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HUMEDALES COMO ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO BIOLOGICO DE EFLUENTES DE LA INDUSTRIA QUESERA DE LA COMUNIDAD
MENONITA DE NUEVO IDEAL, DGO
CLAVE SIP 20071506
M.C. Ma. Elena Pérez López
RESUMEN
El agua residual de la industria quesera, que se vierte, tiene diferentes grados de contaminación, debido a que lleva lactosuero, y en especial, pequeñas aportaciones de lactosuero salado que resulta del prensado del queso, aumentando, con esto la cantidad de sales y materia orgánica. Las parámetros por reducir de acuerdo a la NOM-001-SEMARNT-1996; son grasas y aceites (25 mg/L), Coliformes Fecales (1000 NMP/100 mL de agua residual) y materia flotante, esto es debido a que se desea usar el agua para riego de una cortina rompevientos y jardines de la empresa. De tal forma que se construyó un prototipo con capacidad de 2 m3 para almacenar el agua residual; el cual alimenta por gravedad a las unidades experimentales. El tiempo de retención hidráulico fue de 3 días y todavía se están revisando los cambios ocurridos en las operaciones unitarias como flotación y sedimentación para la remoción de grasas y aceites, además de evaluar a los procesos biológicos que ocurren en las unidades experimentales (grava; gravas y plantas y laguna de oxidación); en la remoción de los parámetros antes mencionados. Al momento los resultados obtenidos son preliminares, donde los mejores efectos se llevaron en las unidades experimentales con grava y grava+planta, expuestas a la luz del sol. Falta por realizar tres ensayos más, para con ello establecer eficiencias y diferencias entre las operaciones y procesos utilizados.
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INTRODUCCIÓN
La industria quesera es una de las principales fuerzas económicas en las colonias
menonitas ubicadas en el municipio de Nuevo Ideal, Dgo., en donde se procesan varios
tipos de queso, se obtiene crema, mantequilla y suero comercializable. Uno de los
problemas más graves a los que se enfrenta esta industria es el manejo de las aguas
residuales, ya que se vierten directo al suelo sin ningún tratamiento previo y por ende
ocasionan una contaminación muy grave y con posibilidades de llegar a los mantos
freáticos.
Tal situación que la Comisión Nacional del Agua no pasó por alto, por lo que se
trabaja en conjunto con el Centro Interdisciplinario de Investigación para el Desarrollo
Integral Regional del Instituto Politécnico Nacional, unidad Durango (CIIDIR-IPN) para
establecer una solución viable en tiempo y espacio. Se estudia la situación existente y se
opta por establecer un sistema a nivel piloto de tratamiento del agua residual por medio de
humedales. Se eligió este sistema porque lo que se persigue es conservar las condiciones
naturales del medio y ayudar en la auto-depuración del ambiente. Otros puntos a favor son
que los humedales servirán como ornato para la empresa, su costo no es muy elevado, su
funcionamiento es muy sencillo y es muy funcional por la ubicación de la planta quesera.
Dentro del entorno existen diversas maneras de contribuir al desarrollo natural de los
recursos sin descuidar los avances industriales, socio-económicos y culturales. Aunado a
esto se tiene la conservación y preservación de un recurso invaluable y que
desgraciadamente esta por agotarse: el agua es un recurso renovable, solo que se a hecho
uso irracional y desmedido del mismo y es por ello que corre el riesgo de convertirse en un
recurso agotable, es por ello que se debe tomar conciencia y cuidar no solo la calidad de un
producto, si no el proceso que se utiliza para darle dicha calidad, se trata de construir, no de
destruir, construyendo.
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OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Implementar un prototipo, a nivel piloto, para establecer cinéticas de remoción de
grasas y aceites, coliformes fecales y sólidos sedimentables de efluentes de la industria
quesera; utilizando operaciones unitarios y procesos biológicos.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Determinar las condiciones de operación del sistema de tratamiento
• Instalar el sistema piloto in-situ.
• Efectuar corridas experimentales
• Estabilizar el sistema de tratamiento
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METODOLOGÍA
AFLUENTE
Introducción
Uno de los aspectos más importantes a conocer es el afluente, por que es necesario
saber con qué se esta trabajando, esto engloba la información más relevante del agua que se
estará tratando, en donde se incluyen las características generales y específicas de la misma.
Es de suma importancia contar con esta información para hacer la elección correcta de
los componentes del tren de tratamiento pero muy en especial, de los elementos que
conformarán el humedal, garantizando con esto el buen funcionamiento del sistema y por
ende una agua residual con la condiciones para verterse de manera adecuada.
Composición y características
El efluente de la quesería esta compuesto en gran parte por lactosuero, que este a su
vez se compone en mayor proporción de lactosuero dulce y una pequeña ración de
lactosuero salado, así mismo conserva aún algunos de los contenidos de la leche como
proteínas y grasas.
Algunas de las partes del residuo líquido a tratar es el agua que se utiliza para el
lavado, con pequeños contenidos de detergentes, sanitizantes, disoluciones de sosa, agua
condensada, agua de enfriamiento, entre otros.
Otro componente de gran peso es el flujo que viene de la clarificadora, que se compone
por todas las impurezas que se retiran de la leche.
Para tener una visión más completa del origen y componentes del afluente, en la Figura
2, se muestran las diferentes corrientes que conforman el flujo total de agua residual.
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Las características principales del efluente se muestran en la Tabla.1:
Tabla 1. Características del afluente.
COLOR LECHOSO OLOR FUERTE Y DESAGRABABLE
CONDUCTIVIDAD 10.4 mS/cm SÓLIDOS TOTALES 16.9 g/L
GRASA 2.2 g/L pH 4.30
Fuente: Pérez López, 2006
ESTRUCTURACIÓN DEL HUMEDAL
Se enfocó en estructurar en lo que es el humedal, en lo referente a las partes básicas
que lo forman:
Selección de la especie
La selección de las especies herbáceas que se emplearon en la instalación del humedal
fue resultado de una comparación entre las especies encontradas en las bases de datos del
herbario del IPN-CIIDIR Unidad Durango, las empleadas en estudios anteriores y las que
se encontraron al hacer un recorrido en campo.
La especie determinada para este caso es la Schoenoplectus americanus fue la que tuvo
el mejor potencial para ser utilizada, su distribución se da desde Guatemala hasta E. U. A.,
crece a orillas de los arroyuelos y ríos de la región, esto hace que las condiciones del medio
fueran las adecuadas para su crecimiento. En primer lugar se realizó una evaluación
preliminar de su tolerancia a las concentraciones de contaminantes del agua residual de la
quesería que va a ingresar al humedal. La valoración se dio en base a su sobrevivencia y al
efecto que tiene la planta sobre la conductividad y el pH del agua residual, esto debido a
que las características del efluente que va a manejar son singulares. En seguida se
compararon los parámetros evaluados, y se dedujo que la especie más apta para plantar el
humedal que se instaló en las Colonias Menonitas de Nuevo Ideal, Durango fue la
denominada Schoenoplectus americanus.
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En la Figura.2 se ilustran las especies que fueron sometidas a evaluación y dentro de
las cuales se seleccionó la empleada en el humedad.
Selección del soporte
Para la selección del soporte se tomaron en cuenta la disponibilidad de los materiales
potenciales y los posibles costos (adquisición y transporte). De igual manera se
consideraron en la selección, el tamaño óptimo de partícula, según bibliografía y apoyados
en la investigación realizada en el CIIDIR-IPN, DGO, en base a su densidad, porosidad y
conductividad hidráulica. Estos parámetros son importantes ya que determinan, en parte, las
condiciones para la sobrevivencia de las plantas. Se revisaron también algunas propiedades
físicas, como densidad, granulometría y porosidad.
El material que cumplió con las condiciones, fue la grava que se recolectó en la misma
región (Figura 8.2), fragmentada en dos tamaños: chico (2-6 mm, Figura 8.3) y mediano (3-
5 cm, Figura 8.4). Las cuales son necesarias para establecer una buena hidráulica del
sistema y esto se explica un poco más en la sección de diseño.
También se consideraron las gravas que se muestran en la Figura 8.5.
Diseño del equipo experimental
Introducción
Se montó un prototipo compuesto por cuatro unidades experimentales. Los parámetros
elegidos, para la evaluación de los micro-humedales tienen su fundamento legal en la
FIGURA 13- Grava analizada (3)
2-6 mm
6-8 mm
8-10 mm
NUEVO IDEAL 2-6 mm
6-8 mm
8-10 mm
NUEVO IDEAL
Figura 8 2- Grava analizada
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norma NOM-001-SEMARNAT-1996, que estipula los límites máximos permisibles de las
aguas residuales, dependiendo del lugar al cual van a ser descargadas y para que van a ser
utilizadas posteriormente. Por lo tanto se contempla evaluar las unidades en cuanto a
sólidos totales (ST), coliformes fecales (CF), pH y conductividad eléctrica (CE). Los
parámetros se determinaran con base al Métodos Estándar (APHA, 1995) y la
normatividad mexicana (NMX-AA-SCFI-2001).
La confiabilidad de los datos se aseguró a través de la estandarización de las técnicas,
medición de blancos y realizando los análisis por duplicado.
Diseño de las unidades experimentales
Considerando los volúmenes necesarios para realizar los análisis, la tasa de
evaporación del lugar y la porosidad de la grava se planteó el diseño de las unidades
experimentales con una capacidad de 191 litros (L).
Las dimensiones se calcularon a partir de este volumen, tomando en cuenta que la
bibliografía recomienda una altura no mayor de 60 cm y que el largo sea aproximadamente
3 veces el ancho.
V = 191 L = 0.191m3
A = ? L = 3 A H = 0.468 m
Si sustituyendo los datos se tiene que
Entonces
Si
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En base a los cálculos anteriores se obtuvieron las dimensiones de las unidades
L = 115 cm A = 35.5 cm H = 46.8 cm V = 191 L
El medio impermeabilizante utilizado fue el hule para silo, se optó por esta opción por
la disponibilidad del mismo, en la Figura 8.7 se observan las unidades ya
impermeabilizadas.
Conformación del Sistema
Ya teniendo estructuradas las unidades se procedió a determinar el volumen que
ocuparía la grava:
• VOLUMEN DE GRAVA
L = 115 cm A = 35.5 cm H = 40 cm Porosidad 50 %
Volumen de la grava (VG) y Volumen del espacio en la grava (VE):
VG = 163 L VE = 80 L
Por lo tanto tres de las unidades quedaron compuestas por 163 L de grava de Nuevo
Ideal, dos de las secciones de # 1, fueron con grava de tamaño de partícula mediano y la
grava de la sección # 2 de tamaño de partícula chico (ver Figura 8.8), con la finalidad es
favorecer la conductividad hidráulica y evitar taponamientos dentro del sistema,
aumentando así la vida útil del soporte. La cuarta unidad fue utilizada como blanco (Figura
8.10), conteniendo solo el agua residual sin grava o sin material de soporte para evaluar el
efecto de ésta en el proceso de depuración.
El siguiente paso fue plantar los estolones en las unidades. Las unidades que simularon
los humedales tuvieron un total de 8 estolones de aproximadamente 20 cm de longitud
(Figura 8.11), la separación de los estolones con respecto a lo largo de la unidad
0.068 m
0.10 m
0.4 m
1 1
2
Nivel máximo de grava
Área de seguridad
Figura Esquema de distribución de la grava en las unidades experimentales.
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experimental fue de 15 cm aproximadamente, después de la capa de grava mediana, con
respecto al ancho fue de 10 cm y la profundidad inicial fue de 15 cm (Figura 8.12 y 8.13).
En la Figura 8.14 se aprecia el humedal ya plantado.
Determinación del flujo
Conociendo el volumen de espacio libre en la grava, se procede a calcular en flujo
(mL/min) a emplear en el sistema en base al tiempo de retención hidráulico (TRH) de tres
días:
TRH = 3 TRH = V/Q= 80/3 = 26 L/día = 18mL/min
Los volúmenes que se manejaron fueron los siguientes:
Volumen total disponible (VR) = 2500 L
Volumen real, dando un margen en la base, para los sedimento,(VER ) = 2000 L
Volumen requerido por unidad (VU ) = 80 L × 4 unidades = 320L × corrida
Hidráulica
Para la construcción de este sistema se hizo necesario un pequeño diseño hidráulico
para proveer del agua a los humedales, tomando en cuenta qué el humedal implementado
fue de tipo sub-superficial y qué el tiempo de retención fue de tres días.
Se emplearon: tramos de tubería de PVC de ¾”, un contenedor (rotoplas) de 2500 L
soportado, en una base de 1.50x1.00x1.20 m y un espacio de aproximadamente 25 m². En
la Figura.15 se aprecian algunos de los componentes iníciales del sistema.
Se planteó en un principio establecer regaderas como sistema de distribución del agua
residual hacia el humedal, pero luego se observó que no era la mejor opción debido a al
flujo tan pequeño que se manejó. Por tal razón se optó por adaptar un sistema de venoclisis,
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para controlar el flujo, ya que eran 18 mL/min, se está hablando meramente de un sistema
por goteo.
Al momento de realizar la primera corrida experimental se hizo muy notable la
variación en el flujo, permaneciendo constante sólo por algunas horas. Es importante
recordar que para que un flujo se mantenga constante es necesario mantener la presión, y
este sistema lo requería, pero por la condiciones del lugar se trabajo bajo las condiciones
que se consideraron pertinentes, y tomando en cuenta, que se necesitaba que el agua se
retuviera por tres días dentro de las unidades.
La acción correctiva que se aplicó fue abrir proporcionalmente la válvula, para logar
que pasara la cantidad de agua necesaria por día. A continuación se ilustra como fue
modificándose el sistema de riego para el humedal, primero se muestran las regaderas como
sistema inicial (Figuras 16 y17) y posteriormente observamos el sistema de venoclisis
instalado finalmente (Figura 18):
ara tener una visión más clara de lo que fue el sistema de tratamiento observar las
Figura 8.20- Ilustración del prototipo.
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ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE LA INFORMACIÓN
Con este prototipo se evaluó la eficiencia del humedal en la depuración del agua
residual semitratada de la industria láctea, en comparación con la eficiencia de la grava y la
capacidad autodepuradora de este tipo de agua residual. Para determinar si los tratamientos
fueron estadísticamente diferentes, se aplicó un análisis de ANOVA, posteriormente se
aplicó un análisis de repetición, con la finalidad de comparar las medias de los tratamientos
y ponderar sus diferencias cuando existe variación en uno o más factores, en este caso el
factor sería el tiempo. Previo al análisis estadístico se requirió una estandarización de los
datos para que fueran comparables. En este caso se trabajó con pH, CE y ST por lo tanto se
utilizaron los logaritmos en base 10 para normalizar los datos. En el caso de los coliformes
fecales se manejaron sólo como ausencia o presencia de los mismos. Las pruebas
estadísticas se realizaron mediante el programa STATISTICA versión 7 (Pérez López,
2006).
RESULTADOS
El sistema que se implementó tuvo un comportamiento muy favorable, el proceso de la
instalación no fue muy sencillo pero aun así se logró montar el prototipo del sistema de
depuración, en cuestiones de funcionalidad y eficiencia, los resultados son variados de acuerdo
a la base que se utilizó para evaluarlo, enseguida se describen algunas de las justificaciones
empíricas de las condiciones dadas y los datos arrojados
pH (Figura.5): se observó que tanto en el afluente como el blanco no existió una variación
significativa estadísticamente, esto comprueba que una laguna de oxidación no sería un método
adecuado para tratar este tipo de agua residual debido a la cantidad de lactosuero que contiene. En
cambio en lo que corresponde a la grava y la planta 1, los resultados fueron favorables, ya que se
elevó el pH favoreciendo la degradación de los contaminantes del agua residual. Evaluando las
condiciones que persistieron se deduce que probablemente lo que originó estos cambios, en las
últimas 2 unidades, fue la exposición al sol: ya que al ubicar el sistema la orientación quedo de
manera que a la unidad con grava y la de la planta 1 recibieron más energía solar.
El comportamiento del pH, para los 3 tiempos fue muy similar sólo que fue descendiendo. En
estos sistemas es común que pase esto, porque el afluente con que se trabajó se encontraba
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almacenado y con el paso del tiempo, el pH bajó y se mantuvo ácido, esto debido a la
descomposición de la lactosa que genera ácido láctico, entre otros productos.
C.E. (Figura.6): el comportamiento de la C.E., en los tres tiempos fue similar, las unidades
con grava y la planta 1 tendieron a aumentar en mayor proporción. Lo que pudo estar ocasionando
este suceso la exposición al sol de estas 2 unidades.
S.T. (Figura 7): la respuesta de la unidad de grava en relación a sólidos totales se puede
fundamentar en la hipótesis de que existió crecimiento de algas que elevaron los S.T.. Para el
tratamiento planta 1 se esperaba un comportamiento similar, no lo fue, por tal motivo se sugiere que
se realizaran más corridas experimentales para corroborar la información y afianzar la veracidad de
la hipótesis que se formuló.
Resultados generales (Figura 8): se muestra una panorámica general del comportamiento del
sistema, con relación a tiempo de evaluación, tratamientos y parámetros evaluados. Donde
claramente se observa que el parámetro que más rango de variabilidad tuvo fue el pH.
La diferencia entre los tres tiempos es solo que el pH va disminuyendo conforme pasa el
tiempo.
Los tiempos 1, 2 y 3 se refieren a las fechas previamente incluidas en el cronograma de
muestreo que son: TIEMPO1: 12 de Nov., TIEMPO 2: 16 de Nov. y TIEMPO 3: 20 de Nov.
En la Tabla.3 se resumen los resultados de los tratamientos, en base a sus diferencias
significativas estadísticamente, que se representan con las diferentes literales que se
ilustraron en los gráficos.
Tabla.3- Resultados estadísticos de los tratamientos.
TRATAMIENTO Ph CLASIFICACIÓN C.E. CLASIFICACIÓN S.T. CLASIFICACIÓN
AFLUENTE 4.46 A 4.09 B 3.928 C GRAVA 4.96 B 4.156 D 4.002 D
PLANTA 1 5.03 B 4.119 A 3.915 B PLANTA 2 4.73 C 4.117 C 3.938 A BLANCO 4.44 A 4.107 A 3.936 A
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En la Figura 10 se aprecia el cambio notable en la coloración del agua, es una
comparación del efluente del blanco con el de la planta 2
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El sistema de depuración biológica por medio de humedales es una alternativa viable
para el tratamiento de efluentes de la industria quesera, ya que es un sistema económico,
práctico y funcional, además de dar una mejor apariencia al paisaje, con la mínima
modificación del ambiente.
• Con respecto a pH y conductividad los tratamientos con mejor respuesta fueron grava y
planta 1, se deduce que posiblemente se debe a la exposición a la luz solar en mayor
proporción que los demás tratamiento.
• El parámetro con más rango de variabilidad significativa fue el pH, por el tipo de
sistema que se utiliza y el comportamiento que refleja con respecto al tiempo de
almacenamiento, cuando se trata de este tipo de agua residual.
Figura 9.10 - Efluente tratado de las unidades blanco (izquierda) y planta 2 (derecha)
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RECOMENDACIONES.
• Evaluar diversos tipos de materiales como medio impermeable para el humedal, alguna
recomendación en base a esto puede ser el uso de la geomembrana1.
• Las unidades que contienen a los humedales no sean de madera ya que si por algún
motivo existen fugas, éstos tenderán a deformarse con mayor facilidad y su vida útil
será menor.
• El implementar mangueras de venoclisis es una opción para el control de flujos
pequeños es una de las alternativas más precisas que existen.
• El uso de bombas sumergibles para aligerar el trabajo de desalojo de los recipientes
que contienen el efluente.
• Es importante no pasar por alto lo referente a la nivelación del sistema, ya que si no se
cuenta con un sistema nivelado se vera seriamente reflejado en los resultados.
• Otra opción para mantener la presión en el sistema podría ser la adaptación de un
contenedor antes de distribuir el agua a las unidades. En el cual se adaptará un flotador
que mantendrá el nivel del contenedor y por ende la velocidad.
• Para obtener mejores resultados se recomienda aumentar el tiempo de retención
hidráulica.
IMPACTO
Este trabajo sirvió de base para el establecimiento de la Planta de Tratamiento de la
Industria en cuestión con una inversión de $1,200,000.00 para su instalación .
1 Geomembrana: es un tipo de plástico muy resistente que se utiliza para permear los rellenos sanitarios.
