Lácteos de calidad Teolo. Propuesta de un sistema de tratamiento de aguas residuales a través de un análisis técnico-económico

Transcripción

1 Lácteos de calidad Teolo Propuesta de un sistema de tratamiento de aguas residuales a través de un análisis técnico-económico Proyecto profesional para obtener el título de: Ingeniería ambiental Presenta: Araceli Mendoza Cruz Abril, 2013

2 Universidad Tecnológica Tula-Tepeji Propuesta de un sistema de tratamiento de aguas residuales a través de un análisis técnico-económico Proyecto para obtener el título de: Ingeniería ambiental Presenta: Araceli Mendoza Cruz Asesor industrial Asesor académico

3 Dedicatoria y agradecimientos

4 Resumen

5 Introducción

6 Antecedentes

7 Planteamiento del problema La empresa Lácteos de Calidad Teolo se dedica a la producción lácteos (quesos), donde es usada en grandes volúmenes el agua, por lo menos por cada litro de leche procesada son usados 10 litros de agua siendo este un dato muy alarmante, por otro lado está el lavado de las instalaciones y maquinaria. El uso del agua en este tipo de empresas da como resultado que las características físicas y químicas de esta sean que contenga altos índices de grasas y aceites, sales, materia orgánica, presentan dos características físicas que deben de tomarse muy en cuenta para su tratamiento un color blanco y un alta temperatura. Con lo anterior dictaminando que industrias dedicadas a este tipo de procesos debe contar con un sistema de tratamiento, para que sus descargas de agua residual cumplan con la normatividad vigente (sus descargas de agua estén dentro del rango de límites máximos permisibles especificados), así mismo minimizando parte de la contaminación que es causa de este tipo de procesos. Esta clase de estudios son realizados para la solución de un problema, para esto es necesario plantearnos como llevarlo a cabo, en el área ambiental se llevan a cabo proyectos tomando en cuenta tres factores importantes el social, económico y ambiental, en este caso se tiene por objetivo proponer un sistema de tratamiento de aguas residuales generadas por una industria productora de lácteos (quesos) que esta ya operando, traerá beneficios sociales que son una mejor calidad de vida para las personas y en lo económico la empresa evite ser sancionada por parte de la autoridades pertinentes que vigilan que se cumplan las normas establecidas para cuidado del ambiente,

8 Justificación El uso del agua da como resultado aguas residuales con diferentes características, estas dependerán si provienen de industrias u hogares (domesticas), de esto resultan problemas como efectos nocivos para la salud humana y para el ambiente, dañando a ambos de diferente manera, así una vez afectando al ambiente por consiguiente pasa afectar a la salud humana; por medio de la producción de malos olores al pasar por canales o ríos, contaminación de mantos acuíferos por medio de filtración, y algo muy grave siendo utilizada para riego en zonas agrícolas sin recibir ningún tratamiento dando como resultado contaminación de los productos agrícolas. Tomando en cuenta estos efectos que perjudican a la sociedad y ambiente, es necesario realizar estudios sobre qué tipos de tratamientos son los más óptimos y eficientes para las aguas provenientes de industrias en este caso una industria dedicada a la producción de lácteos (quesos), siendo las características de estas aguas por mencionar algunas una gran cantidad de grasas y aceites, sales y materia orgánica. El tratamiento de aguas residuales es una tecnología que hoy en día ayuda a minimizar la contaminación presente en éstas, es muy poco el porcentaje acerca del tratamiento de aguas residuales pero con el paso del tiempo con las nuevas leyes y con preocupación sobre el cuidado del ambiente empresas como Lácteos de Calidad Teolo se preocupan por cumplir con la normatividad ya que cumpliendo con la normatividad por consiguiente se pasara a cumplir con el cuidado del ambiente, dando resultados favorables para ambas partes el ambiente y la empresa.

9 Objetivos Objetivo General Proponer un sistema de tratamiento de aguas residuales para la remoción de contaminantes presentes en el agua residual proveniente de los procesos de producción de la empresa Lácteos de Calidad Teolo. Objetivos Específicos Realizar análisis fisicoquímicos al agua residual para conocer cuáles son sus características. Seleccionar y proponer la tecnología ambiental que nos ayudara al tratamiento de las aguas residuales generadas a través de experimentos a nivel escala. Lograr que el proyecto sea sustentable tomando en cuenta tres factores el social, económico y ambiental.

10 Capítulo I Marco teórico Control de la contaminación del agua El crecimiento de la población y el desarrollo tecnológico han provocado una demanda progresiva de agua potable y cada vez resulta más costoso surtir el vital líquido a las grandes urbes, ya que las fuentes de agua subterránea con que generalmente cuentan se van agotando y los cuerpos de agua superficial se han contaminado. En el caso de las empresas, la legislación en los diferentes países es cada vez más estricta en cuanto a la calidad del agua que descargar al drenaje o a los cuerpos de agua. Por esto, en las diferentes ramas de la producción será preciso darle al menos un tratamiento primario a las aguas residuales, aunque a largo plazo la tendencia será disminuir las descargas a casi cero, y reutilizar las aguas tratadas para los procesos o para otros fines dentro de las mismas plantas productivas. Determinación de la calidad de las aguas residuales Métodos físico-químicos Se basan en el estudio de los factores físico-químicos del agua, y se llevan a cabo mediante una toma de muestras, con determinación de sus características físicas y con análisis de sus componentes químicos. Estos métodos dan una información valiosa, pero se refieren únicamente al instante en que se obtuvo la muestra; por lo tanto pueden dar resultados muy alarmantes o, al contrario, pasar desapercibidos ciertos factores que pueden ser decisivos para un uso determinado del agua.

11 No indican el estado anterior al de la toma de la muestras ni la capacidad de recuperación natural después de un aporte contaminante, tanto en el tiempo como en el espacio. Métodos biológicos Se basan en el estudio de las comunidades de animales y de plantas acuáticas. Dado que cada biocenosis o cada comunidad responden a las condiciones físicoquímicas del medio en que viven, cualquier alteración en estas induce cambios que se manifiestan en la sustitución de unas especies por otras, o por la variación del número y proporción de cada una de ellas. Por lo tanto la caracterización biológica del agua parte de la determinación del grado de alteración de la condición biológica de la misma cuando se introducen sustancias toxicas, materia orgánica que puede descomponerse, o cualquier forma de energía. Evaluación biológica Los compuestos orgánicos son destruidos por los descomponedores (mineralización). Los compuestos intermedios y finales pueden ser utilizados por los consumidores y por los productores primarios. De esta manera, los productos añadidos se incorporan a través de los organismos al metabolismo de las aguas. El proceso descrito, en el que también intervienen fenómenos de absorción en el sedimento, se denomina autodepuración. El proceso de autodepuración esta, pues, relacionado con los organismos, empezando por las bacterias como descomponedores, hasta los productores primarios, portadores de clorofila. La importantancia de la evaluación biológica de la calidad de un agua reside tanto en la caracterización de la carga contaminante como en su capacidad de autodepuración biológica, que no puede determinarse exactamente con ningún método químico.

12 La carga contaminante se puede valorar con determinaciones individuales, pero la integración de los cambios producidos por dicha carga y sus efectos a largo plazo sólo pueden indicarlos los análisis biológicos. Indicadores físico-químicos Olor Las aguas residuales tienen olores característicos generados por materiales volátiles que contienen o por los procesos de degradación de la materia orgánica presente. Materiales en suspensión Las aguas residuales están cargadas casi siempre con materiales en suspensión. Estos materiales según su densidad y las características del medio receptor, son depositados en distintas zonas de este, produciendo una contaminación mecánica. La determinación de los materiales suspendidos en el agua técnicas de filtración o centrifugación, aparece ampliamente descrita en numerosos tratados de análisis de aguas. Color Algunos productos de desecho, según el tipo de proceso sufrido en la industria alteran considerablemente el color de las aguas. Esto tiene como consecuencia una grave contaminación estética, además de dificultar los procesos de fotosíntesis e intercambios de oxígeno. La determinación de color se realiza básicamente, por dos métodos: el método del platino-cobalto, y la comparación con discos coloreados. Turbidez La turbidez del agua es debido a la presencia de materias en suspensión finamente divididas: arcillas, limos, granos de sílice, materia orgánica, etc. La apreciación de la abundancia de estas materias mide el grado de turbidez.

13 La turbidez es tanto mayor cuanto mayor es la contaminación del agua, por lo que es un indicador de interés en el control de la eficiencia de los procesos de depuración. Temperatura Influye en la solubilidad de las sales, y sobre todo en la de los gases y en la disociación de las sales disueltas, y por lo tanto en la conductividad eléctrica y en el ph del agua, además de ser un parámetro básico de los seres vivos. Existe una estrecha relación entre la densidad del agua y su temperatura, por lo que cualquier alteración de esta modifica los movimientos de mezclas de diferentes masas de agua. Es un parámetro de gran utilidad para calcular los intercambios térmicos que tienen lugar en el medio. ph Mide la concentración de iones hidrogeno en el agua. Un ph elevado indica baja concentración de iones H +, y por tanto la alcalinidad del medio. Por el contario, un ph bajo indica una acidificación del medio. Estas variaciones tienen una repercusión muy importante sobre las biocenosis existentes. Conductividad eléctrica La conductividad, que varía en función de la temperatura, está estrechamente ligada a la concentración de sustancias disueltas y a su naturaleza. Las sales minerales son, en general buenas conductoras; las materias orgánicas y coloidales tienen escasa conductividad. Por lo tanto, para las aguas residuales, esta medida no da una idea precisa de la carga de contaminante, aunque sí orienta en lo que se refiere a sus posibles usos en aplicaciones agrarias. Potencial de óxido-reducción (rh) Es un parámetro o indicador que permite hacer observaciones interesantes en las estaciones de depuración.

14 Las aguas residuales urbanas y muchas procedentes de industrias agroalimentarias, recién recolectadas, tienen un rh aproximado a 100 mv. Un medio reductor (fosas sépticas, putrefacciones en las canalizaciones, etc.), presenta un rh inferior a 40 mv. Los valores de rh comprendidos entre 15 y 25 mv caracterizan un medio aerobio que favorece la oxidación de los compuestos orgánicos. Los valores de Rh de 13 a 15 Mv definen la zona de transición entre un medio aerobio y otro anaerobio. En esta zona vira el azul de metileno, reactivo que se utiliza en el test de putrefacibilidad de las aguas. Indicadores de contaminación orgánica La diversa naturaleza de los compuestos orgánicos y de los estados de degradación en que se presentan, desaconseja el empleo de un solo indicador (método o test) para evaluar la contaminación orgánica del agua. Consideremos que dicha evaluación ha de resultar de comparación y yuxtaposición de los resultados obtenidos al medir los distintos constituyentes de la materia orgánica. La oxidación de los compuestos orgánicos para dar anhídrido carbónico y agua, implica un consumo de oxígeno del agua que es renovado a partir del O 2 del aire. Los compuestos carbonados sirven de alimento para los microorganismos aerobios; el nitrógeno oxidado (nitritos, nitratos, amoniaco), es utilizado por las nitrobacterias y nitrosomonas. Estas reacciones pueden producirse en un medio pobre de O 2 a expensas no sólo de los nitratos y nitritos, sino de los sulfatos, dando lugar a sulfuro de hidrógeno. Estos fenómenos de oxidación que tienen lugar en la naturaleza son complicados de reproducir en laboratorio, y sobre todo es muy difícil de llegar a la degradación ultima de la materia orgánica. No obstante, algunos test como la DBO, el ensayo de olor, etc., permiten apreciar el fenómeno por vía biológica.

15 Sin embargo, para lograr la oxidación completa de los compuestos orgánicos, se han desarrollado métodos químicos que utilizan reactivos más o menos energéticos, con una metodología precisa. Los métodos basados en el carbono, denominador común de la materia orgánica, son los más desarrollados, aunque precisan de una manera instrumentación algo compleja. Las ventajas que presentan es de ser apreciables a todos los compuestos orgánicos, por lo que permiten apreciar completamente la contaminación, sobre todo en presencia de compuestos difícilmente oxidables. Carbono orgánico total (COT) Es un indicador de los compuestos orgánicos, fijos o volátiles, naturales o sintéticos, presentes en las aguas residuales (celulosa, azúcares, aceites, etc.). Su medida facilita la estimación de la demanda de oxígeno ligada a los vertidos y establece una correlación con la DBO (demanda bioquímica de oxigeno) y la DQO (demanda química de oxigeno). En presencia de sustancias nitrogenadas, la medida de la COT está menos sujeta a interferencias por dichas sustancias que la medida de la DTO (demanda total de oxigeno). Demanda total de oxígeno (DTO) La demanda total de oxigeno mide el consumo de oxígeno según reacciones químicas que se desarrollan por combustión catalítica de la materia orgánica En las mismas condiciones, los compuestos azufrados se oxidan, dando SO 2 Y SO 3, en una relación fija. Demanda bioquímica de oxígeno (DBO) La DBO expresa la cantidad de O 2 necesaria para biodegradar la materia orgánica (degradación por microorganismos). Este parámetro ha sido objeto de continuas discusiones; sin embargo, mejorando y precisando las condiciones de ph, de la temperatura y de la salinidad, constituyen un método valido de estudio de los fenómenos naturales de degradación de materia orgánica. Las dificultades de

16 aplicación e interpretación de los resultados y de su reproducción, son inherentes de carácter biológico del método. Hay que considera que la oxidación de las materias orgánicas no es el único fenómeno que tiene lugar a la biodegradación; a ésta se debe añadir la oxidación de nitritos y de las sales amoniacales, así como el consumo de oxígeno por los procesos de asimilación y de formación de nuevas células. Por lo tanto, en la medida de este parámetro se producen variaciones según las especies de microorganismos, según su concentración y edad, según la presencia de bacterias nitrificantes y según la presencia de protozoos consumidores de oxígeno y que se alimentan de bacterias. Además, a lo largo de los procesos catabólicos las reacciones de deacarboxilación, hidrolisis e hidratación no consumen oxígeno, pero el elemento intermolecular si puede emplearse con fines respiratorios, dando lugar a una disminución del oxígeno medido. La DBO, en la práctica, permite apreciar la carga del agua en materias putrescibles y su poder autodepurador, y de ello se puede deducir la carga máxima aceptable. Este indicador se aplica principalmente en el control del tratamiento primario en las estaciones depuradoras y es evaluar el estado de degradación de los vertidos que tengan carga orgánica. Autoconsumo de oxígeno en 48 horas El contenido de O 2 en el agua se mide inmediatamente después de la toma de la muestra y transcurrido un tiempo de incubación de 48 horas. La diferencia entre las dos medidas corresponde al consumo de oxígeno. Demanda química de oxígeno (DQO) Ciertas sustancias presentes en las aguas residuales, cuando se vierten en conjunto en un curso o a una masa de agua, captan parte del oxígeno existente debido a la presencia de sustancias químicas reductoras. Estas necesidades de

17 O 2 al margen de todo el proceso biológico, se denominan Demanda Química de Oxígeno o DQO. La demanda puede ser muy rápida, como es el caso de los sulfitos en presencia de un catalizador, y entonces recibe el nombre de DIO, demanda inmediata de oxígeno, o más lenta, llamándosele demanda de oxigeno por autooxidación, DAO. La medida de la DQO es una estimación de las materias oxidables presentes en el agua, cualquiera que sea su origen orgánico o mineral (hierro ferroso, nitritos, amoniaco, sulfatos y cloruros). Es test particularmente útil para apreciar el funcionamiento de las estaciones depuradoras, y muchos vertidos industriales. La DQO es función de las características de los compuestos presentes, de sus proporciones respectivas, de las posibilidades de oxidación, etc., por lo que la interpretación y la reproducción de los resultados no son satisfactorios más que bajo unas condiciones metodológicas bien definidas y estrictas. Este indicador no es fiable en presencia de cloruros. Nitrógeno total El nitrógeno orgánico presente en el agua se encuentra formando parte de compuestos tales como proteínas, polipéptidos y aminoácidos. El método Kjendahl permite la trasformación en amoniaco de los compuestos de origen biológico citados anteriormente, pero no la de los compuestos nitrogenados de origen industrial (oximas, hidracina y derivados, etc.), ni el nitrógeno procedente de los nitritos y nitratos. Para determinar estos últimos hay que practicar una reducción en medio alcalina. El nitrógeno total es la suma de nitrógeno presente en los compuestos orgánicos aminados y en el amoniaco.

18 Biodegradabilidad Relación C/N/P En un medio aerobio, el crecimiento de la biomasa presente en el agua residual necesita aportes de nitrógeno, de fosforo y de carbono en proporciones del orden de C 100/N 5/P 1. Se deben tener en cuenta, por otra parte, los parámetros DBO 5 para el carbono, el N K para el nitrógeno y el P T para fósforo. En un efluente urbano normal, tendremos así: C/N/P DBO 5 /N K /P T = 400/80/15 = 100/20/3.75 Relación de biodegradabilidad Esta relación se define como: Y representa la fracción de la DQO que es biodegradable. Casos típicos de la relación de biodegradabilidad K Efluente 1.5 Efluente biodegradable de forma natural 2 < K < 3 Efluente urbano biodegradable si se trata. K > 5 Efluente no biodegradable. Es típico de muchos efluentes industriales.

19 Industrias lácteas Bases generales Las plantas de tratamiento de leche realizan, por lo general, diferentes procesos del producto, por lo que los residuos que vierten serán de diferente tipo, según el producto que se elabore. Las actividades y productos más comunes de este tipo de industria son: Fábricas de queso (fresco, blando, duro, cocido, fundido, etc.). Fábricas de lactosa y caseína (con laboratorios). Plantas de tratamiento de leche de consumo (con laboratorios de análisis): leche pasteurizada, esterilizada, concentrada, maternizada, etc. Lecherías Fábricas de leche condensada. Fábricas de mantequilla. Fábricas de otros productos: yogurt, nata, helado, etc. Centros de recogida del producto a tratar. Centros de distribución. Los vertidos residuales de las industrias de la leche y derivados, proceden principalmente de: - Limpieza: o De locales o De recipientes o De aparatos. - Lavado de la mantequilla. - Refrigeración. - Condensaciones de los evaporadores. - Vertidos accidentales. - Residuos de leche y subproductos.

20 Composición de los residuos El volumen de los efluentes y su contenido en materias contaminantes son muy variables, según sea la naturaleza de la fabricación (la actividad quesera es más contaminante que la actividad mantequera), la técnica de trabajo, la concepción de la fábrica, etc. El agua es utilizada en gran cantidad por la industria lechera: de 2 a 10 litros de agua por litro de leche. Esta agua, en gran parte restituida, entra en el proceso de fabricación para necesidades específicas de esta actividad, como el lavado de ciertas pastas blandas y pastas prensadas cocidas, o bien para usos más generales, como la alimentación de los condensadores de las calderas o el lavado de los materiales y de los locales. Los vertidos residuales Se componen de agua, leche y subproductos. Contienen MO y otros productos putrescibles, que originan ácido láctico y precipitan la caseína y otros compuestos nitrogenados. El ph es bajo ( ) y pueden contener gérmenes patógenos (tubérculos, etc.). La composición media es la siguiente: Volumen de aguas residuales generadas en industrias lecheras Producto o proceso Volumen de aguas residuales (l/litro de leche) Centros de recogida Mantecas 80/kg de mantequilla Lecherías 1-2 Queso: Fabricación Limpieza Evaporadores Limpieza de instalaciones 0.01

21 MO: 63% de la materia seca. N: 7% de la materia organica. Ácido fosfórico: 7% de la materia seca. Potasio: 0.7% de la materia seca. Los metales tóxicos aparecen en pequeñísima cantidad. Tratamiento de los vertidos Tratamiento de los vertidos La DBO de las aguas residuales generadas en los diversos procesos de fabricación es: Rangos de la DBO de las aguas residuales de las industrias lecheras Proceso DBO (mg/l) Centro de recogida Mantecas Lechería Queso Leche condensada 5000 mg/kg de leche condensada Leche en polvo Debido al gran volumen de agua utilizada, se hacen necesarios la recuperación de residuos por una parte, y el reciclado de las aguas re refrigeración por otra parte.

22 p Las tecnologías existentes para el tratamiento de este tipo de efluentes (industrias lácteas) son muy amplias, por lo que es difícil precisar un tratamiento estándar. No

23 obstante, si podemos exponer de forma general los tratamientos habitualmente empleados. 1) Pretratamientos. Los más habitualmente empleados son los siguientes: Tamizado: elimina los sólidos gruesos antes de la entrada a la planta depuradora. Tanques de sedimentación: se suelen emplear para aquellas industrias que generan una gran cantidad de sólidos en suspensión. Homogeneización y neutralización: este procesos suele ser imprescindible en la industria láctea, ya que al generarse durante los lavados aguas acidas o muy alcalinas, podrán provocar un vertido impidiese cualquier tratamiento biológico posterior, además de cumplir con los valores legales. Por ello se suelen instalar tanques de tiempo de retención grande en los cuales se mezclan las aguas acidas y alcalinas procedentes de la factoría, produciéndose una neutralización natural. En ocasiones esto no es suficiente para neutralizar los vertidos, por lo que se suelen emplear sistemas automáticos de adición de ácidos o alcali en función del ph del efluente. Desengrasado: este proceso es también muy importante en la industria láctea, la cual genera gran cantidad de grasas difíciles de desemulsionar para ello se suele instalar tanques en los cuales se introduce aire en forma de burbujas finas por el fondo para ayudar a desemulsionar la grasa. La grasa formada en la superficie se suele empujar a la zona de remanso donde una rasqueta la retira a una canaleta y a un contenedor para retirarla a vertedero. 2) Tratamiento biológico: para reducir la DBO a los valores legalmente admisibles no basta con los Pretratamientos, es necesario recurrir a los tratamientos bilógicos. Estos pueden ser anaeróbicos y aeróbicos. Aeróbicos: son los tratamientos habitualmente empleados, siendo el proceso de fangos activados el utilizado normalmente. Se basa en la

24 descomposición de la materia orgánica por los microorganismos en presencia de oxígeno. Son sistemas adaptables a una gran variedad de vertidos y bastante flexibles, obteniéndose si la explotación es adecuada muy buenos resultados. No obstante, tienen esencialmente dos inconvenientes importantes como es la generación de una gran cantidad de lodos u el importante gasto energético para proporcionar el oxígeno necesario para la fermentación. Anaeróbicos: se basa en la degradación de la materia organica por bacterias anaerobias formándose metano y CO 2. Como ventajas tienen esencialmente la posibilidad de aprovechar el valor calorífico del gas en la explotación de la propia planta, la baja producción de lodos, asi como el valor de los mismos que pueden ser empleados como abono por su alto valor fertilizante. Una gran desventaja es que requieren un tiempo de retención muy alto, es muy sensible a cualquier cambio de ph o de temperatura, necesita ser calentado para que la temperatura de fermentación sea la adecuada. Reactores

25 Capitulo II Supuestos técnicos

26 Capitulo III Propuestas de solución al planteamiento del problema

27 Capitulo IV Evaluación, análisis de resultados, producto y/o impacto

28 Capítulo V Conclusiones y recomendaciones

29 Anexos

30 Glosario Homogeneización Aireación Electrocoagulación Floculación Coagulación Clarificador

31 Bibliografía y fuentes de información

32 Seoánez Calvo M. (2005). DEPURACION DE LAS AGUAS RESIDUALES POR TECNOLOGIAS ECOLOGICAS Y DE BAJO COSTO. Madrid España. Editorial Mundi-Prensa. Crites y Tchobanoglous.(2004). Tratamiento de aguas residuales en pequeñas poblaciones. Bogotá Colombia. Editorial McGraw-Hill. Martínez S. (1999). PARAMETROS DE DISEÑO DE SISTEMS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES. 1ra edición. México. Sans Serif Editores.

33 Índice del material gráfico