Alternativa de tratamiento de las aguas residuales de la unidad porcina (X)

Introducción

Uno de los residuos más importante en el mundo por su producción, distribución geográfica y potencial contaminante son los procedentes del ganado porcino, agravado en algunos lugares por la concentración de animales en explotaciones industriales con gran número de cabezas con la consecuente acumulación de residuos. Ello introduce una nueva dificultad al problema de la contaminación, sin embargo concentra una fuente de materia orgánica con alto valor energético, haciendo posible su ulterior aprovechamiento como puede ser el de su transformación en metano.

La fermentación anaerobia de estos desechos nos permite:

• Eliminar la contaminación, ya que con este proceso se puede reducir en un 70 - 80 % el material orgánico contaminante

• Obtener energía, pues por cada 1000 kg de sólidos totales (ST) del residuo tratado se pudieran obtener unos 250 m3 de metano, que en países tropicales como el nuestro, la relación en el proceso de obtención de metano y el consumo de energía supera los 10/1, cantidad que avala su rentabilidad.

• Aplicación del efluente del proceso como fertilizante o para el desarrollo de plantas acuáticas, microalgas y peces.

• Utilizar el lodo digerido como abono orgánico y acondicionador de suelos.

Los desechos porcinos son un sustrato complejo para la digestión anaerobia directa ya que el contenido de los sólidos volátiles está compuesto de materiales solubles fáciles de ser digeridos; partículas finas y partículas fibrosas de mayor tamaño, las cuáles son relativamente inaccesibles ante el ataque microbiano.

Para lograr una mejor eficiencia en la degradación de estos desechos es necesario utilizar un tratamiento preliminar para remover esas fibras largas que pueden provocar un bloqueo o tupición de las tuberías y equipos auxiliares, por otro lado esos sólidos biológicos inertes ocuparían después de sedimentarse dentro del digestor un volumen, disminuyendo la capacidad efectiva del mismo durante el tiempo de operación.

En nuestro país el residual porcino presenta unas concentraciones de ST inferiores a 2,5 % por lo que el empleo de digestores convencionales no es recomendado.

La digestión anaerobia de desechos de animales empleando reactores empacados y de microorganismos en suspensión ha recibido una considerable atención en los últimas décadas (Kennedy et al., 1982; Blanchard et al., 1984; Wilkie et al., 1984, 1986; Bolte et al., 1986; Lo et al., 1984; Hill et al., 1985, 1988). Shoemaker et al., (1986); Viñas, (1990, 1991), reportaron el empleo del proceso UASB en el tratamiento de estos desechos.

Caracterización del residual que se genera en porcino x

El porcino actualmente tiene una capacidad promedio de 3500 puercos, está especializada en la reproducción de cerdos. El consumo de agua de la instalación atendiendo a la cantidad y categorías de animales existentes es aproximadamente de 46 m3/d. De esta demanda de agua se estima que un 75 % constituyen los aportes sanitarios que se incorporan a la red sanitaria del porcino, representando 35 m3/d, y 12 m3/h considerando limpieza diaria de las naves durante tres horas. Estas aguas son recolectadas por canales y conducidas por colectores generales hasta el sistema de tratamiento del porcino. Con los valores obtenidos por la información brindada por la planta se tiene un caudal de 30 m3/d, el cual la literatura recomienda se sea afectado por el factor de seguridad de un 20 % superior para obtener el caudal de diseño, (Rivadeneyra Machasilla, A, Y ,2015).

La densidad de la excreta fresca es ligeramente mayor a 1000 kg/m3, siendo así, un fluido de peso comparable al del agua. (Purdue Research Foundation, 2003).

El pH varía entre 6 y 8, tendiendo a la neutralidad en la medida que las excretas sean más frescas. La alcalinidad y conductividad son propiedades más propias del agua de lavado y de bebida, que de la excreta (ACP, 1997).

Las características de las aguas residuales han sido publicadas por diferentes investigadores a nivel mundial. Para el desarrollo del estudio nos enfocamos en los valores promedio de las características de dichas aguas brindadas por especialistas de la unidad en estudio, para un gasto de diseño de 35 m3/d, sus valores se muestran en la Tabla 1.

Caracterización del cuerpo receptor

Es necesario rescatar la importancia del marco normativo para el vertimiento de residuos líquidos sobre fuentes hídricas, en Cuba se norma la calidad de los residuos líquidos para su vertimiento en las aguas terrestres expuestas en la NC 27:2012: Vertimiento de Aguas Residuales a las Aguas Terrestres y al Alcantarillado, Especificaciones. La cual se aplica a todas las aguas residuales generadas por las actividades sociales y económicas como son las domésticas, municipales, industriales, agropecuarias y de cualquier otro tipo.

La NC establece que los cuerpos receptores sean clasificados cualitativamente en tres clases (A, B, C), y de acuerdo a esta clasificación, se establecen los límites máximos permisibles (LMP) que debe cumplir cada parámetro antes de ser vertido en dicho cuerpo receptor, lo cual se encuentra reflejado en la tabla de Límites Máximos Permisibles promedio para las descargas de aguas residuales según la clasificación del cuerpo receptor (ver Tabla 2). En nuestro caso el río (R) es el cuerpo receptor de estas aguas residuales y clasifica como tipo (A).

Descripción del sistema de tratamiento de residuales actual

Es importante comentar que la descripción del diagrama de flujo y la operación del sistema es resultado de la inspección que se realizó a la obra, información obtenida a través de entrevistas realizadas a personal que opera el sistema, fundadores de la instalación y especialistas de la Empresa de Investigaciones y Proyectos Hidráulicos de Santiago de Cuba, entre otros.

El sistema de tratamiento de aguas residuales existente en el porcino (X) está compuesto por las unidades de pretratamiento, tratamiento primario y secundario, y los tratamientos de los lodos. Los efluentes de la planta vierten al afluente del río (R) conocido como (A).

Los elementos de Pretratamiento, conformados por la Cámara de reja y el Desarenador, están integrados en una sola estructura, uno a continuación del otro. Estos tienen el objetivo de eliminar todos los objetos, residuos sólidos no biodegradables que pueden obstruir y deteriorar equipos y conductos existentes en los elementos de las diferentes etapas de tratamiento. Como sistema, los efluentes de las unidades de Pretratamiento se incorporan por medio de colectores y registros, a cuatro módulos de tratamiento, cada uno de ellos presenta tres depósitos consecutivos, el tratamiento primario con una laguna facultativa de 45 m de largo y 20 m de ancho, y profundidad efectiva de 1,5 m, encargada de la sedimentación primaria de los sólidos en suspensión y estabilización de la materia orgánica. Seguido por dos depósitos (espesador y lecho de secado) encargados del tratamiento de los lodos.

El agua residual producto de reboso en los espesadores y de drenaje en los lechos de secado son recolectados y vertidos, mediante una conductora de 850 m de longitud, en una laguna de estabilización ubicada junto al sistema de tratamiento de la unidad porcina (Y), donde recibirán un tratamiento secundario antes de ser vertidos al afluente del río (R). La Figura 1 muestra un esquema del sistema de tratamiento actual.

Resultados cuantitativos de la inspección realizada

De forma general, la instalación tiene un estado técnico regular. Unido a esto el sistema de tratamiento se está operando indebidamente. Por otra parte las unidades de tratamiento existentes son insuficientes para reducir las concentraciones iniciales a los valores límites de vertimiento establecidos por la NC 27:2012. Esta afirmación está basada en la información publicada en bibliografías especializadas en el que se han escogido los valores de eficiencia de cada elemento de tratamiento y se han calculado las concentraciones del efluente, (Viñas et al., 2000. En la Tabla 3 se muestran los porcentajes de eliminación de los contaminantes de las unidades de procesos existente.

Los resultados expuestos en la Tabla 3 evidencian que la tecnología de tratamiento de las aguas residuales porcinas existente en (X) es totalmente inadecuada e ineficiente, los límites máximos permisibles regulados en la NC 27:2012, aun operando a la máxima eficiencia, son superados al 390% en el caso de la DQO y al 700% la DBO5.

Resultados cualitativos de la inspección realizada a los órganos del sistema de tratamiento existente

• Unidad de Pretratamiento (Cámara de rejas y Desarenador).

La cámara de rejas no tiene la separación entre barras, e inclinación adecuada. Las compuertas de entrada y salida de los canales no existen.

El Desarenador no tiene las compuertas de entradas y salida del canal principal y de la derivación (ver Figuras 3 y 4). Tampoco está instalado el vertedor proporcional para el control constante de la velocidad del flujo, factor principal para su correcto funcionamiento.

• Tratamiento primario (laguna facultativa 1).

Tanto el colector que distribuye el agua residual a estas unidades de tratamiento primario como las tuberías de interconexión están ocupadas parcialmente con sedimentos. Las válvulas que existen para el control del fluido están en mal estado.

Las lagunas han perdido parcialmente las losas de fondo y paredes conque fueron revestidas. Los muros divisorios, estructuras de entradas y salidas de cada depósito, están deteriorados (ver Figura 5).

• Tratamiento secundario (laguna facultativa).

No tiene una configuración en vista en planta bien definida. Ha perdido los taludes aguas abajo (ver Figura 6). Carece de estructuras hidráulicas como vertederos para el registro y medición de caudales. Las estructuras de entrada y salida están en mal estado, presentan agrietamiento en los muros y pérdida del recubrimiento, en el fondo hay sedimentos y arena.

Gestión de las aguas residuales del porcino (X)

Como resultado de un diagnóstico realizado al sistema de tratamiento de los residuales del porcino se hace imperante trazar una estrategia, para la remodelación del sistema de tratamiento existente en el porcino (X) con el objetivo de tratar las aguas residuales porcinas antes de verterlas al afluente del río (R), para minimizar la contaminación ambiental. La misma se formuló según los objetivos de promover el crecimiento económico sostenido, inclusivo y sostenible, el empleo pleno y productivo y el trabajo decente para todos, garantizar modalidades de consumo y producción sostenible, conservar y utilizar en forma sostenible los océanos, los mares y los recursos marinos para el desarrollo sostenible. Estos criterios fueron tomados del Desarrollo Sostenible para el 2030 declarada por la ONU. En la Tabla 4 se muestran los criterios a tener en cuenta para su consolidación como un posible proyecto de investigación y desarrollo según dicha organización mundial.

1. El método debe proveer una eficiencia de tratamiento en la remoción de varias categorías de contaminantes de manera que no afecte el ecosistema: Materia orgánica biodegradable (DBO) y DQO, SS, amoníaco y compuestos orgánicos nitrogenados, fosfatos, patógenos.
2. La estabilidad del sistema respecto a interrupciones en la fuente de energía, picos de carga, interrupción en la alimentación y/o contaminantes tóxicos, debe ser alta.
3. La flexibilidad del proceso debe ser alta, con respecto a la escala a la cual es aplicada, posibilidades de ampliación y posibilidad de mejorar la eficiencia.
4. El sistema debe ser simple en su operación, mantenimiento y control.
5. El requerimiento de área debe ser bajo, en especial cuando no está disponible.
6. El número de etapas de procesos (diferentes) requeridos debe ser lo más bajo posible.
7. El tiempo de vida del sistema debe ser largo, sustentable y sostenible.
8. La aplicación del sistema no debe ser acompañada con mal olor y problemas de malestar en las personas. Debe promover el desarrollo de nueva fuente de empleo pleno, productivo con alta salud y protección.
9. El sistema debe ofrecer buenas posibilidades para recuperar subproductos útiles en irrigación y fertilización, u otros productos con fines agrícolas.

Definición de la variante propuesta

La composición tecnológica de las plantas de tratamiento de aguas residuales, depende esencialmente del grado de depuración necesario según los requerimientos de vertimiento de las aguas residuales a enviar al cuerpo receptor, de manera que los contaminantes presentes sean separados en orden decreciente de tamaño u orden creciente del factor de dispersión, o sea desde las más grandes a las más pequeñas o desde las de menor grado de dispersión a las más dispersas, combinando adecuadamente operaciones y procesos unitarios para la separación de fases según se requiera. La Figura 7 muestra la propuesta que realizamos a la UEB porcina (X).

Partes y componentes de los órganos de tratamiento propuestos

1. Unidades de pretratamiento.

• Cámara de reja con desfibrador.
• Desarenador.

2. Tratamiento primario.

• Reactor anaerobio de segunda generación.

3. Tratamiento secundario

• Laguna facultativa.

4. Tratamiento terciario

• Humedales artificiales (Sub superficiales).

5. Tratamiento de los lodos.

• Digestión anaerobia de los lodos.
• Lecho de secado.

6. Planta de biogás.

• Tratamiento.
• Captación y almacenamiento.
• Consumo para la cocción de alimentos, alumbrado, generación de electricidad, etc.

En la Tabla 5 se muestran los porcentajes de eliminación de los contaminantes de las unidades de procesos propuestas.

Como se muestra en la tabla anterior, para valores de eficiencias medio y máximo de cada unidad de tratamiento, resulta evidente la necesidad de un tratamiento terciario y una eficiencia total del sistema superior al 99%, para lograr que los parámetros de vertimiento se ajusten a la NC 27:2012.

Descripción de los componentes fundamentales del sistema propuesto:

Cámara de rejas - desarenador – desfibrador:

En este órgano de trabajo se separan del residual los sólidos groseros (palos, telas, y objetos de gran tamaño) mediante una rejilla inclinada a 30° con la horizontal.

Posteriormente pasa al desarenador con dos canales de unos 30 cm de ancho cada uno, eliminando la arenilla, tierra, cáscaras y granos presentes en el residual, en estos canales se recomienda emplear vertedores proporcionales u otros sistemas para garantizar una velocidad constante en los mismos.

Del desarenador pasa a un depósito desfibrador con una combinación de tabiques donde gran parte de las fibras se recogen.

• Reactor anaerobio de segunda generación:

Este es el órgano principal de la planta, es el encargado de dar el tratamiento primario a los residuales a través de la digestión anaerobia. Se propone para el mismo 3 canales, con un volumen efectivo de 106,2 m3 (área efectiva de 35,4 m2 y 3 m de profundidad efectiva), para garantizar una carga de 3 kg DQO m3/d como criterio de diseño, para un TRH de 3 días [15].

• Laguna facultativa:

El efluente del reactor anaerobio, de acuerdo a las características de vertimiento, debe pasar a un postratamiento para darle calidad al agua, fundamentalmente desde el punto de vista bacteriológico, reducción de las cargas orgánicas que no se pudieron disminuir en los órganos anteriores, por ello recomendamos una laguna. Existen experiencias en Cuba del uso eficiente de las mismas como órgano final de tratamiento aunque puede ser sustituida por otros sistemas de acuerdo al lugar y área de terreno disponible.

Se propone una laguna facultativa con un volumen efectivo de 1800 m3 (área efectiva de 1200 m2 y 1,5 m de profundidad efectiva), para garantizar una carga de 300 kg DBO5 ha/d como criterio de diseño, para una temperatura de 24°C [4].

• Humedal artificial:

El efluente de la laguna facultativa debe pasar a un postratamiento para darle un pulimento final antes de ser vertido al cuerpo receptor. Se propone un humedal artificial de flujo sub superficial con un área efectiva de 761 m2 y una profundidad 0,6 m, para garantizar una carga orgánica impuesta menor de 67 kg DBO5 ha/d como criterio de diseño, para una temperatura de 24°C.

• Lechos de secado al sol:

Dada las condiciones climatológicas de nuestro país, este sistema de disposición de los lodos en exceso en los digestores para su deshidratación de 70÷75% de humedad, aunque puede emplearse la deshidratación por medios mecánicos reduciendo el área de terreno pero con un costo de operación mayor.

Beneficios de la propuesta seleccionada

Evaluamos esta tecnología para tratar unos 35 m3 diarios de agua residual como promedio producida en una instalación integral porcina de 3500 animales en nuestras condiciones, obteniendo una descontaminación mínima de la DQO del 99%. La Figura 8 muestra el estimado de aporte energético brindado por nuestra propuesta y sus equivalentes.

La producción estimada de lodos digeridos por planta, con una concentración de humedad del 96 %, y un peso específico de 1024 kg/m3, se aprecia en la Figura 9.

Conclusiones

1. La tecnología de tratamiento de las aguas residuales porcinas existente en (X) es totalmente inadecuada e ineficiente, se evidencian que los límites máximos permisibles regulados en la NC 27:2012, aun operando a la máxima eficiencia, son superados al 390% en el caso de la DQO y al 700% la DBO5.
2. Se evidenciaron dificultades de operación.
3. Los órganos de tratamiento, así como sus procesos de fermentación anaerobia, se pueden realizar con tecnologías simples, con bajos costos, materiales locales y sin necesidad de mucha intervención constructiva y operacional.
4. La carga orgánica es aprovechable como fuente de energía renovable, se estima una producción de biogás de 37193,5 m3/año, constituyendo una gran opción para aumentar enormemente el valor agregado de la instalación, ante una evidente capacidad para revertir la matriz energética de la unidad.
5. La propuesta mostrada es una vía para contribuir a la descontaminación ambiental y a un reciclaje ecológico.

Recomendaciones

1. Se requiere una remodelación del sistema actual que incluye, entre otros aspectos, incluir la digestión anaerobia con captación, tratamiento y almacenamiento de biogás, y la inclusión de un tratamiento terciario a la planta.
2. Realizar estudios de demanda energética que pueda suplirse mediante ésta y otras FRE.
3. Realizar estudios de posible reutilización del efluente digerido como fertilizante, ya que este pudiera proporcionar un aumento de la producción agrícola entre el 6-20 %.
4. La operación del sistema debe hacerse en paralelo, esto garantizaría los tiempos de retención requeridos para la máxima eficiencia del sistema.
5. Debe realizarse un estudio de autoabastecimiento energético a la unidad empleando ésta y otras FRE (sistemas híbridos) de ser necesario.
6. Que se de continuidad al proceso inversionista en función de realizar un estudio mucho más profundo para ejecutar finalmente la remodelación de la instalación.
7. Que se tomen en cuenta los fundamentos demostrados en este trabajo y sirvan de base para éste y otros tantos que están por iniciarse.

Referencias

[1] Blanchard J.P., Van der Berg L. “TRANSACTIONS of the ASAE”, Vol 27, N.2, pp 535 - 540. Año 1984.

[2] Bolte J.P., Hill D.T., Wood T.H. “TRANSACTIONS of the ASAE”, Vol 29, No.2, pp 543 - 549. Año 1986.

[3] Chao Espinosa, R. (Investigador Auxiliar); “Fermentación Anaerobia para el Tratamiento de Residuales Porcinos”. Instituto de Investigaciones Porcinas, Colombia, 2012

[4] Gutiérrez Díaz, J. B. (Lic.); García Fernández, J. M. (Dr.) “Manual de Laguna de Estabilización”. INRH, La Habana, abril 2015.

[5] Hill D.T., Bolte J.P. “TRANSACTIONS of the ASAE”, Volume 31, No.5, pp 1525-1531. Año 1988.

[6] Hill D.T., Bolte J.P., Prince T.J. “ASAE Paper No. 85-3086 ASAE”, St. Joseph, MI 40985-9659. Año 1985.

[7] Instituto Nacional de Investigaciones Agropecuarias (INIA), “Recomendaciones Técnicas para la Gestión Ambiental en el Manejo de Purines de la Explotación Porcina”. Ministerio de Agricultura, Santiago de Chile, Chile, 2005.

[8] Kennedy K.J., van den Berg L. “Agric. Wastes”, 4, pp 151 - 158. Año 1982.

[9] Lo K.V., Whitehead A.J., Liao P.H., Bulley N.R. “Agric. Wastes”, 9, pp 175 - 184. Año 1984.

[10] NC 27. “Vertimiento de Aguas Residuales a las Aguas Terrestres y al Alcantarillado, Especificaciones”, La Habana 2012.

[11] Schoemaker A.H., Grootjen D.R., Lettinga G. “Anaerobic Treatment a Grown-Up Tecnology, AQUATECH”, Amsterdam, pp 501-513. Año 1986.

[12] Viñas Álvarez, M.; Rubio Álvarez, N.; García Dorta, R. “Tecnología para el tratamiento y aprovechamiento de residuales porcinos”; Empresa Nacional de Proyectos Agropecuarios (ENPA), C. Habana, Cuba, 1995.

[13] Viñas M. “I Taller sobre Tratamiento Anaerobio de Aguas Residuales en America Latina”, México D.F., 8-9 Nov. 1990.

[14] Viñas M., “Posters-Papers Sixth Int. Symp. on Anaerobic Digestion”, Sao Paulo, Brasil, 1991.

[15] Viñas M., García R., Rubio N. “II Congreso AIDIS de Norteamérica y el Caribe, IV Congreso Nacional de la ACIS”. Ciudad de la Habana, Cuba, Junio 1995.

[16] Wilkie A., Colleran E. “Biotechnology Letters”, Vol 6, No.11, pp 735 - 740. Año 1984.

[17] Wilkie A., Colleran E. “Env. Tech. Letters”, Vol 7, pp 65-76. Año 1986.