TRATAMIENTO DE EFLUENTES DE UNA GRANJA PORCÍCOLA EN EL ESTADO DE CAMPECHE Violeta E. Escalante Estrada* Instituto Mexicano de Tecnología del Agua Josefa de los Angeles Paat Estrella Universidad Autónoma de Campeche Ingeniera Industrial Química, Maestra en Ciencias en Ingeniería de Alimentos. Especialista en tratamiento de aguas residuales. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. Area de interés: Digestión anaerobia de aguas y lodos residuales. Diseño, operación y mantenimiento de lagunas de estabilización. Paseo Cuauhnáhuac No. 8532, col. Progreso, Jiutepec, Morelos, México, C.P. 62500, Tel. Conmutador: (777) 329-36-00 ext. 432 y 430, Teléfono directo (777) 319-43-66. E-mail: vescalan@tlaloc.imta.mx RESUMEN El Estado de Campeche tiene dentro de sus actividades económicas, la porcicultura. La cual genera desechos líquidos y sólidos. Para su tratamiento se han aplicando en su gran parte, procesos biológicos y muy poco los químicos. En el ámbito mundial se ha utilizado esquemas de tratamiento completos que incluyen el reúso. Entre los procesos biológicos mas comúnmente utilizados se encuentran los digestores anaerobios y las lagunas de estabilización, estas ultimas principalmente por ser de bajo costo. Este trabajo tiene como objetivo presentar el diseño de un sistema de tratamiento para una granja porcícola ubicada en el Estado de Campeche (19 55 14 de latitud norte y 90 24 35 de longitud). La región presenta un clima cálido, semihúmedo en la zona norte, por lo general se registra temperaturas máxima y mínima de 45 y 19 C respectivamente, con una temperatura media de 26 C; la precipitación pluvial varía de 950 mm en su parte norte, hasta 2200 mm en su parte sur y una humedad promedio de 72%. Se realizó la caracterización de la descarga. Se plantearon diferentes alternativas de tratamiento (con y sin digestor anaerobio previo al sistema lagunar; varios esquemas de sistemas lagunares). Para el cálculo de las alternativas se utilizó un programa de computo elaborado por el IMTA. Del análisis de alternativas para el caso de estudio, se llegó a la conclusión de que el mejor tren de tratamiento que ofrece una remoción superior al 95% de materia orgánica y una concentración en el efluente menor a 1000 coliformes fecales, es el conformado por un pretratamiento (separación física de sólidos), un digestor anaerobio, dos lagunas anaerobias, una laguna facultativa y tres lagunas de maduración. Palabras Clave: Desechos porcícolas, lagunas de estabilización, diseño. INTRODUCCIÓN México cuenta con un inventario porcino de 12.5 millones de cabezas aproximadamente. De su producción se estima que un 46% es tecnificada, un 20% semitecnificada y el 34% está en pequeñas unidades familiares de traspatio. La producción de cerdos se lleva a cabo en todos los Estados del País, pero existen regiones donde su concentración es muy grande: Los Estados de Jalisco, Michoacán y Guanajuato aglutinan a 4.3 millones de cabezas; Sonora posee 1.2 millones de cabezas y Yucatán tiene aproximadamente 1.0 millón de cabezas. Estas regiones presentan problemas de abastececimiento de agua. (Pérez Rosario, 1997)
El Estado de Campeche incluye dentro de sus actividades económicas, la porcicultura, la cual se ha incrementado en los últimos años debido a los cambios en los esquemas de producción animal, al fuerte impulso que se le ha dado a esta actividad y a las demandas del mercado. Lo anterior ha contribuido a que se genere una mayor cantidad de residuos en las granjas, y con ello, un grave problema ambiental al no proporcionarles un manejo adecuado. (Paat J., 2002) Para el tratamiento de los desechos líquidos y sólidos porcinos en el ámbito mundial se han aplicado esquemas completos que incluyen el reúso de estos desechos. Utilizando para el tratamiento de las aguas residuales porcinas en su gran parte procesos biológicos y muy poco los químicos. Los procesos biológicos utilizados en su mayoría se han enfocado en la remoción de materia orgánica (digestores anaerobios, lagunas anaerobias y facultativas), nutrientes (biofiltros) y bacterias coliformes (lagunas aerobias). Utilizando las excretas porcinas se han generado mejoradores de suelo (composteo y vermicomposteo). La excretas también han sido recicladas en la preparación de alimento para rumiantes. La elección técnica de un sistema de tratamiento depende de la calidad del agua que se quiera generar, el uso a la que se destine y de las características particulares de la granja. La elección práctica depende del presupuesto del porcicultor. Aunque se tienen estudios de alternativas de tratamiento de los efluentes porcícolas en la República Mexicana, el Estado de Campeche no cuenta con estudios afines al tema, por lo que es difícil establecer una correlación entre las características de estos desechos en otras granjas y las que se encuentran en el Estado. (Paat J., 2002) Por otro lado la cantidad de excretas que produce un cerdo depende de muchos factores, entre ellos la edad del animal, su madurez fisiológica, la cantidad y calidad del alimento consumido, la cantidad de agua consumida y el clima, entre otros.(pérez Rosario, 1997) Debido a lo antes expuesto no es recomendable utilizar los valores promedio de las características de las aguas residuales de otras granjas porcinas, por lo que es preferible tratar cada caso en forma particular. Este trabajo tiene como objetivo el diseño de un sistema de tratamiento para efluentes porcícolas de una granja ubicada en el Estado de Campeche. METODOLOGÍA Para llevar a cabo el trabajo de campo se seleccionó una granja que fuera representativa, que él porcicultor estuviera interesado en participar, que brindará las facilidades necesarias para el muestreo. La granja en estudio se encuentra ubicada a: 19 55 14 de latitud norte y 90 24 35 de longitud. La región presenta un clima cálido, semihúmedo en la zona norte, por lo general se registra temperaturas máxima y mínima de 45 y 19 C respectivamente, con una temperatura media de 26 C; la precipitación pluvial varía de 950 mm en su parte norte, hasta 2200 mm en su parte sur y una humedad promedio de 72%. Se realizó la caracterización de las aguas residuales, mediante 3 muestreos (Julio, Agosto, Septiembre del 2001), obteniendo muestras compuestas como lo indica la Norma; los parámetros que se determinaron fueron: DBO 5, DQO, Ptotal, ST, SV, SF, SST, SSV, SSF, Ssed, C.T, C.F., ph, temperatura del agua y del ambiente. Se plantearon diferentes alternativas de tratamiento ( Con y sin digestor anaerobio previo al sistema lagunar; varios esquemas de sistemas lagunares, en serie y en paralelo). Para el cálculo del diseño de las alternativas se utilizó el programa de computo CREALE. (IMTA, 1997) RESULTADOS Los resultados de la caracterización de los efluentes porcícolas en estudio se presentan en la Tabla No. 1. Los datos base del diseño para las lagunas de estabilización se presentan en la Tabla No. 2. El trabajo presenta las
alternativas planteadas, el análisis de las mismas y el diseño de cada uno de los procesos involucrados en la alternativa seleccionada. Tabla No. 1. Características promedio de las aguas residuales porcícolas. (Paat J., 2002) PARÁMETRO ABREVIATURA TOTAL UNIDADES Demanda Bioquímica de Oxígeno DBO 5 5496.03 mg/l Demanda Química de Oxígeno DQO 32621.20 mg/l Grasas y Aceites G y A 550.10 mg/l Nitrógeno Total Kjendahl NT 880.75 mg/l Fósforo Total PT 18.69 mg/l Sólidos Totales ST 15063.90 mg/l Sólidos Totales Volátiles STV 9078 mg/l Sólidos Suspendidos Totales SST 7554.80 mg/l Sólidos Suspendidos Volátiles SSV 6440.33 mg/l Sólidos Sedimentables SSed 176.20 mg/l Coliformes Totales CT 2.1E+12 NMP/100 ml Coliformes Fecales CF 3.3E+11 NMP/100 ml Se plantearon 16 alternativas variando esquemas de tratamiento, profundidad de la laguna anaerobia y los modelos de cálculo: flujo disperso y mezcla completa. Estas alternativas se presentan en la Tabla No. 2. En donde se puede observar que las alternativas 1 y 2 presentan igual tren de tratamiento con la variante de la profundidad de la laguna anaerobia de ser para la primera de 4 metros y para la segunda de 3 metros, para estas dos alternativas se utilizó el modelo de flujo disperso en el cálculo del diseño. De acuerdo a los resultados el área requerida para éstas dos opciones es semejante como se puede observar en la Tabla No. 2. Con respecto a las especificaciones de diseño, las dos alternativas cumplen con la de carga volumétrica en la laguna anaerobia, carga superficial en laguna facultativa, carga superficial en la primera laguna de maduración (< a la carga superficial de la facultativa), las dos lagunas de maduración siguientes tienen una carga superficial mayor que la primera opción, lo cual no es adecuado. Los tiempos de retención hidráulica (TRH) se encuentran dentro del rango de especificaciones correspondiente para cada tipo de laguna. Las alternativas 3 y 4 presentan igual esquema de tratamiento, también la variante en este caso es la profundidad en la laguna anaerobia. Para el cálculo se utilizó el modelo de diseño de mezcla completa. Los resultados indican que tanto la carga volumétrica como la superficial que recibirían las lagunas se encuentran dentro del rango normal. Las alternativas 5, 6, 7 y 8 presentan el siguiente tren de tratamiento: Pretratamiento, digestor anaerobio, dos lagunas anaerobias, una facultativa y tres de maduración, para las dos primeras se utilizó el modelo de flujo disperso, para las dos siguientes el de mezcla completa. Las cuatro alternativas cumplen con las especificaciones de diseño para las lagunas de estabilización (carga volumétrica, carga superficial y el TRH), las alternativas que requieren una menor área (8% menos) para las lagunas de estabilización son las 5 y 6 que corresponden al modelo de flujo disperso. Las alternativas 9 a la 16 ( ver Tabla No. 2) corresponden a trenes de tratamiento, que no incluyen el digestor anaerobio previo a las lagunas de estabilización. En estas alternativas se observa que el área requerida para el sistema lagunar es mucho mayor que la propuesta al construir un digestor anaerobio previo al sistema. Aunado a lo anterior en las alternativas 9 y 10 no se cumple con el criterio de diseño correspondiente a carga superficial, por ejemplo: la laguna de maduración tendría una carga mayor a la de la facultativa, resultado contrario a las recomendaciones de diseño. Los TRH son mayores a los especificados en el diseño para la
anaerobia (12.83> 5 días) y facultativa (78.54 > 7 25 días). Las alternativas once y doce presentan igual comportamiento, laguna anaerobia (12.83 > 5 días) y facultativa: ( 29 > 7 25 días). Las alternativas 13 y 14 presentan un área muy cercana a la requerida en la alternativa siete, pero el diseño de la laguna anaerobia tendría un TRH de 12 días, el cual es mayor al máximo recomendado (5 días). La alternativa 15 y 16 presentan también tiempos de retención hidráulica mayores a los especificados en el diseño. De acuerdo con lo anterior se selecciona como mejor opción para el presente caso de estudio, la alternativa seis con una superficie requerida para el sistema lagunar de 159 metros cuadrados, sin incluir el área para bordos y caminos de acceso. Cabe mencionar que el área requerida para el digestor anaerobio es de 6 m 2 y el TRH necesario de 20 días. La concentración de DBO 5 en el influente al sistema lagunar es de 1155 mg/l, para las alternativas que incluyen el digestor. TABLA No. 2 Alternativas de tratamiento Datos utilizados en el diseño: Caudal 8 M 3 /día. Temperatura 23.5 C. Evaporación neta: 5 mm/día. DBO 5 :5500 mg/l. CF: 3.3E+11 NMP/100 ml Alternativa TREN DE Profundidad AREA Modelo TRATAMIENTO (m 2 ) 1 P+DA+1A+1F+2M A= 4 192 FD 2 P+DA+1A+1F+2M A= 3 197 FD 3 P+DA+1A+1F+2M A= 4 323 FM 4 P+DA+1A+1F+2M A= 3 326 FM 5 P+DA+2A+1F+3M A= 4 147 FD 6 P+DA+2A+1F+3M A= 3 152 FD 7 P+DA+2A+1F+3M A= 4 167 FM 8 P+DA+2A+1F+3M A= 3 172 FM 9 P+1A+1F+3M A= 3 507 FM 10 P+1A+1F+3M A= 4 499 FM 11 P+2A+1F+2M A= 3 275 FM 12 P+2A+IF+2M A= 4 259 FM 13 P+3A+1F+1M A= 3 192 FM 14 P+3A+1F+1M A= 4 170 FM 15 P+2A+2F+1M A= 4 383 FM 16 P+2AS+2AP+F+2M A= 4 247 FM Nota : P= Pretratamiento, DA= Digestor anaerobio, A= Anaerobio, F= Facultativa, M= Maduración, # = Número de lagunas, FD= Flujo disperso, FM= Mezcla completa. La profundidad de las lagunas facultativas (1.5 m) y de maduración (1.2 m) fue constante para cada una de ellas. En la Tabla No. 3 se presenta los datos de diseño del sistema de tratamiento recomendado. En la Figura No. 1 se presenta un esquema del diagrama de flujo del tren propuesto.
Tabla No. 3 Diseño de la alternativa seleccionada Caudal a tratar: En (l/s): 0.093, En (m3/día): 8.0, Tren de tratamiento: PT+DA+2A+1F+3M Lag. C. V. g/m 3. día C. S. Kg/ha. día Área m 2 Prof. Larg. Ancho TRH (días ) DBO ef. mg/l Ef. DBO (%) Ef. Ac. DBO (%) C.F. ef. NMP CF (%) Ac. CF. (%) A 300 7.84 4.00 2.77 2.77 3.85 185 60 60 5 E+09 98.38 98.38 F 333 48 1.50 12 4 8.45 44 76 96 7 E+07 98.74 99.98 M I 110 32 1.20 16 2 4.86 33 25 97 4 E+06 93.80 99.99 M. S 89 32 1.20 16 2 4.86 14 25 99 1E+03 99.98 99.9999 8 m 3 de agua residual con 5500 mg/l de DBO y 3.3E +11 de CF NMP/100 Tratamiento primario Digestor anaerobio Primera Laguna Anaerobia Segunda Laguna de Maduración Primera Laguna de Maduración Laguna Facultativa Segunda Laguna Anaerobia Tercera Laguna de Maduración Efluente < 23.36 mg/l de DBO y < 1000 CF NMP/100 ml Fig. No. 1 Diagrama de flujo del Sistema de Tratamiento CONCLUSIONES Las características de las aguas residuales generadas en la granja del Estado de Campeche, son inferiores al promedio reportadas por el Consejo Mexicano de Porcicultura, Taigánides et al (1996), lo que refleja la
importancia de que antes de realizar el diseño de un sistema de tratamiento, se deba determinar las características fisicoquímicas y microbiológicas del desecho. Del análisis de alternativas para el caso de estudio, se llegó a la conclusión de que el tren de tratamiento que cumple con las condiciones de diseño, requiere una menor área para su construcción, se espera obtener una remoción superior al 95% de materia orgánica y un efluente menor a 1000 coliformes fecales. Es el que está conformado por un pretratamiento(separación física de sólidos), un digestor anaerobio, dos lagunas anaerobias, una laguna facultativa y tres lagunas de maduración en serie. RECOMENDACIONES Las lagunas de estabilización tienen requerimientos operacionales y de mantenimiento mínimos que deben atenderse y cumplirse. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Collí M., J., Pearson, H. D., et al. 1994. Manual de Agua Potable y Alcantarillado.Libro II. 3ª Sección: Potabilización y Tratamiento. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. México. Morelos, México. EPA. 1977. Upgrading Lagoons, Report No. EPA-625/-73-001B. Cincinnati, Environmental Protection Agency. Centre for Environmental Research Information. INEGI. 1998. El Sector Alimentario en México. Ed. INEGI. México, D.F. 311 pp. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, IMTA (1997). Programa CREALE : v. 1.03 (1997). Programa de cómputo: Cálculo rápido elemental de arreglos de lagunas de estabilización. por V. G. Tzatchkov Metcalf & Eddy Inc. 1972. Wastewater Enginnering, Collection, Treatment, Disposal. McGraw Hill Book Co. Paat Estrella Josefa de los Angeles. 2002. Diseño de un sistema de lagunas de oxidación de las aguas residuales porcícolas de Hampolol, Campeche. Universidad Autónoma de Campeche Taigánides, E., Pérez E, R., Girón S. E. 1996. Manual para el manejo y control de aguas residuales y excretas porcinas en México. Consejo Mexicano de Porcicultura. México, D. F.