Universidad Nacional de Chimborazo
NOVASINERGIA 2018, Vol. 1, No. 2, junio-noviembre (20-29)
ISSN: 2631-2654
https://doi.org/10.37135/unach.ns.001.02.02
Artículo de Investigación
http://novasinergia.unach.edu.ec
Prototipo para el tratamiento de aguas residuales provenientes de la
industria quesera en el cantón Guano provincia de Chimborazo
Prototype for the treatment of wastewater coming from the cheese industry in
Guano, province of Chimborazo
Felipe Guerra Huilca , Mario Cabrera Vallejo *, Wilfrido Salazar Yépez
Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Chimborazo, Riobamba, Ecuador, 060108;
felipeguerra70@hotmail.com; hsalazar@unach.edu.ec
* Correspondencia: mcabrera@unach.edu.ec
Recibido 06 mayo 2018; Aceptado 30 julio 2018; Publicado 07 diciembre 2018
Resumen:
El problema ambiental más importante de la industria quesera es la generación de
aguas residuales, tanto por su volumen como por la carga contaminante asociada. Con
la finalidad de minimizar el impacto ambiental es necesaria la depuración de las aguas
provenientes de la producción de quesos. En este trabajo se presenta el diseño,
construcción y puesta en marcha de un prototipo de planta de tratamiento de aguas
residuales usando el método de lodos activados. El diseño consistió de tres etapas:
caracterización de la planta de tratamiento de aguas residuales, estudio de lodos
activados y estudio del efecto de la carga orgánica sobre la remoción de la materia
orgánica. Es un estudio cuasi-experimental basado en datos reales recogidos en una
de las industrias queseras del cantón Guano, provincia de Chimborazo, usando
muestreo puntual sobre el depósito de aguas residuales. El prototipo está conformado
de un tanque homogeneizador, un tanque aireador y un tanque sedimentador. La
evaluación del prototipo inició empleando varios tiempos de retención hidráulica en
12, 24, 48 y 72 horas y recirculación de lodos. Como resultado se obtuvo una
reducción de la Demanda Biológica de Oxigeno (DBO) de 21600 mg/L hasta llegar a
un valor de 59 mg/L, con una eficiencia del 99.7%. Adicionalmente se empleó un
tiempo menor de depuración en comparación con los resultados que se presentan en
trabajos relacionados.
Palabras clave:
Aguas residuales, planta de tratamiento, lodos activados, retención hidráulica.
Abstract:
The most important environmental problem in the cheese industry is the generation of
wastewater, due to its volume and the associated pollutant load generated. In order to
minimize the environmental impact, it is necessary to purify water coming from the
production of cheese. This paper presents the design, construction and start-up of a
prototype wastewater treatment plant using the activated sludge method. The design
consisted of three stages: characterization of the wastewater treatment plant, study of
activated sludge and study of the effect of the organic load on the removal of organic
matter. It is a quasi-experimental study based on real data collected from one of the
cheese industries in canton Guano, province of Chimborazo, using spot sampling on
the wastewater deposit. The prototype is comprised of a homogenizer tank, an aerator
tank, and a sedimentation tank. The evaluation of the prototype used different
hydraulic retention times of 12, 24, 48 and 72 hours and recirculation of sludge. As a
result, a reduction of the Biological Oxygen Demand (BOD) of 21600 mg/L was
achieved, reaching a final value of 59 mg/L, with an efficiency of 99.7%. Additionally,
a shorter purification time was obtained compared to results presented in related
studies.
Keywords:
Waste water, treatment plant, activated sludge, hydraulic retention.
http://novasinergia.unach.edu.ec 21
1 Introduction
Las aguas residuales provenientes de la industria
láctea están constituidas en su mayoría por
diferentes diluciones de leche entera, leche tratada,
mantequilla y suero de derrames obligados o
accidentales (Nemerow & Dasgupta, 1998).
El proceso de lodos activados ha sido utilizado
para el tratamiento de aguas residuales tanto
industriales como urbanas desde hace
aproximadamente un siglo. Su desarrollo inició en
1913 y 1914, con los estudios de Edward Arden y
William T. Lockett, quienes probaron que una alta
concentración de bacterias aeróbicas redujo el
tiempo de tratamiento de aguas residuales (Arora
& Reichenberger, 2015).
Las bacterias constituyen el grupo más importante
de microorganismos, en el proceso de lodos
activados, por su función en la estabilización del
material orgánico y en la formación del floc de
lodo activo (Romero, 2004).
El tratamiento por lodos activados consiste
principalmente de la aireación a la que se somete
cualquier agua residual, durante un periodo de
tiempo, con ello se logra reducir el contenido de
materia orgánica (Ramalho, 1983). Según Varila y
Díaz (2008), el papel del oxígeno es primordial en
el tratamiento biológico de aguas residuales. La
ausencia o presencia de oxígeno condiciona el tipo
de microorganismos que posibilitan la degradación
y eliminación de materia orgánica.
Los lodos activados como tratamientos biológicos
para la depuración de aguas residuales han
probado ser eficientes ya que la acción de los
microorganismos presentes en el agua es la de
metabolizar la materia orgánica hasta
transformarla en materia suspendida en tejido
celular nuevo y diferentes gases. Este proceso
también es conocido como transferencia de
contaminación ya que los contaminantes del agua
son transferidos a los lodos formados en los
tanques aireadores (Tchobanoglous et al. 2003).
Los lodos activados de las industrias dedicadas a
la elaboración de quesos, tienen alta concentración
de materia orgánica soluble, esto presenta
problemas en la sedimentación de los lodos
afectando la eficiencia del tratamiento.
Este proceso se consigue mediante el uso de
aireadores mecánicos que pueden ser colocados ya
sea en el techo de los tanques o en la superficie del
mismo. Mediante cálculos se hace transcurrir en un
periodo determinado de tiempo la mezcla líquida
de aguas residuales con flocs biológicos en
suspensión, es separada en un sedimentador y parte
de las células sedimentadas se recirculan con el fin
de mantener en el reactor la concentración de
células deseadas, mientras que la otra parte se
expulsa del sistema y se descarga el efluente
clarificado (Romero, 2004).
Se eligió un sistema de aireación por ser un
tratamiento biológico, a diferencia de un sistema
de coagulación y floculación que es de tipo
químico, debido a que los lodos resultantes de un
tratamiento químico son contaminantes para el
ambiente, por el contenido de sulfato de aluminio
y sulfato ferroso. En tanto que los lodos activos
que se producen en un tratamiento biológico son
deshidratados y pueden ser dispuestos como
desechos sólidos e incluso ser utilizados como
abono orgánico.
La presente investigación permite analizar las
variables necesarias a tomar en cuenta para el
diseño de una planta de tratamiento de grandes
dimensiones, y si es conveniente construir
modelos a escala de laboratorio. Esto con la
finalidad de obtener parámetros reales y no
teóricos, tanto para el diseño como para la
operación de los sistemas de tratamiento a escala
real, ya que generalmente las plantas presentan
problemas de operación y funcionamiento como
consecuencia de diseños inapropiados basados en
parámetros que no corresponden a las
características físico-químicas del efluente, así
como a las condiciones ambientales del lugar en
donde se genera el mismo.
Los parámetros encontrados en los prototipos son
utilizados para el diseño de sistemas de
tratamiento a escala real, ya que a través de estos
se puede evaluar la velocidad a la cual los
microorganismos consumen la materia orgánica
presente en el agua cruda, así como cada uno de los
parámetros necesarios para controlar el correcto
funcionamiento de la planta, con el objetivo de
producir un efluente reutilizable en el ambiente y
un residuo sólido conveniente para su disposición
o reutilización.
El objetivo de la investigación fue diseñar,
construir y probar el funcionamiento de un
prototipo de planta de tratamiento de aguas
residuales por lodos activos para depurar aguas
provenientes de la fabricación de quesos, logrando
minimizar el impacto ambiental de estas aguas
residuales y cumplir con los parámetros
permisibles.
2 Metodología
Para obtener la muestra de agua residual se empleó
el método de muestreo puntual durante ocho días
tomando directamente de la descarga de la fábrica,
donde se obtuvo una muestra de 4 litros que fue
analizada en el Laboratorio de Servicios
Ambientales de la Universidad Nacional de
Chimborazo (Unach).
http://novasinergia.unach.edu.ec 22
Los efluentes generados por la fábrica son una
mezcla de suero de leche y agua que es utilizada en
el lavado de los tanques y son descargados al
finalizar la jornada laboral.
1.1 Caracterización del agua
residual, previo diseño y
construcción del prototipo
La caracterización de las aguas residuales de la
industria quesera se realizó en el Laboratorio de
Servicios Ambientales (Unach y en el Laboratorio
de Aguas CESTTA de la Escuela Superior
Politécnica de Chimborazo) (anexo 1). Los niveles
de contaminación y parámetros físico-químicos
determinados incluyeron el DBO (Demanda
Biológica de Oxigeno), DQO (Demanda Química
de Oxigeno), aceites y grasas, sólidos suspendidos,
sólidos sedimentables, sólidos volátiles, sólidos
totales, pH, temperatura y OD (oxígeno disuelto).
Estos parámetros fueron relacionados a los límites
permisibles establecidos por el TULSMA (Texto
Unificado de Legislación Secundaria del Medio
Ambiente) del Ministerio del Ambiente del
Ecuador.
Se utilizaron las siguientes técnicas para
determinar los parámetros físicos-químicos
presentados en la tabla 1. Se tomó una muestra de
30 litros de agua residual y se puso en una cuba de
aireación donde permaneció tratándose por 12
horas. Al finalizar el tratamiento, el agua fue
nuevamente caracterizada para comprobar el
tratamiento biológico por medio de aireación. Los
cálculos del diseño de la planta de tratamiento se
realizaron con los datos presentados en la tabla 2,
los que sirvieron para diseñar un tanque
homogeneizador para tener un caudal constante y
facilitar el diseño de la planta de tratamiento.
• Valor máximo (3-4) pm = 134 gal
• Valor mínimo (5-6) pm = 0.06gal
• Volumen de almacenamiento necesario:
134-0.06 = 133.94 gal
v = 133.94gal*(1 m^3) / (264.17 gal) = 0.50 m^3
a = h
h = 0.50 m
l*a*h = 0.50 m
l*2h = 0.50 m
l = 0.50 m/ (2(0.50))
l = 0.50 m
l = h = a = 0.50
donde, l es la longitud; h altura y a ancho del
tanque.
Tabla 1: Técnicas, metodologías de ensayo y parámetros físico-químicos.
Parámetro
Unidades
Norma
Método
Demanda Química de Oxígeno
mg/L
STANDARD METHODS 5220-C
Digestión de Reactor (Hach)
Demanda Bioquímica de Oxígeno
mg/L
STANDARD METHODS 5210-B
Cabeza Gasométrica
Aceites y grasas
mg/L
STANDARD METHODS 5220-C
Gravimétrico
Sólidos Suspendidos
mg/L
STANDARD M.
Gravimétrico
Sólidos Sedimentables
ml/L
STANDARD METHODS 2540-C
Volumétrico
Sólidos Volátiles
mg/L
STANDARD METHODS 2540-B
Gravimétrico
Sólidos Totales
mg/L
STANDARD METHODS 2540-A
Gravimétrico
pH-Temperatura
Ud -
o
C
-----
Potenciométrico
Oxígeno disuelto
mg/L
-----
Potenciométrico
Fuente: Métodos normalizados para el análisis de aguas potables y residuales (Rice et al., 2017).
http://novasinergia.unach.edu.ec 23
Tabla 2: Caudales para el diseño del tanque homogeneizador.
Intervalo de
tiempo en horas
Caudal Promedio
de ocho días.
Horario (gal/min)
Volumen efluente
horario (gal)
Volumen horario
acumulado (gal)
Volumen acumulado
al final del periodo de
tiempo (gal)
7-8
7,22
433,2
37,86
37,86
8-9
7.30
438.0
42.66
80.52
9-10
6,79
407.4
12,06
92.58
10-11
6.56
393.6
-1.74
90.84
11-12
5,84
350.4
-44.84
45.90
12-1
5.97
358.2
-37.14
8.76
1-2
6,46
387,6
-7.74
1.02
2-3
6.97
418.2
22.86
23.88
3-4
8.03
481.8
86.46
110.34
4-5
7.05
423.0
27.66
134
5-6
4.29
257.4
-137.94
0.06
Valores
promedio
6.58
395.34
3 Resultados y Discusión
3.1 Pruebas de Tratabilidad
Las pruebas de tratabilidad se realizaron en el
Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Unach:
Tabla 3: Resultados de las pruebas de tratabilidad.
PARÁMETRO
AGUA
CRUDA
(mg/L)
AGUA TRATADA,
12 HORAS CON
AIREACIÓN (mg/L)
DBO
41330
21600
DQO
60600
25040
Solidos Totales
37000
59800
Solidos
Suspendidos
3000
3400
Solidos
Sedimentables
259
4142
3.2 Ensamble de los Tanques
De los cálculos realizados en el diseño (anexo 2)
se obtuvieron los siguientes resultados: el tanque
homogeneizador tiene 0.50 m de largo por 0.50 m
de ancho y 0.50 m de altura (figura 1). El caudal
que alimenta al biorreactor es de 0.094 L/día con
una biomasa de 0.0011 Kg; el volumen del reactor
es de 0.000035 m
3
, el tiempo de retención es de 3.6
días produciendo 253,4 Kg/día de lodos y 362,11
Kg/día de sedimentos secos. El caudal de los lodos
es de 6.79 L/min, los cuales tendrán una
recirculación de 0.0000047 L/min.
La demanda de oxígeno es de 208.7 Kg/día con un
caudal de aire real de 9371663.7 L/día. El sistema
trabaja con una eficiencia del 77.2%. El aire de
alimentación al sistema se genera con un
compresor de 0.31 hp.
En el prototipo, el DQO bajó hasta 410 mg/L en un
tiempo de solo 72 horas con recirculación de
lodos, ahorrándose medio día de retención
hidráulica cumpliendo así con el primer parámetro
permisible establecido por el TULSMA para
descargas en alcantarillas (figura 2). Se obtuvo una
reducción también en la Demanda Bioquímica de
Oxigeno de 21600 a 59 mg/L (figura 3). La
reducción de sólidos totales tratados con 72 horas
de aireación fue desde 3700 a 730 mg/L (figura 4).
Igualmente se redujeron los sólidos suspendidos
(132 mg/L, figura 5) y sólidos sedimentables (0.1
mg/L, figura 6), obedeciendo con los parámetros
aceptables.
http://novasinergia.unach.edu.ec 24
Figura 1: Dimensiones del Prototipo.
Figura 2: Reducción del DQO en el tratamiento del agua cruda en el prototipo.
Figura 3: Reducción del DBO de agua cruda en el prototipo.
25040
410
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
0 18 36 54 72
DQO mg/lt
Tiempo (horas)
21600
59
0
5000
10000
15000
20000
25000
0 18 36 54 72
DQO mg/lt
Tiempo (horas)
25
Figura 4: Reducción de Sólidos Totales en el tratamiento del agua cruda en el prototipo.
Figura 5: Reducción de Sólidos Suspendidos en el tratamiento del agua cruda en el prototipo.
Figura 6: Reducción de Sólidos Sedimentables en el tratamiento del agua cruda en el prototipo.
37000
730
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
0 18 36 54 72
DQO mg/lt
Tiempo (horas)
3000
132
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0 18 36 54 72
DQO mg/lt
Tiempo (horas)
259
0,1
0
50
100
150
200
250
300
0 18 36 54 72
DQO mg/lt
Tiempo (horas)
26
Tabla 4: Resultados de los cálculos de diseño del tanque
homogeneizador.
Característica
Valor
volumen (m
3
)
0.125
largo (cm)
50
ancho (cm)
50
altura (cm)
50
En la tabla 4, se muestran las medidas generales
que tiene el tanque homogeneizador para un
volumen de 0.125 m
3
de agua residual. En la
caracterización inicial de las descargas de la
industria quesera se logró determinar la carga
contaminante presente en dichas aguas, obteniendo
los siguientes valores de DQO (25040 mg/L) y
DBO (21600 mg/L). Al observar un valor alto de
DBO se sabe que la carga orgánica presente en el
agua es alta y esta al ser depositada en ríos o
terrenos sin un tratamiento previo produce malos
olores por su proceso de putrefacción o
descomposición.
Álvaro Arango Ruíz (2007), manifiesta que estas
aguas concentran la mayor cantidad de
contaminantes originados en sus procesos y dicha
agua tiene gran cantidad de materia orgánica,
especialmente grasas y aceite; además de sólidos
suspendidos y valores de pH que salen de los
rangos aceptables para vertimientos. Se menciona
también que la remoción del DBO fue del orden
del 94% así como grasas y aceites del 99% en un
tiempo de 15 minutos.
En este estudio, durante todo el tratamiento, se
logró mantener los valores de pH, temperatura y
OD adecuados para un óptimo desarrollo de los
microorganismos, mediante el estricto control de
los mismos.
En la tabla 5 se muestra los resultados del prototipo
del tanque aireador los cuales se calcularon para
un caudal de 0.094 L/día, con un tiempo de
retención de 3.6 días logrando una eficiencia de
remoción de DBO del 77%, con potencia del
compresor para la aireación de 0.31 hp.
En la tabla 6 se muestra el diseño del tanque
sedimentador, para un volumen de 0.16 m
3
obteniendo un tanque con 80 cm de largo por 40
cm de ancho, altura de entrada de 40 cm y una
salida de 60 cm. En la tabla 7 se compara los
parámetros obtenidos con el prototipo vs los
parámetros permisibles establecidos por
TULSMA, donde se comprueba la eficacia del
sistema.
Tabla 5: Resultados de los cálculos de diseño del tanque
aireador del prototipo.
Característica
Valor
Unidad
Caudal
0,094
L/día
Biomasa en el
reactor
0.0011
Ks/ ssv
Volumen del reactor
0.25
Tiempo medio de
retención hidráulica
3.6
día
Caudal de
recirculación
0.0000047
L/min
Eficiencia en
remoción de DBO
total
77
%
Presión hidrostática
del agua
0.42
psi
Presión Absoluta
15
psi
Potencia del
compresor
0.31
hp
Tabla 6. Resultados de los cálculos de diseño del tanque
sedimentador.
Característica
Valor
Volumen (m
3
)
0.16
Largo (cm)
80
Ancho (cm)
40
Altura 1 (cm)
40
Altura 2 (cm)
60
Tabla 7: Cuadro comparativo del agua tratada
(Prototipo) con los parámetros permisibles establecidos
por el TULSMA.
Parámetro
Prototipo
Tulsma
DBO
59
250
DQO
410
500
Solidos Totales
(mg/L)
730
1600
Solidos Suspendidos
(mg/L)
132
220
Solidos
Sedimentables (mg/L)
0,1
20
Grasas y Aceites
(mg/L)
8,10
100
4 Conclusiones
Con los datos obtenidos en las pruebas de
tratabilidad se procedió a realizar el diseño de una
planta de tratamiento a escala real, para
posteriormente por medio de un reemplazo de
datos en las ecuaciones iniciales calcular los
valores óptimos para el diseño y construcción del
prototipo.
Una vez construido y probado el prototipo se
evidenció la reducción de carga contaminante con
resultados de DQO desde 25040 mg/L hasta llegar
a un valor de 410 mg/L, mientras que DBO desde
21600 mg/L hasta llegar a un valor de 59 mg/L. En
los sólidos totales se obtuvieron valores finales de
27
730 mg/L, sólidos suspendidos de 132 mg/L,
sólidos sedimentables de 0,1 ml/L, grasas y aceites
de 8,10 ml/L, en los diferentes tiempos de
retención hidráulica, así cumpliendo con los
parámetros permisibles establecidos por el
TULSMA y demostrando la eficiencia de nuestro
sistema.
Con la puesta en marcha del prototipo construido
se pudieron obtener los parámetros de diseño, los
cuales pueden ser llevados a una escala real para el
tratamiento dentro de la industria quesera, siendo
las dimensiones de cada tanque las siguientes:
Tanque homogeneizador (0,50 m x 0,50 m x 0,50
m), Tanque aireador (1,0 m x 0,50 m x 0,50 m),
Tanque sedimentador (0,80 m x 0,40 m x 0,40 m-
en la altura 1; x 0,60 m-altura 2).
Referencias
Arango, A. (2007). Tratamiento de aguas residuales de
industria láctea. Producción + Limpia, 2(2):23-
30.
Arora, M., & Reichenberger, J. (2015). Turning Sewage
into Reusable Water. Bloomington: Archway
Publishing.
Nemerow, N.L. & Dasgupta, A. (1998). Tratamiento de
vertidos industriales y peligrosos. Madrid:
Ediciones Díaz de Santos.
Ramalho, R. S. (1983). Introduction to Wastewater
Treatment Processes, Second Edition. Barcelona:
London Academic Press.
Rice, E., Baird, R. & Eaton, A. (2017). Standard
Methods for the Examination of Water and
Wastewater, 23rd Edition. American Public
Health Association, American Water Works
Association, Water Environment Federation.
Washington, D.C.
Romero, J. (2004). Tratamiento de Agua Residuales,
Teoría y Principios de Diseño, 3ra ed. Bogotá:
Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería.
Tchobanoglous, G. Burton, F. & Stensel, H.D. (2003).
Wastewater Engineering: Treatment and Reuse.
New York: Mac Graw Hill.
Varila, J.& Díaz, F. (2008). Tratamiento de aguas
residuales mediante lodos activados a escala
laboratorio. Revista de Tecnología, 7(2):21-28.
28
Anexos
Anexo 1. Análisis de laboratorio de las aguas crudas
procedentes de la quesera Isabel
Anexo 2. Cálculos para el diseño del prototipo.
CÁLCULO DEL CAUDAL QUE ALIMENTARÁ
AL BIOREACTOR
BIOMASA EN EL REACTOR
VOLUMEN DEL REACTOR
TIEMPO MEDIO DE RETENCIÓN HIDRAÚLICA
PRODUCCIÓN DE LODO
PRODUCCION DE SOLIDOS TOTALES DE DESECHO
CAUDAL DE LODOS
CAUDAL DE RECIRCULACIÓN DE LODOS
RELACIÓN ALIMENTO MICROORGANISMO
DEMANDA DE OXÍGENO
CAUDAL DE AIRE EN CONDICIONES NORMALES
29
CAUDAL DE AIRE REAL
VOLUMEN DE AIRE REQUERIDO POR UNIDAD DE
DBO APLICADA AL TANQUE DE AIREACIÓN
VOLUMEN DE AIRE REQUERIDO POR UNIDAD DE
DBO REMOVIDA
EFICIENCIA EN REMOCION DE DBO TOTAL
CÁLCULOS DE LA POTENCIA DEL COMPRESOR
PRESIÓN HIDROSTÁTICA DEL AGUA
PRESIÓN ABSOLUTA
POTENCIA DEL COMPRESOR
CÁLCULOS DEL DISEÑO DEL TANQUE
SEDIMENTADOR
Tomamos el 65% del tanque aireador.
Asumimos valores:
)
-2h
