22°C).
Los valores de conductividad eléctrica de la muestra indican que existe alto contenido de
sales disueltas, las cuales se pueden ser causadas por la cal utilizada para el lavado de los
barriles. No existirían problemas causados por la salinidad del agua en las tierras de
cultivo regadas, debido a que la conductividad del efluente es inferior a 3000 μS/cm.
La alcalinidad presente en el afluente se debe a la cal adicionada para el lavado. En el
efluente se muestra una reducción de alcalinidad, que pudo haber sido causada por el
ingresó de un volumen desconocido de AR, el día de muestreo, a la segunda y tercera
etapa del sedimentador.
La carga en el afluente, sin los parámetros de calidad de agua, puede ser considerada
como un agua muy dura; en el efluente se observa una disminución de dureza
posiblemente causada por la dilución de las AR. Según la tabla 2, el agua con dureza
mayor a 150 mgCaCO3/l puede formar obstrucciones en tuberías de transporte.
De acuerdo a la figura 1, el índice SAR sitúa al afluente y al efluente (0,78 y 1,01
respectivamente) en la clase C4S1, que corresponde a aguas utilizables para el riego con
precauciones.
Los ensayos de laboratorio señalan el incremento de SS en el efluente, como la toma de
muestras se realizó un día de lavado, puede ser que el volumen de entrada del agua de
lavado excediera la capacidad del sedimentador haciendo que se cree turbulencia dentro
de la estructura ocasionando un aumento de la velocidad horizontal de las partículas en
el sedimentador. La elevada concentración de SS del efluente crea condiciones
anaerobias en el canal de vertido, lo cual se evidencia por la presencia de malos olores
en la zona.
Los resultados obtenidos de los parámetros químicos DBO y DQO indican elevados
valores de materia orgánica en el afluente debido a la descarga de residuos orgánicos
como la borra. Se observa una disminución de la carga orgánica en el efluente, sin
embargo sus valores continúan altos y generan crecimiento bacteriano en los sistemas de
distribución de agua causando problemas de obturación y deposición (AKIÇCA s/a).
Las AR provenientes de la producción de chicha (P1) no cumplen con los límites
establecidos para su descarga, y el efluente vertido al canal de riego (P4) aún posee
elevada carga contaminante afectando la productividad del suelo regado, lo cual ya se
había referenciado en la descripción del problema.
Para disminuir la carga contaminante expresada como SS, DBO y DQO se debería
extraer la borra de los barriles antes del lavado con el fin de dar una mejora al sistema.
Esta propuesta fue presentada al dueño de la fábrica pero al no formar parte del
procedimiento de lavado de barriles por el tiempo destinado a este fin, no existió
disposición por parte de los trabajadores de la misma.
Los resultados de los análisis del parámetro microbiológico coliformes fecales indican la
existencia de una fuente de contaminación causada por el hombre y/o animales. El
vertido del efluente en el canal de riego genera un riesgo de infección por la presencia
potencial de patógenos en la deposición microbial formada (CASTAÑON 2000).
4.2 Evaluación de la eficiencia del tratamiento de aguas residuales existente
4.2.1 Descripción del tratamiento existente
Como ya se mencionó, el tratamiento actual de la fábrica de chicha Miguel Pizarroso
está conformado por un sedimentador rectangular que funciona en tres etapas. El cual
está construido con ladrillo y recubierto interiormente por un enlucido de cemento. Las
figuras 22 y 23 ilustran mencionada estructura, en las que las unidades están expresadas
en metros.
La entrada de agua al sedimentador es a través del vertido directo de las AR a la primera
etapa del sedimentador.
2,0 1,1 2,35
1,0
0,4
50
,4
5
0,1
0,8
50
,0
5
Figura 22. Vista de planta del actual tratamiento de aguas residuales de la fábrica de chicha …..
…………………. … Miguel Pizarroso
2,0 1,1 2,35
1,2
0,550,
1
0,1
0,1
1,0
0,55
0,05
0,1
Figura 23. Corte A-A. Vista de perfil del actual tratamiento de aguas residuales de la …………. .................. . fábrica de chicha Miguel Pizarroso
En la parte superior de la tercera etapa del sedimentador se encuentran quince losas de
cemento dispuestas diagonalmente, con orificios de aproximadamente 1½ cm de
diámetro, como se muestra en la figura 24.
afluente
1,0
0,1625 0,135 0,015
0,15
Figura 24. Vista de una losa del sedimentador
El flujo de agua pasa a través del sedimentador por rebose. Las tres etapas que
conforman la estructura están interconectadas entre sí por tuberías de 4” de diámetro
situadas a una altura de 0,1 m y 0,6 m desde la superficie del suelo. El flujo en la tercera
etapa es ascendente y el tubo de salida está situado a 5 cm de la superficie.
El adecuado desempeño del sedimentador se ve afectado por el ingreso de AR a la
segunda y tercera etapa. A pesar de esta situación, las AR lo alimentan continuamente lo
que hace que la sedimentación sea continua y transcurra en régimen estacionario.
4.2.2 Velocidad de sedimentación
Se asume que las partículas presentes en las AR generadas en la elaboración de chicha
tienen sedimentación floculenta, que corresponde a una suspensión ligeramente
concentrada cuyas partículas se agregan durante el proceso de sedimentación.
La figura 25 muestra la representación gráfica de los datos obtenidos de la variación de
la altura de interfase en la probeta con el tiempo, con los datos obtenidos y mediante la
metodología utilizada se encontró una velocidad de sedimentación de 0,023427 cm/s
equivalente a 1,4045 cm/min.
Figura 25. Variación de la altura de interfase en la probeta con el tiempo
En líquidos con flujo laminar, la ley de Stokes relaciona las características de las
partículas con la velocidad de sedimentación (PEREZ y CANEPA 1992), como muestra
la ecuación 12.
21
18
1d
sgVs
−=µ
(12)
Donde: Vs = velocidad de sedimentación, cm/s
g = aceleración de la gravedad, cm/s2
s = peso especifico de las partículas, g/cm3
μ = viscosidad cinemática del agua, cm2/s
d = diámetro de las partículas, cm
A partir de la ley de Stokes, se calculó el diámetro de las partículas presentes en las AR,
para lo cual se asumió el peso específico de 2,3 g/cm3, valor correspondiente a
materiales orgánicos (PENSON 1996), el cual se asemeja al material particulado
presente en la muestra. La temperatura del agua en el ensayo fue de 19°C, para la cual
corresponde una viscosidad cinemática de 1,0356*10-2 cm2/s (CRITES Y
TCHOBANOGLOUS 2001).
cm
scm
scmscmd 002,0
)13,2)(/981(
)/100356,1)(/02341,0(182
22≈
−×=
−
El valor obtenido nos muestra que las AR en estudio poseen partículas de 0,002 cm de
diámetro promedio.
4.2.3 Eficiencia de remoción
Para determinar la eficiencia de remoción esperada en el proceso de sedimentación, se
graficaron curvas de remoción en función a la profundidad de los puntos de muestreo en
la columna de sedimentación (ver Anexos 6 y 7). Con la información obtenida se graficó
la remoción esperada de SS y DBO en función del tiempo de retención, como muestran
las figuras 26 y 27. La remoción de SS y DBO, en función del tiempo de retención,
sigue una tendencia lineal.
Este ensayo evalúa el efecto del contacto entre las diferentes partículas sobre el proceso
de sedimentación, que a su vez es función de la concentración de partículas y de los
tamaños de las mismas, de la profundidad del sedimentador y del gradiente de velocidad
del sistema (METCALF y EDDY 1995). Los resultados obtenidos corresponden a los
esperados en el proceso de sedimentación de las aguas residuales generadas en la
elaboración de chicha, cuyas partículas poseen una velocidad de sedimentación de
0,02341 cm/s, en tanques de sedimentación de 1,0 m de profundidad.
Figura 26. Remoción de SS en función del tiempo de retención
Figura 27. Remoción de DBO en función del tiempo de retención
Los ensayos de sedimentación revelan que, en un tiempo de retención entre 60 y 75 min,
el proceso de sedimentación brinda una remoción entre el 50 y 70% de SS y entre el 65
y 85% de DBO en el tratamiento de las AR producidas en la elaboración de chicha.
La remoción esperada de DBO es mayor al valor teórico entre 25 y 40% para
sedimentadores primarios dimensionados y operados de manera eficiente (METCALF y
EDDY 1995), lo que indica que gran parte de la carga orgánica comienza su proceso de
biodegradación en los sedimentadores
La tabla 10 muestra la eficiencia lograda en el tratamiento existente de AR, en las
actuales condiciones de trabajo.
Tabla 10. Eficiencia de remoción lograda en el tratamiento existente
Parámetro Afluente Efluente Remoción (%)
--------- mg/l --------
DBO 15500 6733 57
SS 850 1110 -31
El sedimentador existente remueve 57% de DBO, este porcentaje es menor al esperado
para un sedimentador en el tratamiento de las AR generadas en la elaboración de
chicha. El efluente excede el límite permisible de 80 mg/l, razón por la cual se debe
rediseñar el sistema actual de tratamiento con el fin de obtener una carga que disminuya
el impacto sobre los cultivos de la zona.
Los SS en el efluente presentan una remoción negativa del 31% lo que indica fallas en el
funcionamiento del sedimentador, posiblemente debidas a las falta de estructuras de
control de entrada del caudal afluente y control de la velocidad dentro de los
sedimentadores.
La tabla 11 muestra la remoción de SS obtenida en cada etapa del sedimentador. Se
observa un incremento de SS en el efluente del primer y tercer sedimentador.
Tabla 11. Remoción de SS de cada etapa del sedimentador
Etapa Afluente Efluente Remoción
-------- mg/ l-------- -- % --
Primera 850 870 -2,4
Segunda 870 580 33,3
Tercera 580 1110 -91,4
Para garantizar la estabilidad del flujo de agua dentro de una estructura de
sedimentación, la relación de las dimensiones de largo y ancho (L/B) debe ser entre 3 y
6, y la relación de las dimensiones de largo y profundidad (L/H) entre 5 y 20 (PÉREZ y
CANEPA 1992).
La tabla 12 muestra las relaciones de las dimensiones de las etapas del sedimentador.
Las relaciones dimensionales de las etapas que conforman el sedimentador existente
evidencian que el ingreso de agua al sedimentador crea turbulencia y arrastre de SS.
Tabla 12. Relaciones dimensionales de las etapas del sedimentador
EtapaDimensiones
L/B L/HLargo (L) Ancho (B) Profundidad (H)
---------------------------- m -----------------------------
Primera 2 1 1,2 2 1,7
Segunda 1,1 1 1,2 1,1 0,9
Tercera 2,35 1 1,2 2,35 1,9
4.3 Propuesta de mejoramiento del sistema de tratamiento de aguas residuales
Se propone rediseñar el sedimentador primario. Para aprovechar la superficie del
tratamiento existente se ampliará ligeramente el volumen ocupado por el sedimentador
manteniendo la altura de 1,0 m e incluyendo algunas estructuras (entrada, salida y
recolección de lodos) que permitan su adecuado funcionamiento hidráulico.
El ingreso de agua al sedimentador primario se realizará a través de un canal de sección
rectangular que reúna y conduzca el agua de lavado de barriles. En el canal se incluirá
un vertedero triangular para la medición de caudal afluente.
4.3.1 Consideraciones para la selección del tratamiento complementario
La precipitación química puede eliminar 90% de SS, 70% de DBO y 60% de DQO de
las AR diluidas, a un alto costo de operación por el personal calificado que precisa y el
uso de productos químicos y/o energía; por otro lado, los productos químicos añadidos
al agua reaccionan con las sustancias presentes en ella y con frecuencia forman
reacciones secundarias que pueden afectar a la productividad del suelo regado
(METCAF&EDDY 1995). Debido a la elevada carga orgánica de las AR y costos no se
considera la precipitación química como tratamiento complementario.
Efluente
Por otro lado, la relación DBO/DQO de 0,8 indica que su biodegradación es posible y
garantiza el éxito de los procesos biológicos
como tratamiento de AR (CZYSZ et al. 1991).
Sin embargo, las bacterias responsables de la biodegradación de las AR tienen un
metabolismo complejo en procesos biológicos de alta tasa. (DQO>4.000 mg/l) (TAPIAS
2008c).
Los procesos biológicos no resultan una buena opción en el tratamiento de las AR de las
fábricas de chicha de Kanarancho debido a las dificultades de operación y
mantenimiento que se requieren debido al personal calificado que se necesita para el
control permanente de los parámetros.
Un sedimentador como tratamiento secundario es una buena opción por los porcentajes
de eficiencia que posee, por los bajos costos de operación y mantenimiento y por la
facilidad de operación. No se consideró el diseño de otras unidades de tratamiento por el
limitado espacio disponible.
La figura 28 muestra el diagrama de flujo propuesto del sistema de tratamiento de aguas
residuales.
Figura 28. Diagrama de flujo propuesto del sistema de tratamiento de aguas residuales
4.3.2 Rediseño del sedimentador primario
4.3.2.1 Estructura de ingreso
Para controlar el caudal afluente, como estructura de ingreso al sedimentador se diseñó
un canal de de sección rectangular, de acuerdo a las condiciones del lugar las
dimensiones son:
Vertedero triangular
Afluente
SEDIMENTADOR PRIMARIO
Canal de riego
SEDIMENTADOR SECUNDARIO
- Longitud: 3 m, que corresponde a la distancia que recorre el vertido del agua hasta el
sedimentador primario.
- Ancho: 0,3 m, valor recomendado para canales de ingreso de AR a estructuras de
tratamiento (MOSCOSO 2008).
- La altura debe garantizar la máxima eficiencia hidráulica del canal (MOSCOSO
2008), en un canal de sección rectangular la altura se calculó con la ecuación 13.
2
bh =
(13)
Donde: b = ancho del canal, m
h = altura del canal, m
mm
h 1 5,02
3 0,0 ==
Para evitar la acumulación de lodos en el canal, el fluido debe transcurrir con una
velocidad de aproximación (Va) de 0,6 m/s (MOSCOSO 2008), con este valor se calculó
la altura de la lámina de agua que conduce el canal.
Va
Qha *2
= (14)
Donde: ha = altura de agua, m
Q = caudal, m3/s
Va = velocidad de aproximación, m/s
m
sm
smha 0334,0
/6,0*2
/00134,0 3==
La pendiente del canal que asegure que la velocidad de aproximación no sea excedida se
calculó con la ecuación de Manning (MOSCOSO 2008):
2
3/2
*2
*
*
+
=
bha
bha
VaS
η
(15)
Donde: S = pendiente del canal, m/m
Va = velocidad de aproximación, m/s
η = coeficiente de rugosidad
ha = altura de agua, m
b = ancho del canal, m
Para el cálculo de la pendiente se considero el coeficiente de rugosidad de 0,013 que
corresponde a canales de hormigón (PÉREZ y CANEPA 1992).
mm
mm
mm
smS /0074,0
3,00334,0*2
3,0*0334,0
013,0*/6,0
2
3/2=
+
=
Según el valor calculado, el canal deberá tener una pendiente de 0,0074 m/m equivalente
a 0,74%, de modo que será construido siguiendo la pendiente natural del terreno de
0,75% (TIQUIPAYA 2004). Dadas estas consideraciones, las dimensiones del canal de
ingreso son:
l = 3 m
b = 0,3 m
h = 0,15 m
ha = 0,0334 m
S = 0,74%
Donde: l = largo del canal
b = ancho del canal
h = altura del canal
ha = altura de la lámina de agua
S = pendiente del canal
90°
La medición del caudal afluente se realizará con un vertedero triangular de pared
delgada en el canal de ingreso al sedimentador. El ancho del vertedero triangular
corresponde al ancho del canal (0,3 m). De acuerdo al valor de altura de la lámina de
agua (ha) que conduce el canal, se asumió 0,05 m de distancia entre el borde de la
entalladura y la base del canal, y 0,12 m de altura del vertedero.
La figura 29 muestra una vista del vertedero triangular en el canal de ingreso.
0,15
0,033
4
0 , 3
0 , 0 8 0 , 1 4 0 , 0 8
0,07
0,05
Figura 29. Vista del vertedero triangular en el canal de ingreso
El caudal descargado a través de un vertedero triangular, de 90° de abertura, se puede
estimar a partir de la altura de carga sobre el vértice en la entalladura (METCALF y
EDDY 1995):
2/5*38,1 hQ =
(16)
Donde: Q = descarga, m3/s
h = altura de carga sobre el vértice en la entalladura, m
4.3.2.2 Sedimentador primario
Con el fin de mejorar el funcionamiento del sedimentador, garantizar que se cumplan las
relaciones de dimensiones y respetando el espacio disponible para el tratamiento, su
volumen ocupado se amplía de 5,45 m3 a 6,38 m3.
NA
A continuación se describen las zonas que constituyen el sedimentador.
• Zona de entrada
Para permitir una distribución uniforme del flujo dentro del sedimentador se incluye un
vertedero de entrada y una pantalla perforada sumergida.
- Vertedero de entrada
Se propone implementar un vertedero de entrada tipo rectangular que ocupe el ancho del
sedimentador, el cual permita regular y distribuir uniformemente la entrada de agua a la
estructura de sedimentación (METCALF y EDDY 1995), y sus dimensiones deben
permitir su limpieza manual (PÉREZ y CANEPA 1992). Dadas estas consideraciones
para el diseño, se asume las siguientes dimensiones del vertedero de entrada:
Ancho = 1,1 m
Largo = 0,2 m
Alto = 0,4 m
El canal descrito en la sección 4.3.2.1, conduce y permite el ingreso del afluente al
vertedero de entrada, así como se muestra en la figura 30.
Figura 30. Vista del vertedero de entrada
- Pantalla perforada
canal de ingreso
Para conseguir una buena distribución del flujo en la zona de sedimentación, se propone
el diseño de una pantalla perforada.
Acorde a los criterios de CEPIS/OPS, la pantalla se debe ubicar a 0,6 m de distancia de
la pared de entrada y la velocidad de paso a través de los orificios debe ser menor a 0,15
m/s. Se recomienda que los orificios de la pantalla perforada sean de 0,025 m de
diámetro y estar aboquillados a 15° (PÉREZ y CANEPA 1992). El área total de orificios
se calculó con la ecuación 17.
oV
QA =1 (17)
Donde: A1 = área total de orificios, m2
Q = caudal, m3/s
Vo = velocidad de paso a través de los orificios, m/s
En el cálculo se consideró la velocidad de paso (Vo) de 0,1 m/s, valor recomendado para
sedimentadores con un una profundidad menor a 1,5 m (CEPIS/OPS 2005).
2
3
1 0134,0/1,0
/00134,0m
sm
smA ==
Los orificios de la pantalla perforada deben ocupar un área de 0,0134 m2. El número de
orificios se calculó considerando el diámetro recomendado de 0,025 m.
21
*
*4
o
od
An
π=
(18)
Donde: no = número de orificios
A1 = área total de orificios, m2
do = diámetro de un orificio, m
( )3,27
025,0*
0134,0*42
2==
m
mno
π
pantalla perforada
vertedero de aliviovertedero de ingreso
canal
El mayor número de perforaciones minimiza la longitud de los chorros de agua y evita la
formación de turbulencia dentro de la zona de sedimentación (PÉREZ y CANEPA
1992). Por ello, se asume una pantalla con 30 orificios dispuestos en 5 filas y 6
columnas.
Los orificios más altos deben estar a 1/5 H a partir de la superficie del agua y los más
bajos a 1/5 H a partir de la superficie del fondo, donde H es la altura del sedimentador
(CEPIS/OPS 2005). La figura 31 muestra la pared perforada, en la que la distancia entre
orificios es 0,114 m y la distancia lateral a la pared de 0,19 m.
0 , 0 2 5
Figura 31. Vista de la pantalla perforada
- Vertedero de alivio
El vertedero de alivio regula el caudal de agua que ingresa al sedimentador, evitando que
éste se vea incrementando durante la operación. El vertedero está conectado a la zona de
entrada (figura 32) y sus dimensiones asumidas en base a la estructura de sedimentación:
Altura = 0,20 m
Ancho = 0,40 m
1,1
0,40,2
0,6
0,2
Figura 32. Vista del vertedero de alivio
• Zona de sedimentación
El área mínima requerida por el sedimentador se determina a partir de la velocidad de
sedimentación (Vs), de modo que queden eliminadas las partículas con una velocidad
vertical igual o superior (METCALF y EDDY 1995), antes de alcanzar su concentración
crítica (GILARRANZ 2007).
Vs
QA = (19)
Donde: A = área longitudinal del sedimentador, m2
Q = caudal, m3/s
Vs = velocidad de sedimentación, m/s
23
72,5/00023427,0
/00134,0m
sm
smA ==
Se opta por un sedimentador rectangular de una superficie de 5,72 m2, que por su
simplicidad, es recomendado para plantas pequeñas de tratamiento de AR (PÉREZ y
CANEPA 1992). Se asume las siguientes dimensiones de la zona de sedimentación:
L = 5,2 m
B = 1,1 m
H = 1 m
Donde: L = largo del sedimentador
B = ancho del sedimentador
H = altura del sedimentador
Esto implica mantener la altura de 1,0 m y aumentar ligeramente el ancho de 1,0 a 1,1 m.
La figura 33 muestra la zona de sedimentación.
1,1
1,0
0,6 5,2
5,8
Fig
ura 33. Vista de la zona de sedimentación
Las dimensiones establecidas para la zona de sedimentación brindan las condiciones
adecuadas de flujo dentro de la estructura, como muestra la tabla 13.
Tabla 13. Relaciones dimensionales del sedimentador rediseñado
Relación Zona de sedimentación Valor recomendado
L/B 4,7 4 – 6L/H 5,2 5 – 20
- Velocidad horizontal
Para que las partículas no sean arrastradas desde el fondo del sedimentador, la velocidad
horizontal debe ser menor que la velocidad de arrastre (PÉREZ y CANEPA 1992). La
velocidad horizontal (Vh) se calculó a partir de la ecuación 7.
BH
QVh
*
*100=
Donde: Vh = velocidad horizontal, cm/s
Q = caudal, m3/s
zona de sedimentación
pantalla perforada
H = altura del sedimentador, m
B = ancho del sedimentador, m
scmmm
smVh /12,0
1,1*1
/00134,0*100 3
==
Por otro lado, la ecuación de Shields nos brinda una aproximación real de la velocidad
de arrastre (VA) o velocidad horizontal mínima a la cual se inicia el arrastre de partículas
(METCALF y EDDY 1995):
2
1)1(8
−=
f
gdskV A
Donde: VA= velocidad horizontal mínima a la cual se inicia el arrastre de
partículas, cm/s
k = constante que depende del tipo de material arrastrado
s = peso específico de las partículas, g/cm3
g = aceleración de la gravedad, cm/s2
d = diámetro de las partículas, cm
f = factor de fricción de Darcy-Weisbach
Los valores típicos de las constantes adimensionales k y f son 0,06 y 0,025
respectivamente (METCALF y EDDY 1995). Las partículas de las AR en estudio tienen
un peso específico de 2,3 g/cm3 y un diámetro de 0,002 cm, valores justificados en la
sección 4.2.2.
( ) ( )scm
cmscmcmgV A /10
)025,0(
002,0*/981*2*/)13,2(*)06,0(8 21
23
≈
−=
Se encontró que Vh < VA, lo que nos indica que las partículas sedimentadas no serán
arrastradas desde el fondo del sedimentador.
- Tiempo de retención
El tiempo de retención del agua dentro la estructura de sedimentación se calculó con la
ecuación 8, que relaciona la velocidad de sedimentación y la altura del sedimentador
(METCALF y EDDY 1995).
( )s
r V
HT *028,0=
Donde: Tr = tiempo de retención, h
H = altura del sedimentador, m
Vs = velocidad de sedimentación, cm/s
( ) hscm
mTr 2,1
/023427,0
1*028,0 ≈=
Las AR permanecerán en el sedimentador 1,2 h, valor que se encuentra dentro el rango
de tiempo de retención recomendado para sedimentadores (1–6h) (PÉREZ y CANEPA
1992).
• Zona de salida
Una estructura de salida, similar al vertedero de entrada, que ocupe la totalidad del
ancho del sedimentador permite recolectar el efluente sin perturbar la sedimentación de
las partículas depositadas (PÉREZ y CANEPA 1992). Las dimensiones del vertedero de
salida son:
Ancho = 1,1m
Largo = 0,2m
Alto = 0,4m
El tubo de salida se situó al nivel de la base del vertedero (0,4 m con respecto a la
superficie del suelo), así como muestra la figura 34. Se asume el diámetro del tubo de
salida de 0,075 m y de la velocidad de salida de 0,3 m/s, valores recomendados para
sedimentadores pequeños (PÉREZ y CANEPA 1992).
0,4
1,1
0,2
0,075
Figura 34. Vista del vertedero de salida
• Zona de recolección de lodos
Con el fin de recolectar los lodos sedimentados se incluye una tolva debajo de la zona de
sedimentación. La base del sedimentador ligeramente inclinada con un ángulo de 5°
brinda la máxima eficiencia (VEGA y VILLACRESES 2006), con esta consideración se
calculó la altura máxima en la tolva de lodos.
mLHH +=1
(20)
Donde: H1 = altura máxima en la tolva de lodos, m
H = altura del sedimentador, m
m = pendiente
L = largo del sedimentador, m
mmmH 26,12,5*05,011 =+=
La altura máxima en la tolva de lodos es 1,26 m. La figura 35 muestra la zona de
recolección de lodos.
zona de sedimentaciónpantalla perforada
0,15
1,1
1,0
0,6
1,26
5,2
5,8
0,15
Figura 35. Vista de la zona de recolección de lodos
Se recomienda estimar el tiempo de vaciado de lodos a partir de la sección de la
compuerta de evacuación de 0,0225 m2 (CEPIS/OPS 2005). El cálculo se realizó con la
ecuación 21.
2
1
*4850
***60
A
HBLt =
(21)
Donde: t = tiempo de vaciado de la unidad, h
L = largo del sedimentador, m
B = ancho del sedimentador, m
H1 = altura máxima en la tolva de lodos, m
A2 = sección de la compuerta de descarga de lodos, m2
min53,3
0225,0*4850
26,1*1,1*2,5*602
==m
mmmt
Los lodos acumulados podrán ser vaciados, en 3,53 min, y almacenados temporalmente
en una cámara contigua de 1,0 m de ancho y 0,4 m de largo para su disposición final (ver
figuras 36 y 38). En plantas pequeñas, se recomienda extraer los lodos de la cámara de
almacenamiento en forma manual (VEGA y VILLACRESES 2006).
A continuación se presenta las vistas de planta y de perfil del sedimentador rediseñado.
Los planos incluyen el espesor del material de construcción indicado en la sección
4.4.1., y la unidad de longitud considerada es el metro (m).
zona de recolección de lodos
La figura 38 muestra el Corte B-B del sedimentador rediseñado, que corresponde a la
vista de la pantalla perforada y de la cámara de almacenamiento temporal de lodos.
compuerta de evacuación de lodos
Figura 38. Corte B-B. Pantalla perforada del sedimentador rediseñado
De acuerdo a la estimación obtenida para el diseño realizado, en el sedimentador
primario, con un tiempo de retención de 1,2 h equivalente a 72 min, y de acuerdo a las
figuras 26 y 27, se obtendría una remoción de 74% de SS y 77% de DBO. Estos
porcentajes de remoción indican un óptimo funcionamiento del sedimentador primario
(METCALF y EDDY 1995).
En la tabla 14 se puede observar los valores esperados de calidad del efluente y los
valores exigidos por el Reglamento de contaminación hídrica de la Ley 1333.
Tabla 14. Calidad del efluente del tratamiento actual y del sedimentador rediseñado
Parámetro AfluenteTratamiento actual Sedimentador rediseñado
Ley 1333Remoción Efluente Remoción Efluente
-- mg/l
--
--- % --- -- mg/l -- --- % --- -- mg/l -- -- mg/l --
DBO 15500 57 6733 77 3565 80DQO 18770 60 7564 77 4317 250
SS 850 -31 1110 74 221 60
El rediseño del sedimentador primario permite mayores valores de remoción que el
actual tratamiento, como resultado de una mejor distribución del flujo por las estructuras
adicionadas. Sin embargo, la carga contaminante del efluente es elevada comparada con
cámara de almacenamiento temporal de lodos
los límites permisibles establecidos por la Ley 1333 para la descarga para AR, por tanto
se propone como tratamiento secundario un sedimentador.
4.3.3 Dimensionamiento del sedimentador secundario
El sedimentador secundario, de similares características al sedimentador primario,
ocupará un área de 6,37 m2, acorde al área disponible para su instalación. Teóricamente
se espera una remoción de 74% de SS y 77% de DBO.
Las líneas de conducción, incluidas las de entrada y salida de los sedimentadores, serán
constituidas por tuberías y codos de PVC de 0,75 m (3”) de diámetro.
La tabla 15 compara el efluente del tratamiento actual y del sistema de tratamiento de
AR propuesto con los porcentajes de remoción esperados y los límites máximos
permisibles establecidos por la Ley 1333 para descargas liquidas, descargas a sistemas
de alcantarillado, y para reuso en riego.
Tabla 15. Comparación del efluente del tratamiento actual y del sistema de tratamiento de aguas ……………..residuales con los límites máximos permisibles establecidos por la Ley 1333 para ……………..descargas liquidas y descargas a sistemas de alcantarillado, y para reuso en riego
Parámetro AfluenteTratamiento actual Sistema propuesto Límites permisibles
Remoción Efluente Remoción Efluente Descarga Alcantarilla Riego
--mg/l-- -- % -- --mg/l-- -- % -- --mg/l-- -------------- mg/l --------------DBO 15500 57 6733 95 820 80 250 45DQO 18770 60 7564 95 993 250 200
SS 850 -31 1110 93 57 60 200 35
A pesar de que se espera que el efluente posea alta carga orgánica, cumple con la
concentración de SS, en mg/l, establecida por la Ley 1333 para descargas líquidas.
Se observa una notable mejora en la calidad del efluente del sedimentador secundario
con respecto al efluente del tratamiento actual que es vertido al canal de riego, pues se
lograría disminuir la carga de las AR producidas en la elaboración de chicha en 95% de
DBO, 95% de DQO y 93% de SS, de manera que el efluente tendría 820 mg/l de DBO,
993 mg/l de DQO y 57 mg/l de SS.
Por lo tanto, la implementación del sistema de tratamiento de AR minimizaría el
impacto de la descarga sobre las tierras de cultivo.
La figura 39 muestra el emplazamiento del sistema de tratamiento de AR de la fábrica de
chicha Miguel Pizarroso, conformado por un canal de ingreso de AR, un vertedero
triangular para la medición de caudales, un sedimentador primario y un sedimentador
secundario.
CANAL DE INGRESO
SEDIMENTADOR PRIMARIO
SEDIMENTADOR SECUNDARIO
zona
de
lav a
do
CANAL DE INGRESO
Figura 39. Emplazamiento del sistema de tratamiento de aguas residuales
zona
de
ela b
orac
ión
de c
hich
a
VE
RT
ED
ER
O
4.4 Estimación de costos
4.4.1 Costos de construcción
La construcción del sistema de tratamiento de AR inicia con la excavación del terreno
para el emplazamiento de las estructuras diseñadas. A continuación se especifica el
material elegido para la construcción de cada unidad:
• Canal de ingreso
Las paredes internas y la base del canal estarán recubiertas con 5jcm de hormigón
simple. El vertedero triangular estará construido con plancha de acero de 2imm de
espesor.
• Sedimentadores
Los sedimentadores soportarán elevadas cargas hidráulicas, por ello la base de los
sedimentadores se recubrirán con mampostería de piedra manzana y hormigón ciclópeo
(15icm de espesor). Las paredes de los sedimentadores se construirán con ladrillo
adobito y serán recubiertas interiormente por un enlucido de cemento.
Las pantallas perforadas de distribución de caudal serán construidas con madera tratada
de 1 cm de espesor.
Las paredes internas y base de las obras adicionales (vertederos de entrada, salida y
alivio) estarán revestidas con hormigón simple (5icm de espesor), ya que soportarán
bajas cargas hidráulicas.
La tabla 16 muestra la estimación de los costos de construcción del sistema de
tratamiento de AR de la fábrica de chicha Miguel Pizarroso, en base a las
especificaciones de construcción descritas.
Tabla 16. Costos de construcción del sistema de tratamiento de aguas residuales
Descripción Unidad Cantidad Costo unitario
(Bs)Costo total
(Bs)Costo total
($us) *
Canal de ingreso
Excavación m3 0,24 38,07 9,14 1,29
Paredes de hormigón simple (e=0,05m) m3 0,105 373,79 39,25 5,55
Vertedero triangular de plancha de acero (e=2mm) 1 240,31 240,31 33,99
Sedimentadores
Excavación m3 26,02 38,07 990,58 140,11
Paredes de hormigón simple (e=0,05m) m3 0,24 373,79 90,83 12,85
Muro de ladrillo adobito m2 43,77 94,02 4115,25 582,07
Revoque interior impermeable m2 43,77 79,30 3470,96 490,94
Empedrado de la base m2 17,43 27,34 476,54 67,40
Base de losa de hormigón ciclópeo (e=0,15m) m3 12,90 308,21 3975,91 562,36
Pantalla perforada 2 381,13 381,13 53,91
Otros
Retiro de escombros m3 26,26 21,36 560,91 79,34
Tubería PVC L=4m 3” (0,75m) 2 53,20 106,40 15,05
Codo PVC para desagüe 3” 2 5,00 10,00 1,41
Imprevistos 1446,72 204,63
TOTAL 15913,93 2250,90
* 1 $us = 7,07 Bs (cotización promedio Febrero de 2010)
La construcción del sistema de tratamiento de AR tiene un costo total aproximado de
15913,93 Bs, equivalente a 2250,90 $us.
4.4.2 Costos de operación y mantenimiento
Los costos de operación y mantenimiento del sistema de tratamiento de AR incluye el
mantenimiento de las unidades de tratamiento y el control periódico del funcionamiento.
• Mantenimiento de las unidades de tratamiento
El mantenimiento del sistema planteado puede ser realizado por un trabajador regular de
la fábrica de chicha, cuya función principal será limpieza de las unidades del sistema de
tratamiento de aguas residuales: canal de ingreso, sedimentador primario, sedimentador
secundario. La limpieza de los sedimentadores incluye la evacuación y la extracción de
lodos de la cámara de almacenamiento temporal para su disposición final. El
mantenimiento se debe realizar semanalmente para garantizar el buen funcionamiento
del sistema (MEJÍA 1999).
• Control periódico del funcionamiento
La evaluación del funcionamiento de un sistema de tratamiento requiere la
determinación de parámetros considerados de control, en función de los cuales se puede
determinar las eficiencias de remoción de los mismos, con la finalidad de determinar su
desempeño.
La relación DQO/DBO de las AR en estudio, permite emplear las medidas de DQO para
medir la carga orgánica en un tiempo de 3 h, frente a los 5 d necesarios para determinar
la DBO (METCALF y EDDY 1995). El seguimiento del funcionamiento del sistema se
realizará con los parámetros DQO y SS que permiten evaluar sus características de
funcionamiento, y la evaluación de la calidad del afluente vertido al canal de riego se
realizará con la temperatura, pH, conductividad eléctrica y coliformes fecales.
Semestralmente, se tomará muestras compuestas del afluente y del efluente del sistema,
y se enviará al Centro de Aguas y Saneamiento Ambiental (CASA) para la
determinación de los parámetros de referencia, de acuerdo a lo indicado en la tabla 17.
Tabla 17. Parámetros para el control del funcionamiento del sistema de tratamiento ……………………...de aguas residuales de la fábrica de chicha Miguel Pizarroso…………… …………..
Parámetro Criterio Toma de muestra
Temperatura Calidad de agua Efluente
pH Calidad de agua Efluente
Conductividad eléctrica Sales disueltas Efluente
Sólidos suspendidos Eficiencia, producción de lodos Afluente, efluente
DQO Eficiencia, carga orgánica Afluente, efluente
Coliformes fecales Bacterias patógenas Efluente
La tabla 18 muestra los costos de operación y mantenimiento considerados para el
sistema de tratamiento de AR.
Tabla 18. Costos de operación y mantenimiento del sistema de tratamiento de aguas residuales
DescripciónCantidad
anual Costo unitario
(Bs)Costo total
(Bs)Costo total
($us) *
Encargado de mantenimiento 12 50 600,00 84,9
Análisis de aguas residuales 2 344 688,00 97,3
Total 1288,00 182,2
* 1 $us = 7,07 Bs (cotización promedio Febrero de 2009)
La operación y mantenimiento del sistema de tratamiento de AR tiene un costo anual
aproximado de 1288 Bs, equivalente a 182,2 $us.
4.5 Valorización de los residuos generados
Desde un punto de vista económico, los residuos y lodos con contenido de proteínas
deberían ser reutilizarlos como alimento y no descargados con las AR, de esta manera se
reduce la carga contaminante y se obtiene un valor agregado por su uso. (CZYSZ et al.
1991).
La tabla 19 muestra los resultados obtenidos en el análisis de proteínas realizado a una
muestra de borra extraída de los barriles y a una muestra de lodos.
Tabla 19. Contenido de proteínas de los residuos generados
Muestra HumedadProteínas
Base húmeda Base seca
----------------------- % -----------------------
Borra 91,9 1,96 24,20Lodos 92,01 2,05 25,66
Los valores obtenidos en el análisis nos muestran que los residuos generados en la
elaboración de chicha (borra) y en el tratamiento de las AR (lodos), en base seca,
brindan mayor aporte proteínico que el maíz (8-11%) en la alimentación porcina.
La borra puede ser extraída de los barriles una vez por semana, cuando éstos son
dispuestos para su lavado. A pesar de que los lodos se producen diariamente, se espera la
mayor producción los días martes cuando se realiza el lavado de barriles. A continuación
se estima la cantidad producida de borra y lodos.
• Borra
De los 16 barriles muestreados, se obtuvo 155 l de borra, a partir de este valor calculado
se estimó el volumen total de borra que puede ser extraída de los 80 barriles de chicha
dispuestos para su lavado cada semana.
bT VV *5=
(22)
Donde: VT = volumen total de borra, l
Vb = volumen de borra en los barriles muestreados, l
llVT 775155*5 ==
Semanalmente, se puede recuperar 775 l de borra y obtener 0,5 Bs/l con su venta a las
granjas de crianza de cerdos. Actualmente no se recupera la borra en la fábrica de chicha
Miguel Pizarroso, pero en caso de hacerlo se estaría generando 1550 Bs mensuales con
su comercialización equivalente a 2630,8 $us/año.
• Lodos
Los lodos se generan a medida que el proceso de sedimentación ocurre en los
sedimentadores. El volumen esperado de lodos se calculó con la ecuación 23.
sfep
QSSVlodo .*..*1000
*=
(23)
Donde: Vlodo = volumen de lodo producido, l
SS = concentración de SS en el lodo, mg/l
Q = caudal, l/d
p.e.= peso especifico del lodo, kg/m3
f.s. = fracción de peso seco del lodo
El cálculo de volumen de lodos consideró el caudal máximo de 1,34 l/s equivale a 38592
l/d, en 8 horas de trabajo. De acuerdo a las tablas 14 y 15, los lodos sedimentados
poseen 793 mg/l de SS, el Anexo 8 indica 92,01% de humedad, y un peso específico de
1020 kg/m3 (METCALF y EDDY 1995).
dlmkg
dllmgVlodo /378
0799,0*/1020*1000
/38592*/7933
≈=
Los días martes, se espera una producción de 378 l de lodos que pueden ser utilizados
para la alimentación de cerdos, generando un ingreso mínimo de 756 Bs/mes equivalente
a 1283,2 $us/año.
CONCLUSIONES
La caracterización de las AR de la fábrica de chicha Miguel Pizarroso permitió conocer
la calidad de agua generada por esta actividad industrial. Los resultados indican que su
uso no es recomendado para riego.
La fábrica de chicha Miguel Pizarroso genera AR con un caudal medio de 0,8 l/s y un
caudal máximo de 1,34 l/s. Los caudales máximos se presentan durante el lavado de
barriles, los días martes, entre 10:00 y 11:00 am.
Al evaluar el proceso productivo se encuentra que la mayor carga orgánica la genera la
borra que queda como producto de fabricación de la chicha.
De acuerdo a los resultados de laboratorio, el tratamiento existente remueve 57% de
DBO y 60% de DQO, sin embargo, se observa una deficiencia en su funcionamiento por
el incremento de la concentración de SS en 31% posiblemente debido a la falta de
estructuras de control del caudal afluente. Con estos porcentajes de remoción, la carga
orgánica del efluente no alcanza a obtener los límites permisibles establecidos en la Ley
1333.
Los ensayos de sedimentación muestran que la sedimentación constituye una buena
opción para tratar eficientemente las AR de las fábricas de chicha, pues, en un tiempo de
retención entre 60 y 75 min, se logra remover entre 50 y 70% de SS y entre 65 y 85% de
DBO.
Las estructuras como los vertederos de entrada, de salida y de alivio son necesarios en
este tipo de sistemas para garantizar la uniformidad del flujo dentro de la estructura de
sedimentación.
La eficiencia de remoción es influenciada por el tiempo de retención y por las
dimensiones del sedimentador que brinden condiciones adecuadas del flujo del agua. El
rediseño del tratamiento existente muestra que en un tiempo de retención de 72 min y
con una adecuada relación L/B y L/H entre sus dimensiones, se espera obtener una
remoción de 77% de DBO, 77% de DQO y 74% de SS.
La propuesta de mejoramiento del sistema de tratamiento de AR se compone de: canal
de ingreso, sedimentador primario, sedimentador secundario. No se consideraron otras
unidades de tratamiento por el limitado espacio disponible.
En un tiempo de retención de 72 min, la remoción esperada con el sistema de
tratamiento de AR corresponde a 95% de DBO, 95% de DQO y 93% de SS, eficiencia
que brindan un efluente con 820 mg/l de DBO, 993 mg/l de DQO y 57 mg/l de SS. La
calidad esperada del efluente no cumple con los límites establecidos por la Ley 1333, sin
embargo, su implementación minimizaría el impacto de la descarga sobre las tierras de
cultivo, lo cual tendrá un impacto a nivel económico y social en la zona.
El costo de construcción del sistema de tratamiento de AR de la fábrica de chicha
Miguel Pizarroso asciende a 2250,9 $us y el costo de operación y mantenimiento a 326,2
$us/año.
Los residuos generados en la elaboración de chicha (borra) y en el tratamiento de las AR
(lodos), constituyen una excelente fuente de proteínas en la alimentación porcina. Se
obtendría un ingreso anual aproximado de 3900 $us, si se realiza la comercialización de
mencionados residuos.
RECOMENDACIONES
El presupuesto del proyecto de grado solo contempló la medición de los parámetros de
calidad de tratamiento una sola vez. Vale la pena realizar al menos dos ensayos de
laboratorio más para corroborar los resultados obtenidos y precisar más en el diseño.
Construir un modelo a nivel piloto con las estructuras propuestas, a fin de detectar
posibles fallas en el diseño y verificar los porcentajes de remoción esperados.
Realizar una caracterización fisicoquímica y microbiológica de las aguas que conduce el
canal de riego para evaluar el impacto real del efluente del sistema de tratamiento de AR
en las tierras de cultivo.
Debido a que la recuperación de borra genera importantes ingresos económicos, se
sugiere modificar la rutina laboral de la fábrica de chicha Miguel Pizarroso y realizar la
extracción de borra de los barriles dispuestos para su lavado.
Realizar ensayos de laboratorio y de sedimentación de las AR sin borra, de manera que
se pueda apreciar el efecto de la borra en las AR.
BIBLIOGRAFÍA
AKIÇCA, Valentinas/a “Calidad de agua para irrigación” En: <http://www.lenntech.com/español/irrigaci
on/Irrigacion-calidad-agua.htm>, (16/07/08)
AMPUERO, Raúl; VAN ROOIJEN, Dan2006 “Riego con aguas residuales en la zona peri-urbana de Tiquipaya (Cochabamba,
Bolivia)”. Centro AGUA, UMSS. Reporte de investigación Negowat Bolivia Nº3. En: <http://www.negowat.org/Docs4Web/ReportInv/Español/RI3_aguares _sp.pdf>, (09/04/08)
ARCE, Ana; CALDERÓN, Cesar; TOMASINI, Ana2007 “Serie autodidáctica de medición de la calidad del agua”. Comisión Nacional del
Agua. México. En: <http://www.conagua.gob.mx/CONAGUA07/Noticias/Param etros_en_campo z.pdf>, (20/04/08)
ARGOTE, Ángel2008 Regante de la comunidad de Kanarancho. Comunicación personal.
ARUNDEL, John2000 Tratamientos de aguas negras y efluentes industriales. Acribia, S.A. Zaragoza.
BOLAÑOS, Arturo; PÉREZ, Mario; GARZA, Efréns/a “Tutorial de análisis de aguas”. Universidad Autónoma de Tamaulipas. En:
<http: //members.tripod.com/Arturobola/calcio.htm>, (01/12/08)
BOLIVIA. LEY 13331992 Ley del Medio Ambiente. Secretaría Nacional del Medio Ambiente, La Paz.
CANOVAS, Jaime2002 “Criterios de interpretación de la calidad agronómica de las aguas de riego”. En:<
http://www.fraisoro.net/documentos/recomencriteriosdeinterpretacionaguas.pdf>, (01/12/08)
CASTAÑÓN, Guillermo2000 Ingeniería del riego. Utilización racional del agua. Paraninfo. Madrid.
CEPIS/OPS, Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente. 2005 “Guía para el diseño de desarenadores y sedimentadores”. Lima. En: <http://
www.cepis.ops-oms.org/tecapro/documentos/agua/158esp-diseno-desare.pdf>, (09/04/09)
COULTATE, T. P.1998 Manual de química y bioquímica de los alimentos. 2° Edición. Acribia, S.A.
Zaragoza.
CRITES, Ron; TCHOBANOGLOUS, George2001 Sistemas de manejo de aguas residuales para núcleos pequeños y
descentralizados. Tomo 1, 2 y 3. McGraw-Hill. Santa Fe de Bogotá.
CZYSZ, W. et al. 1991 Manual de Disposición de Aguas Residuales. Origen, Descarga, Tratamiento y
Análisis de las Aguas Residuales. Tomo I y II. Edición en español. Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS). Lima.
DA CÁMARA, Lesly; HERNÁNDEZ, Mario; PAZ, Luiselena s/a “Manual de diseño para plantas de tratamiento de aguas residuales alimenticias”.
En: <http://www.frbb.utn.edu.ar/carreras/efluentes/manual_tratamiento.pdf>, (21/04/09)
DE FLORIO, Enrique2008 “Elaboración tradicional de la chicha de jora”. Facultad de Ingeniería de
Alimentos de la Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann – Tacna Perú. En: <http://www.monografias.com/trabajos7/chijo/chijo.shtml>, (16/07/08)
DELGADILLO, Oscar2004 Métodos de medición de caudal. Centro andino para la gestión y uso del agua,
serie técnica agua y suelo Nº2.
GARCÍA, Juan; DORRONSORO, Carloss/a “La salinidad de los suelos como agente contaminante”. Departamento de
Edafología y Química Agrícola. Universidad de Granada. España. En: <http://eda fologia.ugr.es/conta/tema12/sales.htm>, (09/09/08)
GIL, Manuel2004 Procesos de descontaminación de aguas. Cálculos informatizados avanzados.
Thomson. Madrid.
GILARRANZ, Miguel Ángel2007 “Sedimentación”. Universidad Autónoma de Madrid. Área de Ingeniería
Química. En: <http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/mgilarra/Fluid/Sedime ntacion%202006-2007.pdf>, (27/08/09)
INFOAGROs/a “Diagnóstico de aguas de riego”. En: <http://www.infoagro.com/riegos/diagnos
tico_aguas.htm>, (02/12/08)
KIELY, Gerald1999 Ingeniería ambiental. Fundamentos, entornos, tecnologías y sistemas de gestión.
Volumen II. McGraw-Hill. Madrid.
KIRCHMER, Cliff1980 “Diseño de programas de muestro y medición”. Centro Panamericano de
Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS). En: <http://www.bvsde.paho.org/ bvsacd/scan2/010439/010439-02.pdf >, (20.04.08)
MENÉNDEZ, Carlos 2003 Técnicas de análisis de aguas residuales. Ciudad Universitaria José Antonio
Echeverría (CUJAE). La Habana.
MENÉNDEZ, Carlos; PÉREZ, Jesús2005 Procesos para el tratamiento biológico de aguas residuales industriales. Ciudad
Universitaria José Antonio Echeverría (CUJAE). La Habana.
METCALF&EDDY, Inc.1995 Ingeniería de aguas residuales. Tratamiento, vertido y reutilización. Vol. I y II.
3ra Edición. McGraw-Hill. Madrid.
MOSCOSO, Oscar2008 Docente de la materia Saneamiento Básico
NEGOWAT2006a “Proceso Multiactor (PMA) y Juego de Roles (JdR):
Manejo de impactos de la urbanización sobre la infraestructura de riego Tiquipaya, Cochabamba”. Centro AGUA, UMSS. En: <http://www.negowat.org/ Docs4Web/TallerLP/4ProcesoMultiActor.ppt>, (09/04/08)
NEGOWAT2006b “Mesa Técnica de diálogo sobre el proyecto de alcantarillado y agua potable
MACOTI, Tiquipaya”. Centro AGUA, UMSS. En: <http://www.negowat.org/ Docs4Web/TallerLP/3%20MesaTecnicaProyMacoti.ppt>, (09/04/08)
OFFICIAL METHODS OF ANALYSIS1984 Association of Official Analytical Chemists, Método 14.026, 14a Edición. USA.
PANIZZO, Lorenzo 2000 “Etapas para el desarrollo de una caracterización de aguas residuales”. Curso
posgrado Gestión sostenible de las aguas residuales en áreas periurbanas y rurales, Cochabamba, Bolivia.
PEMEX, Petróleos Mexicanos2003 “Programa institucional de uso eficiente del agua. Medición y su importancia”.
En: <http://www.iie.org/programs/energy/training/.../PA%20Secci%F3n%202.3_ %Medici%F3n%20y%20su%20Importancia.ppt>, (20/04/08)
PENSON, Enrique1996 “Unidad 3: Propiedades físicas fundamentales”. Manual de Cátedras de Mecánica
de Suelos I. En: <http://www.geocities.com/TheTropics/3070/man03_09.htm>, (29/08/09)
PÉREZ, José1984 “Sedimentación”. Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del
Ambiente (CEPIS). Lima. En: <http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/scan/016322 /016322-03.pdf >, (29/08/09)
PÉREZ, José; CANEPA, Lidia1992 “Manual II: Diseño. Tratamiento filtración lenta". Centro Panamericano de
Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS). Lima. En: <http:// www.cepis.org.pe/bvsacd/scan/007697/07697-09.pdf>, (09/04/09)
PIZARROSO, Miguel2008 Propietario de una fábrica de chicha en Kanarancho. Comunicación personal.
PLASTER, Edward2000 La ciencia del suelo y su manejo. Paraninfo. Madrid.
QUIROGA, David1997 Estimación de los costos de producción y determinación de los canales de
comercialización en la cadena de producción de chicha de maíz (Zea mays) en los municipios de Punata, Cliza, Arbieto, Sipe Sipe, Tapacari e Independencia en el departamento de Cochabamba. Tesis de grado de Ingeniería Agronómica. Universidad Mayor de San Simón. Cochabamba, Bolivia.
ROCABADO, Grover2005 Producción pecuaria. Escuela Técnica Superior de Agronomía. Cochabamba.
ROLIM, Sergio2000 Sistema de lagunas de estabilización. Cómo utilizar aguas residuales tratadas en
sistemas de regadío. McGraw-Hill, Santa Fe de Bogotá
SANHUEZA, Juan Carlos; LEON, Guillermo1995 “Anexos”. Manual de arranque, operación y mantenimiento de la planta de
tratamiento de aguas residuales de la Universidad Nacional de Ingeniería. Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS). Lima. En: <http://www.cepis.org.pe/bvsacd/scan/029505/029505-13.pdf>, (09/04/09)
SENOÁEZ, Mariano1999 Ingeniería del medio ambiente aplicada al medio natural continental. Mundi-
Prensa. Madrid
STANDARD METHODS1996 Standard Methods for the Examination of Water and Waste Water, 20th Edition.
American Public Health Association, Washington DC.
TAPIAS, Josefina2008a Toma y conservación de la muestra. Curso posgrado Gestión sostenible de las
aguas residuales en áreas periurbanas y rurales, Cochabamba, Bolivia.
TAPIAS, Josefina2008b Parámetros de control - indicadores. Curso posgrado Gestión sostenible de las
aguas residuales en áreas periurbanas y rurales, Cochabamba, Bolivia.
TAPIAS, Josefina2008c Tecnologías para el tratamiento de aguas residuales. Curso posgrado Gestión
sostenible de las aguas residuales en áreas periurbanas y rurales, Cochabamba, Bolivia.
TIQUIPAYA. ALCALDÍA MUNICIPAL2004 Registro Ambiental Industrial Nº 001197, código de registro 0309030008.
Unidad de Medio Ambiente y Recursos Naturales/Honorable Alcaldía Municipal de Tiquipaya, Quillacollo, Cochabamba.
TIQUIPAYA. ALCALDÍA MUNICIPAL2007 Plan de desarrollo municipal. Unidad de Planificación / Honorable Alcaldía
Municipal de Tiquipaya, Quillacollo, Cochabamba.
VALENCIA, Guillermo1976 “Tratamientos primarios”. Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales
para países en desarrollo. Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS). Lima. En: <http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/ scan2/05862/05862-08.pdf>. (13/07/09)
VAN ROOIJEN, Daan2006 Aguas residuales en zonas periurbanas de Tiquipaya. Síntesis de resultados,
comunidad de Kanarancho.
VEGA, Juan; VILLACRESES, José2006 Estudio del fenómeno de sedimentación en el tratamiento del agua en tres casos
de estudio. Tesis de grado de Ingeniería Civil. Escuela Superior Politécnica del Litoral. Guayaquil, Ecuador.
ANEXOS
1
Anexo 1
Anexo 2
Anexo 3
Anexo 4
Anexo 5
Anexo 6
Curvas de SS removidos en función de la profundidad y del tiempo de retención
Anexo 7
Curvas de DBO removida en función de la profundidad y del tiempo de retención
Anexo 8
