TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES DE INDUSTRIAS PROCESADORAS DE CANGREJO AZUL USANDO LODOS ACTIVADOS

Lenín Herrera, Suher Yabroudi, Carmen Cárdenas, Luznel Velásquez, Henry Maldonado, Luís Vargas y José Delgado

Lenín Herrera. Ingeniero Químico, Universidad del Zulia (LUZ), Venezuela. M.Sc. en Ingeniería Ambiental y Sanitaria, University of Texas, Austin, EEUU. Profesor, LUZ, Venezuela. Asesor, Centro de Investigación del Agua de la Universidad del Zulia (CIA-LUZ), Venezuela.

Suher Yabroudi. Ingeniero Químico y Maestría en Ingeniería Química, LUZ, Venezuela. Profesora, LUZ, Venezuela. Investigadora, CIA-LUZ, Venezuela. Dirección: CIA-LUZ. Apartado 526. Maracaibo, Edo. Zulia, Venezuela. e-mail: yabroudic@yahoo.com

Carmen Cárdenas. Ingeniero Químico y Maestría en Ingeniería Ambiental, LUZ, Venezuela. Directora, Investigador, Centro de Investigación del Agua de la Universidad del Zulia, Venezuela.

Luznel Velásquez. Ingeniero Químico, LUZ, Venezuela. Ingeniero de Proyecto, INESPA, Venezuela.

Henry Maldonado. Ingeniero Químico, LUZ, Venezuela. Ingeniero de Procesos, PDVSA, Venezuela.

Luís Vargas. Ingeniero Químico y Maestría en Ingeniería Ambiental, LUZ, Venezuela. Profesor, LUZ, Venezuela.

José Delgado. Técnico Químico, Escuela Técnica Industrial, Venezuela. Investigador, CIA-LUZ, Venezuela.

En vista de la falta de información básica, en particular los valores de las constantes biocinéticas, para diseñar los sistemas de tratamiento biológico de las aguas residuales producidas por plantas procesadoras de cangrejos, camarones y conservas de pescado, se realizó un estudio de tratabilidad biológica de los efluentes de una planta procesadora de cangrejos, ubicada en el Municipio San Francisco, Estado Zulia, Venezuela. Se determinó un caudal de agua residual generado en la planta de 7,81L/kg de cangrejo procesado, con un caudal promedio de descarga de 214775L/día. Se caracterizaron muestras de los efluentes de la planta para determinar su calidad y se encontró que los parámetros analizados, en su mayoría, estuvieron fuera de los límites establecidos por la normativa ambiental venezolana para descargas en cuerpos de agua. Los resultados indican que es necesaria la instalación de un sistema de tratamiento que mejore la calidad de los efluentes descargados. Se realizó un estudio experimental a escala de laboratorio del sistema de tratamiento mediante lodos activados empleando reactores biológicos continuos, para cuatro tiempos de residencia (8, 12, 16 y 20h), y se determinaron las constantes biocinéticas. Los resultados indican que el valor de las constantes biocinéticas del sistema son K= 0,0046L/(mgDQO·d) con coeficiente de correlación del 91,4%; Y_T= 0,5442mgSSV/mgDQO y K_d= 0,1175 d^-1 ambas con coeficientes de correlación del 93,9%.

SUMMARY

Due to the lack of basic data, especially biokinetic constants, in order to design a treatment plant to process industrial wastewater from crab and shrimp processing, wastewater from a blue crab processing industry located in the San Francisco Municipality, Zulia State, Venezuela, was studied. The flow of effluent per kg of processed crab was calculated to be 7.81L/kg and the average flow of the crab industry was determined to be 214775L/day. This paper presents the characterization of four different effluents from the crab plant, and this showed that all of them did not fulfill the quality guidelines established by the Venezuelan Environmental Norm. Therefore, it is necessary to install a wastewater treatment plant in order to achieve the required quality level of the effluent. After wastewater characterization, an activated sludge treatment system was simulated at laboratory scale, using four biological continuous reactors with different residence times (8, 12, 16 and 20h). The biokinetic constants were calculated as K= 0.0046L/(mgDQO·d) with a correlation coefficient of 91,4%; Y_T= 0.5442mgSSV/mgDQO and K_d= 0.1175/day, both with correlations of 93.9%.

RESUMO

Em virtude da falta de informação básica, em particular os valores das constantes bio-cinéticas, para desenhar os sistemas de tratamento biológico das águas residuais produzidas por plantas processadoras de caranguejos, camarões e conservas de peixe, se realizou um estudo de tratabilidade biológica dos efluentes de uma planta processadora de caranguejos, localizada no Município São Francisco, Estado Zulia, Venezuela. Determinou-se uma vazão de água residual, gerado na usina, de 7,81L/kg de caranguejo processado, com uma vazão média de descarga de 214775L/día. Caracterizaram-se amostras dos efluentes da usina para determinar sua qualidade e se encontrou que os parâmetros analisados, na sua maioria, estiveram fora dos limites estabelecidos pela normativa ambiental venezuelana para descargas em corpos de água. Os resultados indicam que é necessária a instalação de um sistema de tratamento que melhore a qualidade dos efluentes descarregados. Realizou-se um estudo experimental em escala laboratório do sistema de tratamento mediante lodos ativados empregando reatores biológicos contínuos, para quatro tempos de residência (8, 12, 16 e 20h), e se determinaram as constantes bio-cinéticas. Os resultados indicam que o valor das constantes bio-cinéticas do sistema são K= 0,0046L/(mgDQO·d) com coeficiente de correlação de 91,4%; YT= 0,5442 mgSSV/mgDQO e Kd= 0,1175 d-1 ambas com correlação de 93,9%.

PALABRAS CLAVE / Aguas Residuales / Cangrejos / Constantes Biocinéticas / Lodos Activados /

En el Estado Zulia, Venezuela, están establecidas empresas procesadoras de cangrejos así como de otras especies acuáticas que se han venido desarrollando sostenidamente en los últimos años. El Lago de Maracaibo se caracteriza por ser esencialmente un cuerpo de agua dulce con características estuarinas, debido a la particularidad de tener comunicación con el Golfo de Venezuela. Ello permite el intercambio de fauna entre las dos zonas, de modo que muchas especies marinas cumplen su ciclo de crecimiento en el lago. Entre el considerable número de especies que se pueden encontrar en el Lago de Maracaibo se halla el cangrejo azul (Callinectes sapidus) el cual, gracias a las características propias de la región, las grandes poblaciones de esta especie y su gran abundancia, hace muy rentable su captura y procesamiento. En vista de la demanda de este producto, el crecimiento acelerado de la industria cangrejera ha traído como consecuencia la instalación de plantas de procesamiento, la mayoría de las cuales carecen de sistemas de tratamiento para procesar sus aguas residuales. De acuerdo al esquema de procesamiento que se utiliza en las plantas instaladas (Figura 1), las características de sus efluentes difieren de los generados en industrias instaladas en otros países, cuyos sistemas de tratamiento de aguas residuales han sido diseñados considerando dichas características; en consecuencia, no es posible adoptar los mismos parámetros de diseño y soluciones técnicas para adecuar los efluentes y cumplir con lo establecido en la normativa legal vigente (Acevedo y Flores, 2003; ICLAM, 2004).

En el caso de las industrias instaladas en el Lago de Maracaibo no se conocen estudios de tratabilidad biológica y menos aún las constantes biocinéticas para dichos sistemas de tratamiento. En consideración de esta situación y atendiendo a la necesidad de diseñar e instalar sistemas de tratamiento de aguas residuales a cada una de estas industrias surge la necesidad de realizar estudios de tratabilidad biológica y la determinación de las constantes biocinéticas que permitan proyectar los sistemas de tratamiento para empresas con similares tipos de efluentes, caso particular de las empresas procesadoras de cangrejo azul (Meléndez y Rodríguez, 2002; ICLAM, 2004).

Se ha propuesto realizar un estudio de tratabilidad biológica por lodos activados de los efluentes de una industria típica de procesamiento de cangrejo azul (C. sapidus) con una capacidad promedio de 27500kg/día, ubicada en el Municipio San Francisco, y determinar las constantes biocinéticas que puedan ser aplicadas para el diseño de los sistemas de tratamiento que deberán ser instalados con características similares a la estudiada. Para ello se evaluó el proceso productivo de la planta procesadora de cangrejo azul y se determinó el volumen de agua residual que se genera por kg de cangrejo procesado; luego se caracterizaron muestras de aguas residuales industriales y domésticas de dicha planta, y se simuló a escala de laboratorio el proceso de tratamiento biológico mediante lodos activados, a cuatro diferentes tiempos de residencia y concentraciones de lodo fijas, con la finalidad de obtener los parámetros necesarios para calcular las constantes biocinéticas de crecimiento (Y_T), de utilización del sustrato (K) y de respiración endógena (k_d), para permitir desarrollar con base en las mismas el diseño de un sistema de tratamiento para la planta.

El estudio experimental consistió en la caracterización de los efluentes combinados, procedentes de las salas de procesamiento de cangrejos y los de origen humano, para lo cual se realizó la determinación de los caudales de la planta, la caracterización de los principales efluentes, tanto de muestras compuestas como de muestras puntuales y la simulación a escala de laboratorio del proceso de lodos activados para tratar la mezcla compuesta de las aguas residuales de la planta. Se emplearon cuatro tiempos de residencia, manteniendo la misma concentración de lodos en todos los reactores y se determinaron las constantes biocinéticas del proceso, con las cuales es posible diseñar el sistema de tratamiento de lodos activados para tratar los efluentes de la planta procesadora de cangrejos.

Se seleccionaron 4 puntos de captación de muestras que abarcaron los efluentes de las salas de procesos (denominado Canal Central), efluentes de aguas negras, que a su vez reúne los efluentes provenientes de la sección de recepción de la empresa (Aguas Negras), efluentes provenientes del área de lavandería (Lavandería) y el efluente proveniente de la sección de cocinado de los cangrejos (Autoclave). Esta última fue tomada en un tanque que recoge el vapor condensado de las autoclaves una vez realizado el proceso de cocción de los cangrejos. Para la estimación de los caudales de las aguas residuales generadas, se consideró un día de procesamiento en la planta y se aforó cada una de las corrientes. La caracterización de los efluentes se realizó en muestras compuestas que fueron tomadas a intervalos de 2h, entre las 8:00am y las 6:00pm, para un total de 6 captaciones al día, repitiendo las tomas en 3 días distintos de operación de la planta. Las muestras fueron identificadas según las horas y puntos de muestreo y envasadas en botellas de plástico de 1L, sin agregar aditivos, y refrigeradas a 4ºC, para ser sometidas luego a análisis físicoquímicos. Las determinaciones se hicieron por duplicado según especificaciones y procedimientos del Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. Los ensayos realizados se resumen en la Tabla I.

En la fase de simulación del sistema de lodos activados a escala de laboratorio se emplearon reactores de mezcla completa (Figura 2). Los ensayos se realizaron para cuatro tiempos de residencia (8, 12, 16 y 20h) y una concentración de sólidos suspendidos volátiles igual para todos los reactores (SSVLM ~2400mg/L) en una muestra obtenida de una planta de tratamiento de aguas residuales domésticas ubicada en el Municipio Miranda de la Costa Oriental del Lago de Maracaibo. Los cuatro tiempos de residencia fueron seleccionados con el fin de tener diferentes edades de lodo y relaciones F/M (relación alimento/microorganismo), a fin de obtener varios puntos y poder ajustar la curva a fin de determinar las constantes biocinéticas (Ros y Mejac, 1991). En cada uno de los reactores se determinó diariamente la demanda química de O₂ (DQO) y los sólidos suspendidos volátiles (SSV) en el sistema, hasta que los parámetros se mantuvieron relativamente constantes. A partir de este momento se consideró que el lodo se encontraba aclimatado. El período experimental con los reactores tuvo una duración total de dos meses.

El diseño de los reactores se basó en el modelo de Eckenfelder y Wesley (1980). Dichos reactores estaban conformados por tanques de plexiglass de ~10L, con una cámara de aireación (~7L) y una de sedimentación (~3L) separadas por una pantalla de altura ajustable o guillotina. La alimentación de las aguas residuales a los reactores se realizó por el tope de la superficie líquida de la cámara de aireación, a una tasa de flujo controlada para garantizar el tiempo de residencia en cada reactor, hasta lograr la estabilidad del lodo en cada uno de los sistemas. La guillotina que separa las dos cámaras actúa como una compuerta que solo permite el paso del licor mezclado desde la cámara de aireación hacia el sedimentador, y en contracorriente permitía el retorno del lodo espesado a través de una abertura de 1,5cm entre el fondo del sedimentador y el extremo inferior de la guillotina. En la cámara de aireación el agua residual se mezclaba completamente para mantener el contacto de los compuestos orgánicos presentes en las aguas con la suspensión de microorganismos; la cámara de sedimentación permitía que los microorganismos se acumularan en el fondo y se separaran del agua residual tratada. El agua residual cruda era bombeada constantemente hacia la entrada de los reactores, al igual que el agua tratada era removida de la zona de sedimentación por rebose. El aire se suministraba uniformemente a la cámara de aireación, mediante un difusor plástico con una serie de agujeros en varios puntos del reactor, promoviendo así la mezcla completa en esta sección y manteniendo las condiciones aerobias necesarias. El afluente que alimentaba a cada uno de los reactores era previamente preparado mediante la realización de mezclas compuestas de las distintas aguas residuales de la planta procesadora de cangrejos, de forma tal de mantener la proporcionalidad de las aguas a tratar. El proceso de simulación de tratamiento de lodos activados en flujo continuo a escala de laboratorio se realizó de acuerdo a la metodología descrita por Eckenfelder y Wesley (1980) y Metcalf-Eddy (1996).

Una vez establecidos los tiempos de residencia y la concentración de sólidos suspendidos volátiles en el licor mezclado (SSVLM ~2400mg/L) en cada uno de los reactores, se inició la aclimatación mediante la alimentación continua de la mezcla compuesta de los efluentes de la planta procesadora de cangrejos. El tiempo requerido para que los lodos se aclimataran fue de una semana. A partir de ese momento se realizaron los análisis físicoquímicos necesarios para la evaluación del sistema y la determinación de las constantes mediante el modelo de Benefield y Randall (1980). Las ecuaciones empleadas fueron

 (1)

para la determinación de la constante biocinética K. La Ec. 1 representa una línea recta con pendiente K cuando se graficó Q(S_o-S_e)/XV_a versus S_e; y

(2)

para la determinación de las constantes biocinéticas Y_T y K_d. La Ec. 2 representa una línea recta con pendiente 1/Y_T e intercepto K_d/Y_T cuando se graficó Q (S_o-S_e)/X·V_a versus m.

Con base en los resultados de los análisis realizados, se procesaron los datos y se ajustaron las rectas que sirvieron para determinar los valores de Y_T, K y K_d.

Mediciones de caudal del agua de proceso y de aguas negras. Los caudales registrados a cada hora para el efluente del agua de proceso (Canal Central) y el de aguas negras se presenta en la Figura 3, donde se aprecian las variaciones de los caudales durante el día. Para la determinación del caudal acumulado en un día para cada corriente se aplico el método de Simpson (Eckenfelder y Wesley, 1980), obteniéndose 67860L/d para las aguas de procesos y 46953L/d para las aguas negras.

Mediciones de caudales procedentes de autoclaves y lavandería. La descarga de agua generada por los autoclaves de la sección de cocinado y las lavadoras es puntual, siendo la descarga de cada autoclave de 40L por carga. Para un día de medición se realizaron 42 cocinadas, por lo que el caudal generado por los autoclaves fue de 1680L/día. La sección de lavandería cuenta con dos lavadoras domésticas y una industrial. Las lavadoras domésticas utilizan 176L por carga cada una, y la lavadora industrial ~600L. Para el día en que se realizó la medición de los caudales se utilizó 12 veces una de las lavadoras pequeñas y tres veces la lavadora industrial, lo que representó un volumen de 3912L/día.

Relación agua residual generada/kg de cangrejos procesados. El volumen total de agua residual generada durante el día fue de 120405L/día, y fueron procesados 15412kg de cangrejos, por lo que la relación entre la cantidad de agua requerida por kg de cangrejo procesado es de 7,81L/kg.

Caracterización de los efluentes. Para cada día de operación estudiado se realizó, además de la caracterización de los efluentes totales de la planta (Tabla II), un estudio del comportamiento de los efluentes del canal central y de las aguas negras a lo largo de la jornada de trabajo.

Durante un día de procesamiento de cangrejos la temperatura de los efluentes de la lavandería registró valores por encima de la temperatura de las aguas del cuerpo de agua receptor, la cual esta alrededor de los 28°C, mientras que la temperatura para las aguas negras y aguas del canal central corresponden a la temperatura ambiente promedio. Según la normativa vigente en Venezuela, la temperatura de descarga no debe superar 3°C con respecto al cuerpo receptor, por lo que ningún efluente presenta valores fuera de los límites permitidos. Para un sistema de tratamiento de lodos activados las temperaturas óptimas de operación se deben encontrar entre 25 y 35°C (Gaceta, 1995).

En cuanto al pH de los efluentes se tiene que las aguas provenientes de lavandería registraron valores alcalinos, mientras que los demás efluentes mostraron pH ~7. Esto se corresponde con la naturaleza de las aguas, ya que provienen de las distintas áreas de proceso y baños. Los resultados indican que las aguas pueden ser tratadas por medios biológicos sin ningún tipo de pretratamiento.

En efluentes alcalinos de la lavandería solo se observa una alta concentración de carbonatos y bicarbonatos, mientras que el resto de los efluentes analizados muestran que la alcalinidad fenolftaleínica es de cero, lo que significa que es debida únicamente por la presencia de bicarbonatos. Para el funcionamiento óptimo de un sistema de tratamiento de lodos activados, es recomendable que la alcalinidad en la alimentación sea suficiente como para amortiguar la disminución del pH que ocurre en el reactor a causa de la producción de CO₂ El rango óptimo de pH debe mantenerse entre 6,5 y 8,5 (Spencer, 1990; Huidobro et al., 1993; Calderón y Ramírez, 2004).

La DBO_5,20 se midió únicamente a la mezcla compuesta, resultando un valor de 240mg/L. Al compararlo con el valor de la DQO se puede determinar la factibilidad de la utilización de procesos biológicos para la depuración de esta agua residual. Además, indica el alto poder contaminante de estas últimas.

Las concentraciones de sólidos totales resultaron mayores en las aguas de lavandería y autoclaves. Actualmente se cuenta en la planta con sistemas de remoción de sólidos por medio de rejillas metálicas y sedimentadores que los retienen antes de ser descargados, lo que se refleja en las bajas concentraciones de sólidos sedimentables presentados en la Tabla II.

La concentración de nutrientes, referidos a la concentración de N y P muestra que la mezcla compuesta está dentro de los límites permisibles (Gaceta, 1995) para ser descargados en el cuerpo de agua receptor (40mg/L para N y 10mg/L para P). Sin embargo, son valores relativamente altos. Los resultados demuestran que el efluente a tratar contiene todos los nutrientes y micronutrientes necesarios para mantener los procesos biológicos implícitos en un sistema de lodos activados, lo que es de esperar por tratarse de una planta procesadora de cangrejos con elevados niveles de nutrientes.

Tratabilidad biológica. Los resultados de los análisis físicoquímicos realizados durante la simulación del sistema de tratamiento a escala del laboratorio se presentan en la Tabla III. La evaluación se realizó una vez logradas condiciones pseudoestacionarias y se consideró que el sistema se encontraba aclimatado para los tiempos de residencia evaluados. Los resultados indican la factibilidad del uso de tratamientos biológicos para la depuración de aguas residuales de procesadoras de cangrejos, manteniéndose las eficiencias de remoción de DBO por encima del 90% para todas las condiciones estudiadas. Así mismo, las remociones de la DQO fueron superiores al 70%.

Durante la fase experimental se utilizaron también tiempos de residencia relativamente altos (12, 16 y 20h) con el fin de simular condiciones de aireación extendida y mantener el crecimiento del biomasa en forma controlada. Los resultados demuestran que el sistema operó satisfactoriamente sin que existiera acumulación de lodo en el sistema ni la necesidad de hacer purga. Además, se observó que para tiempos de residencia altos, mayor era la remoción de carga orgánica y, por ende, mayor la eficiencia del sistema.

Constantes biocinéticas. Los valores en la Tabla IV corresponden a los parámetros utilizados para la construcción de las gráficas que permitieron determinar las constantes biocinéticas del sistema (Benefield y Randall, 1980; Torres, 1990; Finamore, 1999).

Para la determinación de las constantes biocinéticas K, Y_T, K_d se hizo uso de las Figuras 4 y 5. En la Figura 4 se aprecia la recta ajustada con los datos obtenidos experimentalmente. Cada punto corresponde a cada tiempo de residencia estudiado (8, 12, 16 y 20h) y los mismos fueron escogidos de acuerdo al comportamiento del sistema para un día específico. Es decir, para todos los tiempos de residencia evaluados se obtuvieron diariamente datos que podían incluirse en esta figura; sin embargo, se seleccionaron aquellos datos en donde se observó que el comportamiento de los reactores era relativamente estable en la producción de lodo y remoción de sustrato (condiciones pseudoestacionarias) y representaran así adecuadamente al sistema en estudio.

Es normal que los puntos de la Figura 4 no formen una línea recta con correlación de R²=1, ya que en los sistemas de lodos activados no se consigue el estado estacionario sino que se alcanza un estado pseudoestacionario por la naturaleza misma del proceso y la variabilidad de la concentración de carga orgánica en la alimentación. La pendiente de la recta representa el valor de la constante de utilización de sustrato K, cuyo valor es 0,0046L/mgDQO·día. Debido a que se está determinando el valor de K en términos de DQO, el intercepto de esta recta no pasará por el origen del eje de coordenadas. El intercepto de la recta con el eje de las ordenadas indica la concentración soluble no biodegradable del agua en tratamiento, que para este caso es de 17mgDQO/L. Análogamente, de la Figura 5 surgen los valores de la constante de crecimiento, Y_T, y de la constante de respiración endógena, K_d. Cada punto se corresponde con cada tiempo de residencia estudiado y los mismos fueron seleccionados en el momento en que se observó que el funcionamiento del sistema se encontraba en condiciones relativamente estables y representaba el comportamiento del mismo en forma satisfactoria (Benefield y Randall, 1980; Romero, 2000).

La correlación obtenida, para el ajuste de la línea recta mediante mínimos cuadrados fue de 0,9393. La pendiente de esta recta representa el inverso de la constante de crecimiento Y_T. Partiendo de esto, se tiene que Y_T= 0,5442mgSSV/mgDQO. El intercepto de la recta con el eje de las abscisas representa la relación K_d/Y_T, y de allí se obtiene que K_d= 0,1175·día^-1. En la Tabla V se presentan los valores correspondientes de K, Y_T y K_d.

Para el caso de plantas procesadoras de cangrejos con esquemas de procesamiento similares a los indicados en este estudio, la generación de aguas residuales por kg de cangrejo procesado es de 7,48. Este tipo de aguas residuales son susceptibles de tratamiento biológico alcanzando una depuración eficiente. Las constantes que regulan su funcionamiento son K= 0,0046 L/(mgDQO·d^-1) con coeficiente de correlación del 91,4%; Y_T= 0,5442 mgSSV/mgDQO y K_d= 0,1175·d^-1, ambas con coeficientes de correlación de 93,9%.

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