marco de referencia - American Biosystems
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marco de referencia - American Biosystems
EVALUACIÓN DE LOS PRODUCTOS BIOLÓGICOS DE LAS SERIES ACCELOBAC Y NS PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE UNA CURTIEMBRE DE SAN BENITO MÓNICA ARDILA GALVIS NATALIA MARTÍNEZ ENCISO FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTÁ D.C. 2009 EVALUACIÓN DE LOS PRODUCTOS BIOLÓGICOS DE LAS SERIES ACCELOBAC Y NS PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE UNA CURTIEMBRE DE SAN BENITO MÓNICA ARDILA GALVIS NATALIA MARTÍNEZ ENCISO Trabajo Integral de Grado para optar al título de Ingeniero Químico Director José Orlando Cucunuba Pulgarín Ingeniero Químico FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTÁ D.C. 2009 Nota de aceptación ______________________ ______________________ ______________________ ______________________ ______________________ ______________________ ______________________ Firma Presidente del Jurado _______________________ Firma Jurado _______________________ Firma Jurado Bogotá D.C., Agosto de 2009 3 DIRECTIVAS DE LA UNIVERSIDAD Presidente de la Universidad y Rector del Claustro Dr. JAIME POSADA DIAZ Vicerrector de Desarrollo y de Recursos Humanos Dr. LUIS JAIME POSADA GARCÍA PEÑA Vicerrectora Académica y de Posgrados Dra. ANA JOSEFA HERRERA VARGAS Decano Facultad de Ingenierías Dr. JULIO CÉSAR FUENTES ARISMENDI Director Departamento de Ingeniería Química Dr. LEONARDO DE JESÚS HERRERA GUTIERRÉZ 4 La responsabilidad de los conceptos emitidos en éste escrito es exclusiva de sus autores. 5 A mis padres y mi hermano, por cada paso que dieron a mi lado brindandome el amor, la fortaleza y respaldo necesarios para que los esfuerzos realizados culminaran en lo que soy hoy en día. Al amor de mi vida, por hacerme ver la realidad mostrandome la importancia de tomar decisiones acertadas para la vida y por brinadarme siempre el amor que me da felicidad. A mi familia y amigos, porque sus consejos, apoyo y cariño incondicional me alentaron a culminar esta meta y me llevan a alcanzar las que vienen de acá en adelante. A mi guegua que desde el cielo es mi guía, aquella que me acompaña y me acompañará siempre. MÓNICA ARDILA GALVIS A mis padres, porque después de muchos esfuerzos compartidos llegar a la meta de este largo camino es el fruto del amor la formación, y la fe que depositaron en mí. A mi tesoro, por creer en mis sueños y apoyarlos y porque todo el amor que me brinda se convirtió en mi fortaleza y mi luz en los momentos más oscuros. A mi familia y amigos, porque su cariño y sus voces de aliento fueron vitales para culminar exitosamente este proceso. NATALIA MARTÍNEZ ENCISO 6 AGRADECIMIENTOS A Dios por iluminar nuestro camino y ayudarnos a superar los obstáculos. Al Ingeniero Pedro Rivera, por creer en este proyecto y por su apoyo incondicional. Al Ingeniero Gustavo Camelo, por todos los conocimientos brindados, por su ayuda y contribución para lograr este proyecto. A nuestro Director Orlando Cucunuba, por su guia y orientación en el desarrollo de este proyecto. A nuestra orientadora Elizabeth Torres por ser nuestra consejera y guía incondicional, por su continua motivación durante este proceso. A nuestro compañero Santiago Delgado por su colaboración, por su paciencia y por su amistad. 7 CONTENIDO pág. INTRODUCCIÓN 31 1. GENERALIDADES 32 1.1 SITUACIÓN ACTUAL DE LAS CURTIEMBRES DE SAN BENITO 32 1.1.1 Características generales de los residuos líquidos de las curtiembres 33 1.2 DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA CURTIEMBRE ESTUDIADA 34 1.3 MARCO TEÓRICO 46 1.3.1 Composición química del cuero 46 1.3.2 Principales tipos de cuero 47 1.3.3 Descripción del proceso de curtición 49 1.3.4 Impacto ambiental del proceso de curtido para el recurso hídrico 54 1.3.5 Descripción general de procesos de tratamiento de aguas residuales industriales 56 1.4 MARCO LEGAL 61 1.4.1 Resolución 1074/97 61 1.4.2 Resolución 3957/09 62 1.5 MICROORGANISMOS PRESENTES EN LOS PRODUCTOS BIOLÓGICOS 63 1.5.1 Microorganismos 63 1.5.1.1 Bacillus subtilis 63 1.5.1.2 Bacillus licheniformis 64 8 1.5.1.3 Bacillus polymyxa 64 1.5.1.4 Bacillus megaterium 64 1.5.1.5 Aspergillus oryzae 64 1.5.1.6 Arthrobacter 65 1.5.1.7 Nocardia 65 1.5.2 Enzimas 65 1.5.2.1 Amilasa 65 1.5.2.2 Protesa 66 1.5.2.3 Lipasa 66 1.5.3 Acción microbiológica y enzimática en la degradación de contaminantes 67 2. MATERIALES Y MÉTODOS 68 2.1 MATERIALES 68 2.1.1 Tipo de agua 68 2.1.2 Productos biológicos 68 2.1.2.1 Maintain D 69 2.1.2.2 Accelobac 5000 70 2.1.2.3 NS 70 2.1.2.4 Mezclas NS/MAINTAIN D (80:20) y NS/ACCELOBAC 5000 (80:20) 71 2.2 MÉTODOS 71 2.2.1 Operaciones de pre-tratamiento 71 2.2.2 Activación de bacterias 72 9 2.2.3 Seguimiento del porcentaje de remoción mediante el método de DQO 72 3. DESARROLLO EXPERIMENTAL 75 3.1 PRUEBAS PRELIMINARES 76 3.1.1 Discusión de resultados pruebas preliminares 79 3.2 PRUEBAS INICIALES 80 3.2.1 Agua con mayor proporción de pelambre 80 3.2.2 Agua con mayor proporción de curtido 81 3.3 PRUEBAS AGITACIÓN 82 3.3.1 Agua con mayor proporción de pelambre 83 3.3.2 Agua con mayor proporcion de curtido 84 3.4 PRUEBAS CONCENTRACIÓN 86 3.4.1 Agua con mayor proporción de pelambre 86 3.4.2 Agua con mayor proporción de curtido 87 3.5 PRUEBAS TEMPERATURA 89 3.5.1 Agua con mayor proporción de pelambre 89 3.5.2 Agua con mayor proporción de curtido 91 3.6 PRUEBAS CONDICIONES ANAEROBIAS 92 3.6.1 Agua con mayor proporción de pelambre 93 3.6.2 Agua con mayor proporción de curtido 94 4. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 96 4.1 PRUEBAS INICIALES 96 10 4.1.1 Agua con mayor proporción de pelambre 96 4.1.2 Agua con mayor proporción de curtido 97 4.2 PRUEBAS AGITACIÓN 98 4.2.1 Agua con mayor proporción de pelambre 98 4.2.2 Agua con mayor proporción de curtido 98 4.3 PRUEBAS CONCENTRACIÓN 99 4.3.1 Agua con mayor proporción de pelambre 99 4.3.2 Agua con mayor proporción de curtido 100 4.4 PRUEBAS TEMPERATURA 101 4.4.1 Agua con mayor proporción de pelambre 101 4.4.2 Agua con mayor proporción de curtido 102 4.5 PRUEBAS CONDICIONES ANAEROBIAS 103 4.5.1 Agua con mayor proporción de pelambre 103 4.5.2 Agua con mayor proporción de curtido 103 4.6 DISCUSIÓN DE RESULTADOS 104 5. INGENIERÍA BÁSICA 106 5.1 DISEÑO DE BOMBA CENTRÍFUGA MULTIETAPA DE DOBLE SUCCIÓN 110 5.2 DISEÑO DEL FILTRO PERCOLADOR 112 5.3 DISEÑO DE TUBERÍAS 116 6. ANÁLISIS FINANCIERO DEL PROYECTO 117 6.1 COSTOS DEL TRATAMIENTO DE AGUAS IMPLEMENTADO ACTUALMENTE 117 11 6.2 COSTOS DEL TRATAMIENTO DE AGUAS PROPUESTO 117 6.3 SANCIONES Y MEDIDAS PREVENTIVAS 118 6.4 RENTABILIDAD DEL PROYECTO 119 6.5 FLUJOS DE CAJA DEL TRATAMIENTO DE AGUAS ACTUAL 120 6.6 FLUJOS DE CAJA DEL TRATAMIENTO DE AGUAS PROPUESTO 122 7. CONCLUSIONES 124 8. RECOMENDACIONES 125 BIBLIOGRAFIA 126 ANEXOS 128 12 LISTA DE TABLAS pág. Tabla 1. Características generales de los residuos líquidos de las curtiembres de San Benito 34 Tabla 2. Impacto ambiental del proceso de curtido para el recurso hídrico 56 Tabla 3. Estándares ambientales en materia de vertimientos industriales 62 Tabla 4. Valores de referencia requeridos para los vertimientos de las curtiembres, según nueva resolución 63 Tabla 5. Descripción técnica del producto biológico Accelobac 5000 70 Tabla 6. Pruebas preliminares: Prueba 1. Datos para el cálculo de DQO 76 Tabla 7. Pruebas preliminares: Prueba 1. Resultados con producto biológico NS 77 Tabla 8. Pruebas preliminares: Prueba 1. Resultados con producto biológico Maintain D 77 Tabla 9. Pruebas preliminares: Prueba 1. Resultados con producto biológico Accelobac 5000 77 Tabla 10. Pruebas preliminares: Prueba 2. Resultados 78 Tabla 11. Pruebas preliminares: Prueba 3. Resultados 79 Tabla 12. Pruebas iniciales. Agua con mayor proporción de pelambre 81 Tabla 13. Pruebas iniciales. Agua con mayor proporción de curtido 82 Tabla 14. Pruebas agitación. DQO antes de tratamiento con productos biológicos. Agua con mayor proporción de pelambre 83 Tabla 15. Pruebas agitación. Agua con mayor proporción de pelambre 84 Tabla 16. Pruebas agitación. DQO antes de tratamiento con productos biológicos. Agua con mayor proporción de curtido 85 13 Tabla 17. Pruebas agitación. Agua con mayor proporción de curtido 85 Tabla 18. Pruebas concentración. DQO antes de tratamiento con productos biológicos. Agua con mayor proporción de pelambre 86 Tabla 19. Pruebas concentración. Agua con mayor proporción de pelambre 87 Tabla 20. Pruebas concentración. DQO antes de tratamiento con productos biológicos. Agua con mayor proporción de curtido 88 Tabla 21. Pruebas concentración. Agua con mayor proporción de curtido 88 Tabla 22. Pruebas temperatura. DQO antes de tratamiento con productos biológicos. Agua con mayor proporción de pelambre 90 Tabla 23. Pruebas temperatura. Agua con mayor proporción de pelambre 90 Tabla 24. Pruebas temperatura. DQO antes de tratamiento con productos biológicos. Agua con mayor proporción de curtido 91 Tabla 25. Pruebas temperatura. Agua con mayor proporción de curtido 91 Tabla 26. Pruebas condiciones anaerobias. DQO antes de tratamiento con productos biológicos. Agua con mayor proporción de pelambre 93 Tabla 27. Pruebas condiciones anaerobias. Agua con mayor proporción de pelambre 93 Tabla 28. Pruebas condiciones anaerobias. DQO antes de tratamiento con productos biológicos. Agua con mayor proporción de curtido 94 Tabla 29. Pruebas condiciones anaerobias. Agua con mayor proporción de curtido 95 Tabla 30. Costos fijos mensuales del tratamiento de aguas implementado actualmente 117 Tabla 31. Inversión del tratamiento de aguas propuesto 118 Tabla 32. Costos fijos mensuales del tratamiento de aguas propuesto 118 14 LISTA DE GRÁFICAS pág. Gráfica 1. Actividad de los microorganismos contenidos en los productos biológicos a varios valores de pH 69 Gráfica 2. Actividad de los microorganismos contenidos en los productos biológicos a varias temperaturas 69 Gráfica 3. Pruebas iniciales. % Remoción Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de pelambre. 100 ppm de producto biológico 81 Gráfica 4. Pruebas iniciales. % Remoción Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de curtido. 100 ppm de producto biológico 82 Gráfica 5. Pruebas agitación. % Remoción Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de pelambre. 100 ppm de producto biológico 84 Gráfica 6. Pruebas agitación. % Remoción Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de curtido. 100 ppm de producto biológico 85 Gráfica 7. Pruebas concentración. % Remoción Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de pelambre. 50 ppm de producto biológico 87 Gráfica 8. Pruebas concentración. % Remoción Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de curtido. 50 ppm de producto biológico 88 Gráfica 9. Pruebas temperatura. % Remoción Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de pelambre. 100 ppm de producto biológico 90 Gráfica 10. Pruebas temperatura. % Remoción Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de curtido. 100 ppm de producto biológico 92 Gráfica 11. Pruebas condiciones anaerobias. % Remoción Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de pelambre. 100 ppm de producto biológico 94 Gráfica 12. Pruebas condiciones anaerobias. % Remoción Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de curtido. 100 ppm de producto biológico 95 Gráfica 13. Pruebas iniciales. DQO Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de pelambre. 100 ppm de producto biológico 97 15 Gráfica 14. Pruebas iniciales. DQO Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de curtido. 100 ppm de producto biológico 97 Gráfica 15. Pruebas agitación. DQO Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de pelambre. 100 ppm de producto biológico 98 Gráfica 16. Pruebas agitación. DQO Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de curtido. 100 ppm de producto biológico 99 Gráfica 17. Pruebas concentración. DQO Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de pelambre. 50 ppm de producto biológico 100 Gráfica 18. Pruebas concentración. DQO Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de curtido. 50 ppm de producto biológico 101 Gráfica 19. Pruebas temperatura. DQO Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de pelambre. 100 ppm de producto biológico 102 Gráfica 20. Pruebas temperatura. DQO Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de curtido. 100 ppm de producto biológico 102 Gráfica 21. Pruebas condiciones anaerobias. DQO Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de pelambre. 100 ppm de producto biológico 103 Gráfica 22. Pruebas condiciones anaerobias. DQO Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de curtido. 100 ppm de producto biológico 104 Gráfica 23. Flujo de caja inicial del tratamiento de aguas actual 120 Gráfica 24. Flujo de caja neto del tratamiento de aguas actual 121 Gráfica 25. Flujo de caja inicial del tratamiento de aguas propuesto 122 Gráfica 26. Flujo de caja neto del tratamiento de aguas propuesto 123 16 LISTA DE FIGURAS pág. Figura 1. Diagrama de bloques del procesamiento de cueros en la curtiembre 38 Figura 2. Diagrama de flujo del procesamiento de cueros en la curtiembre 39 Figura 3. Diagrama de proceso del procesamiento de cueros en la curtiembre 40 Figura 4. Plano de distribución de la curtiembre 41 Figura 5. Diagrama de bloques del tratamiento de aguas residuales actual 43 Figura 6. Diagrama de flujo del tratamiento de aguas residuales actual 43 Figura 7. Diagrama de proceso del tratamiento de aguas residuales actual 44 Figura 8. Plano del tratamiento de aguas actual 45 Figura 9. Diagrama de bloques de los métodos llevados a cabo para la realización del desarrollo experimental 73 Figura 10. Diagrama de flujo de los métodos llevados a cabo para la realización del desarrollo experimental 74 Figura 11. Diagrama de bloques del tratamiento de aguas propuesto 107 Figura 12. Diagrama de flujo del tratamiento de aguas propuesto 107 Figura 13. Diagrama de proceso del tratamiento de aguas propuesto 108 Figura 14. Plano del tratamiento de aguas propuesto 109 17 LISTA DE IMAGENES pág. Imagen 1. Piel verde 35 Imagen 2. Bombos para procesos de remojo, pelambre, desencalado y piquelado 35 Imagen 3. Bombo para proceso de pelambre y agua residual proveniente del mismo 35 Imagen 4. Cuero después del proceso de pelambre 35 Imagen 5. Cuero antes del proceso de descarne 35 Imagen 6. Retazos de piel provenientes del descarne 35 Imagen 7. Cuero antes del proceso de dividido 36 Imagen 8. Proceso de dividido 36 Imagen 9. Bombo para proceso de curtido y agua residual proveniente del mismo 36 Imagen 10. Cuero después del proceso de curtido 36 Imagen 11. Proceso de escurrido 36 Imagen 12. Proceso de rebajado 36 Imagen 13. Proceso de secado 37 Imagen 14. Proceso de teñido 37 Imagen 15. Pistola para proceso de teñido 37 Imagen 16. Compresor para proceso de teñido 37 Imagen 17. Proceso de planchado 37 Imagen 18. Tratamiento preliminar: Trampa de grasas 43 18 Imagen 19. Tratamiento primario: Clarificación 43 Imagen 20. Estructura de la piel 47 Imagen 21. Equipo para proceso de descarne 51 Imagen 22. Equipo para proceso de dividido 52 Imagen 23. Proceso de degradación de la materia orgánica por acción del producto biológico 67 Imagen 24. Acción enzimática en el proceso de degradación de materia orgánica 67 Imagen 25. Apariencia del producto biológico 68 Imagen 26. Geotextil no tejido punzonado de polietileno negro de alta densidad 72 Imagen 27. Geotextil no tejido punzonado de polietileno negro de alta densidad después de filtración 72 Imagen 28. Pruebas preliminares: Prueba 1 76 Imagen 29. Geotextil después de filtración del agua residual que contiene producto biológico 78 Imagen 30. Pruebas preliminares: Prueba 2 78 Imagen 31. Pruebas preliminares: Prueba 3 79 Imagen 32. Agua residual de las curtiembres sin tratar 80 Imagen 33. Agua residual de las curtiembres después de tratamiento con productos biológicos 80 Imagen 34. Pruebas de agitación por aireación 83 Imagen 35. Motor generador del aire para las pruebas de agitación 83 Imagen 36. Pruebas temperatura 89 Imagen 37. Pruebas condiciones anaerobias 92 Imagen 38. Esquema para determinar NPSH disponible 19 111 Imagen 39. Filtro percolador 115 Imagen 40. Dimensiones del Filtro percolador diseñado 116 20 LISTA DE ANEXOS pág. Anexo A. Preparación de reactivos empleados para la realización del método de DQO 129 Anexo B. Descripción del método para determinación de DQO 130 Anexo C. Ficha técnica del filtro Geotextil 131 Anexo D. Curva de pH para neutralización. Recipiente de 5 L empleado en pruebas 132 Anexo E. Curva de pH para neutralización. Tanque de 10000 L empleado en planta 133 Anexo F. Criterios de selección de bombas 134 Anexo G. Artículo 85 de la ley 99/1993 135 Anexo H. Caracterización efluentes después de trampa de grasas 137 Anexo I. Caracterización efluentes después de tratamiento biológico 138 Anexo J. Cálculos análisis financiero 139 Anexo K. Ficha técnica Accelobac 5000 140 Anexo L. Ficha técnica Maintain D 141 Anexo M. Ficha técnica NS 142 21 LISTA DE ABREVIATURAS DBO. Demanda Biológica de Oxígeno DQO. Demanda Química de Oxígeno PTAR. Plata de Tratamiento de Aguas Residuales Uma. Unidades de Masa Atómica m. metros mm. milímetros dm. decímetros m. micrómetros kg. kilogramos g. gramos mg. miligramos kPa. kilopascales atm. atmósferas kN. kilonewtons ppm. partes por millón M. molaridad p/p. porcetaje peso a peso h. horas min. minutos s. segundos gal. galones L. litros mL. mililitros lbf. libra – fuerza in. pulgada N. Newton ft. pie kW. kilo watts T. temperatura ºC. grados Celcius rpm. revoluciones por minuto FAS. Sulfato ferroso amoniaco H2O. Agua O2. Oxígeno CO2. Dióxido de carbono NaOH 50%. Soda cáustica en concentración del 50% H2SO4 98 %. Ácido sulfúrico en concentración del 98 % H. Altura de impulsión de la bomba η. Eficiencia de la bomba NPSH. Altura neta positiva de aspiración Pe. Presión en sección transversal entrada de instalación para bombas Pb. Presión atmosférica 22 PD . . gr. Hv, s. Hs geo. L D. L0(0.9). D. K. L. L0. Le. R. t. Qr. Q. n. C. C’. Av. mc. COL M $. Presión de vapor del medio bombeado Densidad del medio bombeado Gravedad Pérdidas de carga en la aspiración para bombas Altura geodésica de aspiración para bombas DBOdeseado (ppm) 90 % de la DBOinicial (ppm) Profundidad del filtro (m) Tasa de eliminación DBO aplicada tras dilución por recirculación (ppm) DBO de agua residual sin tratar (ppm) DBO del efluente (ppm) Relación de recirculación = Qr / Q Tiempo de contacto (horas) Caudal de recirculación (m3 / h) Caudal (m3 / h) exponente ecuación de tiempo de contacto Constante (m2) ecuación de tiempo de contacto Constante (m3) ecuación de C Superficie específica del medio (m2/m3) exponente ecuación de C Millones de pesos colombianos 23 GLOSARIO AGUAS RESIDUALES: cualquier tipo de agua generada en los procesos de extracción, beneficio, transformación, producción, consumo, utilización, control o tratamiento cuya calidad no permite usarla de nuevo en el proceso o actividad que la generó. ALMIDÓN: es un polisacárido que se diferencia de todos los demás carbohidratos en que, en la naturaleza se presenta como complejas partículas discretas (gránulos). Los gránulos de almidón son relativamente densos, insolubles y se hidratan muy mal en agua fría. Pueden ser dispersados en agua, dando lugar a la formación de suspensiones de baja viscosidad que pueden ser fácilmente mezcladas y bombeadas, incluso a concentraciones mayores del 35%. AMBIENTE: el conjunto de elementos naturales y artificiales o inducidos por el hombre que hacen posible la existencia y desarrollo de los seres humanos y demás organismos vivos que interactúan en un espacio y tiempo. AMILOPECTINA: es un sacárido que se diferencia de la amilosa en que contiene ramificaciones que le dan una forma molecular parecida a la de un árbol: las ramas están unidas al tronco central (semejante a la amilosa) por enlaces α-D(1,6), localizadas cada 25-30 unidades lineales de glucosa. Su peso molecular es muy alto debido a que algunas fracciones llegan a alcanzar hasta 200 millones de daltones. La amilopectina constituye alrededor del 75% de los almidones más comunes. Algunos almidones están constituidos exclusivamente por amilopectina y son conocidos como céreos. La amilopectina de patata es la única que posee en su molécula grupos éster fosfato, unidos más frecuentemente en una posición O6, mientras que el tercio restante lo hace en posición O-3. Se diferencia del glucógeno por tener las ramificaciones α-(1,6) cada 25-30 monómeros, pues éste tiene sus ramificaciones cada 8-12 unidades de glucosa. AMILOSA: es el producto de la condensación de D-glucopiranosas por medio de enlaces glucosídicos α(1,4), que establece largas cadenas lineales con 200-2500 unidades y pesos moleculares hasta de un millón; es decir, la amilosa es una α-D(1,4)-glucana cuya unidad repetitiva es la a-maltosa. Tiene la facilidad de adquirir una conformación tridimensional helicoidal, en la que cada vuelta de hélice consta de seis moléculas de glucosa. El interior de la hélice contiene sólo átomos de hidrógeno, y es por tanto lipofílico, mientras que los grupos hidroxilo están situados en el exterior de la hélice. La mayoría de los almidones contienen alrededor del 25% de amilosa. Los dos almidones de maíz comúnmente conocidos como ricos en amilosa que existen comercialmente poseen contenidos aparentes de masa alrededor del 52% y del 70-75%. 24 AMINOÁCIDOS: es una molécula orgánica con un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH; ácido). Los aminoácidos más frecuentes y de mayor interés son aquellos que forman parte de las proteínas. Todos los aminoácidos componentes de las proteínas son alfa-aminoácidos, lo que indica que el grupo amino está unido al carbono alfa, es decir, al carbono contiguo al grupo carboxilo. La unión de varios aminoácidos da lugar a cadenas llamadas polipéptidos o simplemente péptidos, que se denominan proteínas cuando la cadena polipeptídica supera los 50 aminoácidos o la masa molecular total supera las 5.000 uma. AMONIO: es un nutriente que puede causar proliferación de plantas acuáticas. Es tóxico para los peces. BACTERIA: las bacterias son microorganismos unicelulares que no poseen núcleo definido por una membrana. Tiene un solo cromosoma, son intermediarias en procesos como la fermentación, y pueden o no ser patógenas. BOMBO: tambor rotatorio, que constituye la principal tecnología utilizada en las curtiembres para lograr la correcta adhesión de las materias primas o productos químicos a las pieles. CARBOHIDRATOS: son moléculas orgánicas compuestas por carbono, hidrógeno y oxígeno. Son solubles en agua y se clasifican de acuerdo a la cantidad de carbonos o por el grupo funcional que tienen adherido. Son la forma biológica primaria de almacenamiento y consumo de energía. El término hidrato de carbono o carbohidrato es poco apropiado, puesto que estas moléculas no son átomos de carbono hidratados, es decir, enlazados a moléculas de agua, sino que constan de átomos de carbono unidos a otros grupos funcionales químicos. CARNICHE: residuos fibrosos de piel curtida al cromo o al vegetal. COLÁGENO: proteína existente en el tejido conjuntivo del cuerpo, piel, tendones, etc. Es un polipéptido fibroso cuya cadena comprende muchos aminoácidos. Tiene la propiedad de encogerse en agua caliente dentro de un intervalo específico de temperatura (63-65°C para piel de vaca). Este comportamiento es un factor crítico en el curtido, pues la temperatura de encogimiento se incrementa con la extensión del curtido. CONTAMINACIÓN: la presencia en el ambiente de uno o más contaminantes o de cualquier combinación de ellos que cause desequilibrio ecológico. CONTAMINANTE: toda materia o energía en cualquiera de sus estados físicos y formas, que al incorporarse o actuar en la atmósfera, agua, suelo, flora, fauna o cualquier elemento natural, altere o modifique su composición y condición natural. 25 CROMO: metal pesado persistente que puede causar problemas a la salud humana en altas concentraciones. CUERO: la cubierta exterior de un animal maduro o plenamente desarrollado, de gran tamaño, por ejemplo ganado vacuno y caballar. Véase Piel. Curtidos elaborados en base a lo expresado en el párrafo anterior; Cuando se utiliza con este sentido, puede complementarse con el nombre del animal, tipo de curtido, uso, etc., por ejemplo cuero de vaca; cuero de buey; cuero para correas; cuero de curtición vegetal, etc. CURTIEMBRE: es aquella industria en donde se realiza el curtido que es el proceso que convierte las pieles de los animales en cuero. Hay que quitar el pelo, curtirlas con los agentes de curtimiento y tinturarlas, para producir el cuero terminado. Las cuatro etapas del proceso de curtido de las pieles son: limpieza, curtido, recurtimiento y acabado. DBO: Demanda Biológica de Oxígeno, es un parámetro que mide la cantidad de materia susceptible de ser consumida u oxidada por medios biológicos que contiene una muestra líquida. DESBARBE: quitar el carniche, pellejo y grasa que queda en las orillas del cuero después del descrane. DESCRANADO EN PELO: consiste en quitar de la endodermis los restos del músculo y colgajos, puede efectuarse en cal crudo, a mano o en máquina de descarnar. DESEQUILIBRIO ECOLÓGICO: la alteración de las relaciones de interdependencia entre los elementos naturales que conforman el ambiente, que afecta negativamente la existencia, transformación y desarrollo del hombre y demás seres vivos. DERMIS: grupo de fibras superficiales de la piel (flor). DEXTRINAS: son un grupo de oligosacáridos de poco peso molecular producidas por la hidrólisis del almidón. Tienen la misma fórmula general que los polisacáridos pero son de una longitud de cadena más corta. La producción industrial es realizada generalmente por la hidrólisis ácida del almidón, son solubles en agua y son formadas por la degradación enzimática del almidón por ciertas bacterias, por ejemplo el bacillus. DISPOSICIÓN FINAL: acción de depositar materiales en confianmientos controlados o en rellenos sanitarios, con el fin de redicir a deshacerse de los mismos. 26 DQO: Demanda Química de Oxígeno, es un parámetro que mide la cantidad de materia orgánica susceptible de ser oxidada por medios químicos que hay en una muestra líquida. Se utiliza para medir el grado de contaminación y se expresa en mg O2/Litro. EFLUENTE: líquido resultante de un proceso de producción donde se hayan usado líquidos como componentes. ELASTINA: proteína de la piel. EMISIÓN: es la descarga de sustancias, en cualquiera de sus formas, al ambiente. ENDODERMIS: capa de la piel que está compuesta por músculo. ENZIMA: sustancias de naturaleza proteica que catalizan reacciones químicas, siempre que sea termodinámicamente posible. En estas reacciones, las enzimas actúan sobre unas moléculas denominadas sustratos, las cuales se convierten en diferentes moléculas, los productos. Casi todos los procesos en las células necesitan enzimas para que ocurran en tasas significativas. A las reacciones mediadas por enzimas se las denomina reacciones enzimáticas. FOSFATOS: son el resultado de la contaminación con Detergentes, aunque tambien con estiercol y heces. Producen eutroficación de los cuerpos de agua. FLOR: grupo de fibras superficiales de la piel. GLUCOGENO: es un polisacárido de reserva energética formado por cadenas ramificadas de glucosa; es soluble en agua, en la que forma dispersiones coloidales. Su estructura puede parecerse a la de amilopectina del almidón, aunque mucho más ramificada que ésta. Está formada por varias cadenas que contienen de 12 a 18 unidades de α-glucosas formadas por enlaces glucosídicos 1,4; uno de los extremos de esta cadena se une a la siguiente cadena mediante un enlace α-1,6-glucosídico, tal y como sucede en la amilopectina. Una sola molécula de glucógeno puede contener más de 120.000 moléculas de glucosa. GLUCOSA: es un azúcar del grupo de los monosacáridos, se obtienen a partir de la hidrólisis enzimática de almidón. La glucosa, libre o combinada, es el compuesto orgánico más abundante de la naturaleza. Es la fuente primaria de síntesis de energía de las células, mediante sus oxidación catabólica, y es el componente principal de polímeros de importancia estructural como la celulosa y de polímeros de almacenamiento energético como el almidón y el glucógeno. HIDROLASA: es una enzima capaz de hidrolizar un enlace químico y que cataliza la ruptura hidrolítica de uniones C-O, C-N, C-C, anhídridos fosfóricos, entre otros. 27 MALTOTRIOSA: es un carbohidrato, en particular un trisacárido, extraído principalmente de los azúcares de la maltosa en su descomposición por medio de la fermentación por levadura. Es uno de los derivados de esta, junto con la glucosa, la sacarosa y la fructosa. Estos azúcares influyen directamente en la producción de esteres o niveles de alcohol. MALTOSA: es un disacárido formado por dos glucosas unidas por un enlace glucosidico producido entre el oxigeno del primer carbón anomerico (proveniente de -OH) de una glucosa y el oxigeno perteneciente al cuarto carbón de la otra. Por ello este compuesto también se llama alfa glucopiranosil(1-4)alfa glucopiranosa. Al producirse dicha unión se desprende una molécula de agua y ambas glucosas quedan unidas mediante un oxígeno monocarbonílico que actúa como puente. La maltosa presenta en su estructura el OH hemiacetálico por lo que es un azúcar reductor. Se puede obtener mediante la hidrólisis del almidón y glucógeno. MATERIA PRIMA: son los materiales que no han sufrido una transformación industrial, que se incorporan a un bien durante el proceso de producción, constituyéndose en su ejemplo principal. METALES PESADOS: son un grupo de elementos químicos que presentan una densidad relativamente alta y cierta toxicidad para el ser humano. MICROORGANISMO: es un ser vivo que sólo puede visualizarse con el microscopio. Son organismos dotados de individualidad que presentan una organización biológica elemental. En su mayoría son unicelulares, aunque en algunos casos se trate de organismos compuestos por células multinucleadas, o incluso multicelulares. Dentro de los microorganismos se encuentran organismos unicelulares procariotas, como las bacterias, y eucariotas, como los protozoos, una parte de las algas y los hongos, e incluso los organismos de tamaño ultramicroscópico, como los virus. MORDENTADO: preparación de la flor de la piel para hacerla reactiva. PRECIPITACIÓN QUÍMICA: proceso en el cual se produce un sólido en una disolución por efecto de una reacción química. PRODUCTO BIOLÓGICO: es un producto que contiene cepas de microorganismos que degradan un mismo tipo de contaminante ó está hecho a base de las enzimas que segregan estos microorganismos en sus procesos metabólicos. PROTEOGLICANOS: proteína de la dermis de una piel fresca. QUERATINA: proteína contenida principalmente en el pelo. 28 SÓLIDOS SEDIMENTABLES: son aquellos sólidos que sedimentan cuando el agua se deja en reposo durante 1 hora. Se determinan volumétricamente mediante el uso del cono Imhoff. Ocasionan la formación de bancos de lodos que producen olores desagradables. SÓLIDOS SUSPENDIDOS TOTALES: es la cantidad de Sólidos que el agua conserva en suspensión despues de 10 minutos de asentamiento. Se mide en ppm. SULFURO: presenta riesgo de formación de gas sulfhídrico, el que en baja concentración genera olor desagradable y en alta concentración puede ser muy tóxico. TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE AGUA RESIDUAL: es un tipo de tratamiento que se realiza a las aguas residuales ya sean domésticas o industriales, y está basado en la acción de las enzimas que producen ciertos microorganismos para metabolizar materia orgánica. TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL: es el procedimiento, que consta de una serie de etapas que se realizan para reducir los contaminantes de las aguas provenientes de los usos domésticos o de los procesos productivos de las industrias, esto se lleva a cabo con el fin de cumplir normatividades y leyes ambientales y en algunos casos con el fin de recircular las aguas dentro de algunas etapas del proceso. 29 RESUMEN El presente trabajo se desarrolló con el fin de evaluar, para el sector de las curtiembres, una nueva alternativa de tratamiento de aguas basada en el uso de productos biológicos, los cuales contienen cepas de microorganismos selectivos que degradan la carga orgánica: grasas y proteínas. Para desarrollar esta evaluación fue necesario inicialmente determinar las características de los efluentes y los principales contaminantes contenidos en los mismos, los cuales son: sulfuros, cromo, sólidos suspendidos y sedimentables, y una carga muy elevada de materia orgánica. Posteriormente se identificaron las operaciones de pre-tratamiento requeridas para adecuar los efluentes a la aplicación de los productos biológicos, las cuáles consisten de filtración, ajuste de pH y floculación. Finalmente se desarrollaron una serie de pruebas experimentales con el fin de determinar cuál de los productos de las series ACCELOBAC y NS (que son las series que se aplican en tratamiento de aguas) presentaba un mejor desempeño en la degradación de la materia orgánica de los vertimientos. Se evaluaron y compararon los productos biológicos: MAINTAIN D, ACCELOBAC 5000, NS y mezclas de los mismos, tomando como parámetro de evaluación el porcentaje de remoción de DQO logrado después de 24 horas. Se estableció que los dos productos que logran una mayor remoción de DQO son el MAINTAIN D y la mezcla en proporción 80:20 de NS y MAINTAIN D. Habiendo seleccionado los dos productos con mejor desempeño se procedió a realizar pruebas con estos, para encontrar las condiciones más favorables para el crecimiento de los microorganismos, haciendo de esta forma más eficiente el tratamiento. Las variables que se evaluaron fueron la temperatura, la cantidad de producto biológico aplicado, y la aireación, encontrando que la condición que permite acelerar el crecimiento de los microorganismos es una temperatura de aproximadamente 45ºC. Por último se desarrolló un análisis financiero de la aplicación del tratamiento de aguas propuesto en una de las curtiembres del barrio San Benito. Palabras claves Industria de las curtiembres Aguas residuales Demanda química de oxigeno (DQO) Tratamiento biológico de aguas residuales Filtro percolador Productos biológicos (microorganismos y enzimas) selectivos Degradación de materia orgánica 30 INTRODUCCIÓN En Bogotá funcionan aproximadamente 350 curtiembres la mayoría de las cuales son microempresas que tienen implementados procesos bastante rústicos y artesanales. Estas curtiembres generan cuero que se utiliza para calzado, marroquinería y tapicería principalmente. Durante el proceso de curtido se usan productos químicos con un alto potencial contaminante, los cuales constan principalmente de ácidos fuertes, bases fuertes, tensoactivos, cromo y sulfuro de sodio. Debido a la naturaleza misma de la piel de los animales también se generan residuos sólidos ricos en grasas y proteínas que constituyen una carga orgánica muy alta. A todo esto se suma la gran cantidad de agua que se requiere en las diferentes etapas del proceso, para dar como resultado una cantidad enorme de residuos líquidos los cuales poseen una carga contaminante demasiado elevada, que finalmente será descargada en uno de los cuerpos hídricos de la ciudad de Bogotá, El río Tunjuelito. Esta es una situación bastante preocupante ante la cual se han generado una gran variedad de propuestas y posibles soluciones, la gran mayoría de las cuales se basa en tratamientos primarios de clarificación y retención de sólidos. Son muy pocas las propuestas que contemplan la posibilidad de aplicar un tratamiento biológico o secundario y las pocas que lo han hecho requieren diseñar reactores biológicos. El presente proyecto propone de manera innovadora realizar el tratamiento de los efluentes generados en las curtiembres mediante el uso de productos biológicos, después de realizar las operaciones primarias de filtración y neutralización. Estos productos traen cultivadas, y en estado de latencia 5 cepas de diferentes microorganismos los cuales producen lipasas y proteasas. La aplicación de estos productos biológicos es directa por lo cual no se requiere diseñar reactores biológicos. 31 1. GENERALIDADES 1.1 SITUACIÓN ACTUAL DE LAS CURTIEMBRES DE SAN BENITO En el Barrio San Benito, ubicado en la localidad de Tunjuelito al sur de la ciudad de Bogotá se concentra alrededor del 90% de las curtiembres de la ciudad, son aproximadamente 350 curtiembres que generan una contaminación muy elevada que afecta el suelo, el aire y el recurso hídrico, representado en este caso por el río Tunjuelito que es a donde se descargan los vertimientos generados, los cuales presentan grandes cantidades de residuos sólidos ricos en proteínas y grasas, valores de pH muy elevados, grandes cantidades de cromo y sulfuros. Como consecuencia de la descomposición de la materia orgánica, proveniente de los residuos de la piel, y la generación de sulfuros en esta zona se generan olores demasiado fuertes y desagradables que pueden percibirse aún a largas distancias; y que combinados con el mal manejo que se da a los residuos sólidos y líquidos amenazan gravemente la salud tanto de las personas que laboran en estos establecimientos como de las que residen alrededor de ellos. “Se calcula que las descargas de efluentes de estas industrias pueden consistir en un total de 4.000 metros cúbicos por día, de los cuales el 60-70% proviene de la preparación de la piel y los procesos de ribera, del 30-40% provienes de los procesos de curtido, y entre el 5 y 10% de los procesos de acabado”1. Los procedimientos y la tecnología usados en los procesos productivos de las curtiembres han sido transmitidos de generación en generación y emplean métodos muy tradicionales y artesanales. “El nivel de capacitación del personal que labora en las curtiembres es principalmente empírico, con algunas excepciones en los propietarios que han realizado estudios universitarios. La baja capacitación de la mano de obra suele disminuir la eficiencia y calidad de la producción, así como da lugar al manejo inadecuado de residuos, entre otros aspectos.”2 Por tanto a pesar de que existen gran variedad de alternativas o cambios que pueden hacerse al proceso tradicional para lograr una producción más limpia, los industriales del sector son muy escépticos o reacios a implementarlos en sus empresas. 1 TÉLLEZ M., Jairo, CARVAJAL, Roxs Mary, GAITÁN, Ana María. Aspectos toxicológicos relacionados con la utilización del cromo en el proceso productivo de curtiembres. Revisión Facultad de Medicina Universidad Nacional de Colombia, Vol. 52, Actualización Nº1. [artículo en línea]. Disponible desde Internet en: <http://www.revmed.unal.edu.co/revistafm/v52n1/v52n1ac2.htm> 2 DEPARTAMENTO TÉCNICO ADMINISTRATIVO DEL MEDIO AMBIENTE. Guía Ambiental para el sector Curtiembres. Marzo de 2004. Bogotá-Colombia: DAMA. p. 18-24 32 El principal equipo utilizado es el bombo o fulón, que consiste en un tambor que rota por medios mecánicos permitiendo así que los diferentes productos químicos que se deben aplicar a las pieles en los procesos de curtición se adhieran de forma uniforme y constante a las células y fibras de las pieles. Los locales en los que funcionan las curtiembres de San Benito son por lo general estrechos, no cumplen normas mínimas de seguridad industrial, y no poseen sectores identificados o especiales para el almacenamiento o tratamiento de residuos sólidos. No se controla de una manera cuantificable la cantidad de pieles y de reactivos que se usan en el proceso, las cantidades se determinan en base a la experiencia de los operadores, lo cual puede generar desperdicios o uso excesivo de materias primas. Tampoco existe un control eficiente o contabilidad de costos, este factor dificulta aún más la labor de concientizar a los industriales del sector acerca de los aspectos negativos, económicamente hablando, de la forma como operan sus establecimientos y de la contaminación que generan. Alrededor del 50% de las curtiembres ubicadas en San Benito no tiene implementado ningún sistema u operación para el tratamiento de los efluentes generados. Las empresas que lo han empezado a implementar usan tratamientos primarios, trampas de grasa y floculación principalmente. 1.1.1 Características generales de los residuos líquidos de las curtiembres. Los residuos líquidos procedentes de las curtiembres generalmente presental altos valores de pH, altos contenidos de cal y sulfatos libres, cromo hexavalente, sulfuros, una elevadísima demanda de oxígeno debida a la presencia de materia orgánica y grasas animales y gran cantidad de sólidos suspendidos. “Los problemas más graves son las variaciones de pH de los vertimientos que se encuentran entre 2.5 hasta valores mayores a 12, o cual afecta inevitablemente la vida acuática del río Tunjuelito y de la quebrada Chiguaza”3. También es muy importante resaltar que cuando las curtiembres no tienen implementado ningún tipo de tratamiento para los efluentes las descargas de metales pesados, especialmente cromo y sulfuros, pueden ser elevadísimas y el cromo dependiendo del estado de oxidación en el que se encuentre puede ser cancerígeno. Adicionalmente cuando las pieles son tratadas con sales para su almacenamiento, la alta concentración de sal que tienen los efluentes puede producir corrosión en 3 SECRETARIA DISTRITAL DE AMBIENTE. Archivo de noticias. Más de seis millones de pesos ahorrarían curtiembres de San Benito por apostarle al ambiente. [Artículo en línea]. Disponible en Internet en: <http://www.secretariadeambiente.gov.co/sda/libreria/php/noticias08.php?id=1040> 33 las tuberías e inhibe el tratamiento biológico. Las características de los efluentes de las diferentes curtiembres son muy similares, sin embargo los valores medidos en los parámetros como DBO, DQO, cromo, sulfuros, etc pueden variar de acuerdo a las diferencias que tengan los procesos. Se pueden tomar como referencia los parámetros mostrados en la Tabla 1, obtenidos con base en el procesamiento de una tonelada de pieles, estos valores son muy cercanos a los reportados para las condiciones propias de San Benito, en donde se manejan descargas de agua residual que oscilan entre 10 a 40 m3 por tonelada de piel fresca: Tabla 1. Características generales de los residuos líquidos de las curtiembres de San Benito 4 Parámetro pH DBO DQO Aceites y grasas Cromo total Sulfuros Sólidos Suspendidos Totales Generación/Ton de pieles crudas 12 unidades 6000 ppm 10500 ppm 1038 ppm 1480 ppm 2125 ppm 5440 ppm Norma según Resolución 1074/97 5 – 9 unidades 1000 ppm 2000 ppm 100 ppm 1.0 ppm 1.0 ppm 800 ppm 1.2 DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA CURTIEMBRE ESTUDIADA La curtiembre con la cual se desarrollaron las pruebas experimentales de este proyecto está ubicada en el barrio San Benito en la zona sur de la ciudad de Bogotá. Esta curtiembre maneja su proceso a partir de pieles frescas aplicando todas las operaciones que comprenden la curtición de pieles y los procesos de acabado que lleva a cabo son: re-curtido, escurrido, rebajado, teñido y planchado. Para llevar a cabo estas operaciones cuentan con 10 bombos, los cuales están construidos en madera y tienen capacidad de 100 pieles. Esta curtiembre es una de las únicas en el sector que cuenta con la tecnología necesaria para las operaciones de dividido, descarnado, y para los procesos de acabado estos equipos funcionan usando medios mecánicos principalmente y tienen capacidad para trabajar una piel cada uno. Esta empresa presta el servicio de alquiler de su maquinaria a otras curtiembres más pequeñas del sector. En las Imagenes 1 a la 17 se muestran los equipos que posee la curtiembre y se puede apreciar claramente la transformación que sufren las pieles durante el proceso. 4 ALZATE TEJADA, Adriana María. Proyecto Gestión Ambiental en la Industria de Curtiembre en Colombia. Anexo 1. Diagnóstico Ambiental del Sector Curtiembre en Colombia. Centro Nacional de Producción más Limpia. Febrero de 2004 34 Imagen 1. Piel verde Imagen 2. Bombos para procesos de remojo, pelambre, desencalado y piquelado Imagen 3. Bombo para proceso de pelambre y agua residual proveniente del mismo Imagen 5. Cuero antes del proceso de descarne Imagen 4. Cuero después del proceso de pelambre Imagen 6. Retazos de piel provenientes del descarne 35 Imagen 7. Cuero antes del proceso de dividido Imagen 8. Proceso de dividido Imagen 9. Bombo para proceso de curtido y agua residual proveniente del mismo Imagen 10. Cuero después del proceso de curtido Imagen 11. Proceso de escurrido Imagen 12. Proceso de rebajado 36 Imagen 13. Proceso de secado Imagen 15. Pistola para proceso de teñido Imagen 14. Proceso de teñido Imagen 16. Compresor para proceso de teñido Imagen 17. Proceso de planchado 37 En las Figuras 1 a la 3 se pueden apreciar los diagramas de bloques, flujo y proceso correspondientes a las operaciones que se aplican en esta curtiembre, y el plano de distribución de la misma se muestra en la Figura 4. Figura 1. Diagrama de bloques del procesamiento de cueros en la curtiembre RECEPCIÓN PIELES Y ALMACENAMIENTO REMOJO PELAMBRE DESCARNE DIVIDIDO DESENCALADO Y PURGA PIQUELADO Y PURGA CURTIDO PROCESOS DE ACABADO 38 Figura 2. Diagrama de flujo del procesamiento de cueros en la curtiembre RECEPCIÓN PIELES Y ALMACENAMIENTO Agua, bactericida, enzimas, Tensoactivos, Humectantes Sulfuro de sodio, cal, agua, Enzima, soda cáustica Desencalante (sales amoniacales) Enzimas, Tensoactivos REMOJO Agua residual (sangre, Grasas, proteínas, sólidos) PELAMBRE Agua residual (sulfuros, cal, pelos, carne, lodos) DESCARNE Carnaza, retazos de piel, cebo DIVIDIDO Retazos de piel DESENCALADO Agua residual (sales Amoniacales, enzimas, cal) Y PURGA Agua, Ác. Fórmico o Ác. sulfúrico PIQUELADO Agua residual ácida Agua, Formiato de sodio, Sulfato de cromo, Basificante CURTIDO Agua residual ácida (cromo como sal disuelta) Recurtientes, ceras, sulfato de cromo, pigmentos, ácido fórmico, bicarbonatos PROCESOS DE ACABADO Agua residual (grasas, cromo Como sal disuelta, ácidos, Trazas de pigmentos, ceras Y resinas poliméricas. 39 Figura 3. Diagrama de proceso del procesamiento de cueros en la curtiembre B-101 REFER ENCI A EQU IPO B-101 B-102 DS-101 DI-101 B-103 B-104 B-105 E-101 R-10 1 PL-101 B-102 DS-101 NO MBRE BOMBO GIRATORI O: REMOJO BOMBO GIRATORIO: PELAMBRE D ESCARNAD ORA DIVIDIDORA BOMBO GIRATORIO: D ESEN CALADO BOMBO GIRAT ORIO: PIQU ELADO BOMBO GIRATORIO: CURTIDO ESCURRIDORA REBAJADORA PL ANCH A CAPACID AD 10 0 Pi el es 100 Piel es 1 Pi el 1 Pi el 10 0 Pi el es 10 0 Pi el es 10 0 Pi el es 1 Pi el 1 Pi el 1 Pi el DI-101 B-103 B-104 B-105 E-101 40 R-101 PL-101 Figura 4. Plano de distribución de la curtiembre TRATAMIENTO DE AGUAS BOMBOS BOMBOS ESCURRIDORA DIVIDIDORA DESCARNADORA PLANCHA REBAJADORA ENTRADA 41 La planta de tratamiento de aguas con que cuenta actualmente la curtiembre está construida para tratar un efluente de 10 m3 al día, el tratamiento de aguas inicia empleando tanques de recolección de agua construidos en concreto que se encuentran en la parte inferior de cada bombo para almacenar el agua proveniente de cada etapa del proceso productivo, desde allí se conduce el agua a un tratamiento preliminar de trampa de grasas construida en concreto donde se eliminan los sólidos más gruesos empleando rejillas con agujeros de diferentes tamaños, se elimina el caudal por medio de bafles permitiendo el reposo del efluente, se permite por medio de flotación y diferencia de densidades la separación de los sólidos finos tales como aceites y grasas, además de permitir la circulación del agua por la parte inferior con el fin que los sólidos y líquidos flotantes permanezcan en la parte superior para facilidad en su separación, desde éste tratamiento y para los tratamientos posteriores se maneja por separado el agua con mayor proporción de pelambre y el agua con mayor proporción de curtido. Posteriormente se lleva a cabo un proceso de homogenización para el cual se emplean tanques en concreto, allí mediante aireación por burbuja fina se logra una mezcla completa de los efluentes de todas las etapas del proceso, permitiendo así mantener el volumen y calidad de las aguas a tratar para los procesos de tratamiento primario y tener una reserva de agua para realizar el tratamiento de aguas de manera continua. Después se realiza el tratamiento primario de clarificación en el que se utilizan dos tanques en polietileno, con una capacidad de 10 m3 cada uno, en ellos inicialmente se realiza una coagulación en donde se neutralizan las cargas de los coloides que forman los sólidos sedimentables y suspendidos permitiendo así formar sólidos de mayor tamaño, los cuales por medio de floculación aumentan aún más su tamaño, volumen y cohesión lo cual permite su sedimentación. Para éstos procesos se aplica sulfato de aluminio al 10 % en una concentración de 1600 ppm mediante mezcla lenta por aireación con burbuja gruesa por un periodo de 30 min, de allí se deja en reposo el agua por 6 horas con el fin que se realice la separación de los sólidos por sedimentación, posteriormente se lleva a cabo un proceso de decantación de lodos primarios que serán luego tratados por procesos de compostaje. En las Imágenes 18 y 19 se muestran los equipos que posee la curtiembre para el tratamiento de aguas. En las Figuras 5 a la 7 se pueden apreciar los diagramas de bloques, flujo y proceso correspondientes a la planta de tratamiento de aguas que posee actualmente la curtiembre, y el plano de distribución de la misma se muestra en la Figura 8. 42 Imagen 18. Tratamiento preliminar: Trampa de grasas Imagen 19. Tratamiento primario: Clarificación Figura 5. Diagrama de bloques del tratamiento de aguas residuales actual TRATAMIENTO PRELIMINAR: Trampa de grasas TRATAMIENTO PRELIMINAR: Homogenización TRATAMIENTO PRIMARIO: Clarificación (Coagulación-Floculación, Sedimentación, Decantación) Figura 6. Diagrama de flujo del tratamiento de aguas residuales actual TRATAMIENTO PRELIMINAR: Trampa de grasas Aireación con burbuja fina Sulfato de Aluminio 10% TRATAMIENTO PRELIMINAR: Homogenización TRATAMIENTO PRIMARIO: Clarificación (Coagulación-Floculación, Sedimentación, Decantación) 43 Lodos primarios Figura 7. Diagrama de proceso del tratamiento de aguas actual TK-102 V-102 BA-102 TC-102 TG-101 V-1 0 1 TK-101 BA-101 REFERENCIA EQUIPO TG-101 TK-101 TK-102 TC-101 TC-102 BA-101 BA-102 V-101 V-102 NOMBRE TRAMPA DE GRASAS TANQUE ALMACENAMIENTO TANQUE ALMACENAMIENTO TANQUE CLARIFICACIÓN: AGUA DE CURTIDO TANQUE CLARIFICACIÓN: AGUA DE PELAMBRE BOMBA CENTRIFUGA BOMBA CENTRIFUGA VÁLVULA VÁLVULA 44 MATERIAL CONCRETO CONCRETO CONCRETO POLIETILENO POLIETILENO POLIPROPILENO POLIPROPILENO POLIPROPILENO POLIPROPILENO CAPACIDAD 3 10 m 3 10 m 3 10 m 10 m3 10 m3 3 0.42 m /h 3 0.42 m /h 0.42 m3/h 3 0.42 m /h TC-101 Figura 8. Plano de la planta de tratamiento de aguas actual en la curtiembre Superior Frontal 95 195 45 1.3 MARCO TEÓRICO 1.3.1 Composición química del cuero. El cuero es la piel que cubre la carne de los animales la cual después de curtida y preparada para su conservación tiene aplicaciones de uso domestico e industrial, tales como: calzado, marroquinería, tapicería. Desde el punto de vista estructural y funcional la piel es un órgano que cumple ciertas funciones vitales como: protección de otros órganos, regulación térmica del cuerpo, reservorio sanguíneo y de otras sustancias como lípidos, secreción de diferentes sustancias y finalmente cumple una función sensorial y de motricidad debido a la gran cantidad de ramificaciones de nervios que posee. La piel está formada por tres capas superpuestas, las cuales son: epidermis, dermis e hipodermis. Epidermis: “Es la parte más externa de la piel y sirve de revestimiento, en esta capa se encuentran adheridos los pelos. Representa aproximadamente el 1% del espesor total de la piel en bruto y durante la fabricación del cuero esta capa se elimina mediante el proceso de pelambre”5. Dermis: “Esta es la parte primordial en la industria de las curtiembres porque es la que busca transformar en cuero. Representa aproximadamente el 85% del espesor total de la piel en bruto y se encuentra entre la epidermis y la endodermis. Se divide en dos capas: la capilar, conformada por fibras elásticas, vasos sanguíneos, terminaciones nerviosas y fibras de colágeno; y la reticular conformada por células conjuntivas y fibras de colágeno oblicuas y más gruesas que las de la capa anterior”6. Endodermis: “Es la capa más interna de la piel y representa aproximadamente el 15% del espesor total de la piel en bruto. Esta capa se elimina en las curtiembres mediante la operación de descarne. Es la parte de la piel que asegura su unión con el cuerpo del animal. Es un tejido conjuntivo conformado por grandes lóbulos de tejido graso limitados por fibras delgadas de colágeno y escasas fibras elásticas”7. Desde el punto de vista químico la piel es una sustancia heterogénea, generalmente cubierta de pelos o lana, compuesta por: agua (64% p/p), proteínas (33% p/p), grasas (2% p/p), sustancias minerales (0,5% p/p) y otras sustancias (0,5% p/p). Del total de las proteínas que tiene la piel aproximadamente el 94- 5 CUERONET.COM. 20 de Enero de 2000. Estructura Histológica de la Piel. Tecnología, Técnica del cuero, Procesos Húmedos, La Piel. Canelones, Ururguay.Disponible desde internet en: <http://www.cueronet.com/tecnica/lapiel.htm> 6 Íbid 7 Íbid 46 95% es colágeno, el 1% es elastina, entre el 1% y el 2% es queratina, y el resto son proteínas no fibrosas. El colágeno es una proteína fibrosa, relativamente insoluble en agua, formada por cadenas de polipéptidos, siendo cada uno de estos un polímero de aminoácidos. Es gracias a la esencia química de los aminoácidos que la piel de los animales (Imagen 20) después de extraída puede ser tratada, para darle las terminaciones y efectos que se requieran, con agentes muy ácidos o muy básicos sin descomponerse o dañarse. Imagen 20. Estructura de la piel8 Es muy importante tener en cuenta que la piel una vez retirada del tronco animal es muy vulnerable a ser atacada por los microorganismos que se encuentran de forma natural en la misma, los cuáles causaran la hidrólisis de las proteínas. Por tanto cuando el lapso de tiempo entre retirar la piel y procesarla es prolongado es necesario buscar algún mecanismo que cause la deshidratación de la piel, con lo cual los microorganismos no podrán sobrevivir. Los mecanismos más usados son el secado y el salado de las pieles. 1.3.2. Principales tipos de cuero. El distinto origen, tratamiento de curtido y posterior elaboración del cuero proporciona un producto final muy distinto. Según procedencia Los cueros tienen diferentes tipos según la procedencia de las pieles, y difieren en su estructura según sean las costumbres de vida del animal originario, la edad del animal, el sexo, la crianza y la estación del año en la que fue tratada, es importante también el ver que tipo de cuero es mejor el de becerro o de napa por esto la primera categoría podría ser: 8 CUERONET.COM. 20 de Enero de 2000. <http://www.cueronet.com/tecnica/lapiel.htm> Técnica 47 del cuero. La piel. Disponible desde internet en: Bovinos Caprinos Porcino Equinos Nutria Chinchilla Reptiles Peces: Se emplea a veces la piel de los Tiburones. Cervidos tales como Ciervos, Gamos, Renos. Según procedimiento de curtido Toda la piel tiene que sufrir un proceso de Curtido para que no se pudra y conserve la flexibilidad. Las sustancias que se le aplican para conseguir ese efecto condicionan el resultado final. Hay que tener en cuenta que estos procedimientos no son excluyentes, a menudo se mezclan los distintos elementos curtientes para obtener un producto final intermedio. Cuero crudo: No tiene ningún tratamiento químico para su conservación, solamente se descarna la piel, se la lava y se la estira mientras se seca. Es rígido y quebradizo, y principalmente se utiliza para la fabricación de tambores tradicionales, cordeles o juguetes para perro. Uno uso tradicional era el empleó de pieles enteras de cabras o conejos, incluso más raramente vacunos, en la fabricación de alfombras. Secando simplemente la piel sobre una superficie lisa, se dejaba luego sobre el suelo con el pelo hacia la parte superior. Curtido vegetal: Se curte usando tanino y otros ingredientes de origen vegetal. El resultado es un cuero suave y de color marrón; el tono varía dependiendo de la mezcla de ingredientes empleada en el curtido y del color original de la piel. El tanino se oxida con el aire y la luz, por lo que un cuero curtido con materias vegetales irá oscureciéndose con el tiempo de forma similar a una pieza de madera, solo que más rápidamente. Esto, que puede dar una bonita pátina a algunos objetos de cuero, puede arruinar el teñido en otros. Este tipo de cuero no es estable en el agua, tiende a decolorarse, y si se empapa y se deja luego secar se endurece y se vuelve más áspero y duro. Sometido a alta temperatura, las fibras de colágeno se contraen, se endurece drásticamente y se vuelve rígido y quebradizo. Actualmente ese tipo de curtiduría se destina principalmente a talabartería, cuero para artesanía y como pre-curtido en la curtición por cromo. 48 Curtido al cromo: Es el procedimiento más moderno, se inventa en 1858, y el más extendido actualmente. El curtido se realiza utilizando sales y ácidos de cromo. A las piezas de cuero teñidas por este procedimiento se les llama también "cuero azul", por el tono gris-azulado que da al cuero antes del teñido. El cuero obtenido es suave, flexible, resistene al agua (no se mancha ni pierde ni el color o la forma al mojarse), y permite el teñido posterior con toda la gama de colores imaginables. La mayoría de las tenerías trabajan actualmente con este método, y es por el que se obtiene la mayoría del cuero actualmente utilizado para vestimenta y tapicería. Como inconveniente, es el sistema de teñido más contaminante. 1.3.3 Descripción del proceso de curtición. La curtición es el proceso mediante el cual se convierten las pieles de los animales en cuero. Para ello se tienen las siguientes etapas: PRE-TRATAMIENTO Y ALMACENAMIENTO En algunos casos las pieles se trabajan frescas, es decir el tiempo entre el sacrificio del animal y el procesamiento de la piel es muy corto, y por tanto no se requiere ningún pretratamiento y las pieles se denominan “pieles verdes” Cuando es necesario almacenar las pieles por tiempo prolongado estas deben recibir un tratamiento para impedir el desarrollo de microorganismos; el método mas común de preservación es salando las pieles por inmersión en salmuera. “Las pieles se apilan, intercalándolas con una capa de sal. En estas condiciones se pueden guardar por meses previos al proceso de curtición, debido a que saladas presentan una fuerte resistencia a los microorganismos. Por otro lado, salar le permite a la empresa tener un stock que no es afectado por problemas de escasez o por ciclo de estación”9. RIBERA Los procesos de ribera se llevan a cabo en bombos, en los que se utilizan grandes cantidades de agua, con el objetivo de eliminar los pelos y demás partículas que dificulten o perjudiquen el proceso de curtición. Por la cantidad de sólidos suspendidos, ricos en proteínas y grasas, que se generan en los procesos de ribera los efluentes líquidos presentan altos valores de pH, considerable contenido 9 ALZATE TEJADA. op. cit., p. 14 49 de cal y sulfatos libres, así como sulfuros y una elevada DBO, lo que se ve represntado en una gran cantidad de materia orgánica. Remojo: El objetivo de esta operación es rehidratar y limpiar los cueros. Los cueros son remojados con varios baños de agua enriquecidos con humectantes, bactericidas, tensoactivos y opcionalmente se usan enzimas. Los bactericidas se usan para evitar el crecimiento de microorganismos que hidrolicen las proteínas de la piel, las enzimas se usan para permitir que los tensoactivos, humectantes y el agua penetren de manera más profunda en la piel permitiendo su rehidratación. Pelambre: Después del remojo, las pieles pasan al proceso de pelambre. Esta operación es una hidrólisis química que provoca el hinchamiento de la piel para facilitar el desprendimiento de la epidermis a la cual va adherido el pelo. Durante este proceso se saponifican las grasas naturales y se aflojan las fibras de colágeno con el fin de prepararlas apropiadamente para los posteriores procesos de curtido. Para ello se adiciona distintos tipos de depilantes, el primero es el sulfuro de sodio Na2S o sulfhidrarto sódico NaHS, los cuales son agentes reductores de hidrólisis alcalina, provocan un hinchamiento rápido pero de aplicarse en grandes cantidades pueden causar demasiada rigidez en la piel afectando la calidad de la textura final, por tanto se aplican en combinación can la cal Ca(OH) 2 y con aminas y tensoactivos. Estos productos por lo general se adicionan a los bombos en varias tomas o tandas para que el hinchamiento sea lento. El tiempo total que tarda el proceso es de 28-48 horas. “Las aminas y tensoactivos disminuyen el hinchamiento y su velocidad, los grupos (OH)- también provocan hinchamiento mientras que los iones Ca+2 hidrolizan las fibras atacando donde se produce el acortamiento de las mismas evitando así la formación de arrugas y favoreciendo al entrada de agu entre fibras”10. Descarne: Esta operación se realiza para continuar con la limpieza y adecuación de la piel antes de aplicar los curtientes. Durante esta operación se da la remoción de los tejidos subcutáneos, adiposos Y adheridos a la endodermis los cuales se deben eliminar para impedir el desarrollo de bacterias, para obtener un espesor uniforme y para facilitar y mejorar la penetración de los curtientes que más adelante serán aplicados. Esta operación puede realizarse de forma manual con unas cuchillas especiales para la operación, o también las curtiembres medianas que emplean procesos menos rudimentarios llevan a cabo esta operación en máquinas. “El proceso que ocurre en la máquina (Imagen 21) consiste en hacer pasar la piel por medio de un cilindro neumático de garra y otro de cuchillas helicoidales muy 10 SOLER JAUME. Procesos de Curtidos. Universidad Politécnica de Catalunya. Catalunya, España. 2000. p. 23 50 filosas. La piel circula en sentido contrario a este último cilindro, el cual está ajustado de tal forma que presiona a la piel, lo suficiente, como asegurar el corte sólo del tejido subcutáneo y adiposo adherido a ella”11. Imagen 21. Equipo para proceso de descarne12 Dividido: Consiste en dividir o seccionar la piel, mediante una operación netamente mecánica muy similar a la que ocurre en las máquinas descarnadoras. Tal como se muestra en la Imagen 22, la piel se apoya entre dos cilindros que giran ambos hacia afuera, y el elemento que causa el seccionamiento de la piel es una cuchilla en forma de cinta sin fin, que gira en el sentido opuesto a los cilindros es decir hacia adentro. “La piel hinchada y depilada queda dividida en dos secciones o capas, una es lo que queda entre la cuchilla y la flor, que es lo que se convertirá en cuero terminado; y la otra capa es lo que queda entre la cuchilla y la carne, lo cual recibe normalmente el nombre de serraje o carnaza y según su grosor podría ser aprovechable”13. Esta operación de dividido puede realizarse con la piel en bruto o fresca, después de haberla curtido al cromo o después del pelambre. Lo más común en la mayoría de las curtiembres es realizarlo después del pelambre, recibiendo el nombre de dividido en tripa. El dividido en tripa permite que el lado de la flor, o la parte de la piel que finalmente se convertirá en cuero, sea lo suficientemente delgada para facilitar la penetración de los productos químicos que serán aplicados mediante las posteriores operaciones desencalado, piquelado y curtido. Gracias al dividido en tripa se logra una mejor calidad del cuero terminado puesto que se reduce la tendencia al encogimiento durante la curtición, y también se reduce la tendencia a la aparición de arrugas. 11 CUERONET.COM. 20 de Enero de 2000. Descarnado. Técnica del cuero, Flujograma, Descarne. Canelones, Ururguay. Disponible desde internet en: < http://www.cueronet.com/flujograma/descarnado.htm > 12 Ibíd 13 SOLER JAUME. op. cit., p. 33 51 Imagen 22. Equipo para proceso de dividido14 CURTIDO Desencalado y rendido: Mediante el desencalado y purga o rendido se busca retirar de la piel la cal, el sulfuro y demás residuos alcalinos que causaron el hinchamiento durante la operación de pelambre. Eliminar el hinchamiento es, después de la rigurosa limpieza de los procesos de rivera, el paso a seguir para preparar la piel a la aplicación de curtientes. El desencalado se lleva a cabo sometiendo las pieles a lavados con gran cantidad de agua limpia y desencalantes, los cuales por lo general son ácidos como el ácido láctico y sulfato de amonio. El rendido es un proceso que se realiza mediante enzimas proteolíticas como complemento, al desencalado para eliminar definitivamente el hinchamiento de la piel. El rendido logra tal fin hidrolizando las fibras de colágeno con los cual se debilita la resistencia de la estructura hasta eliminar por completo el hinchamiento. Piquelado: La operación de piquelado tiene básicamente dos funciones, que son eliminar por completo la cal y los residuos alcalinos adheridos a la piel y detener de forma definitiva la acción enzimática del rendido o purga. En esta operación el pH es un factor que juega un papel muy importante, teniendo en cuenta que al final del desencalado la piel llega a un pH de 8,3 aproximadamente, con lo cual el álcali combinado con el colágeno no se ha eliminado. “Durante el piquelado se trata la piel con productos ácidos que logran bajar el pH de la piel hasta un valor de 3,5 - 5 con lo cual se logran eliminar todos los residuos alcalinos de la piel hasta los adheridos al colágeno, además este valor de pH es el más favorable para al aplicación de los curtientes debido a que con un valor de pH 14 CUERONET.COM. 20 de Enero de 2000. Dividido. Técnica del cuero, Flujograma, Dividido. Canelones, Ururguay. Disponible desde internet en: <http://www.cueronet.com/flujograma/dividido.htm> 52 elevado la sal curtiente reaccionaría muy rápidamente con las fibras de colágeno causando una sobrecurtición”15. Curtido: Mediante esta operación se logra estabilizar las fibras de colágeno y proteínas de la piel frente a la descomposición bacteriana y a cualquier otro agente externo. El curtido también proporciona a la piel las propiedades de plenitud, tacto, elasticidad, resistencia, etc que sean requeridas de acuerdo al uso final que se valla a dar al cuero terminado. Mediante el curtido la piel también adquiere la propiedad de resistir altas temperaturas lo cual es muy favorable para las posteriores operaciones de teñido y engrase, las cuales por lo general se realizan a elevadas temperaturas. El producto más comúnmente usado para la curtición son las sales de cromo, la ventaja de estas es que permiten que el proceso se realice en corto tiempo, y confieren resistencia al desgaste. En el proceso de curtición es muy importante que los productos empleados sean polifuncionales para que puedan reaccionar con más de una molécula de colágeno a la vez. La piel después de ser curtida al cromo posee en su interior un gran número de espacios vacíos en forma de canales microscópicos localizados entre las fibras curtidas. Estos canales tienen mucha importancia en los posteriores procesos de recurtición, puesto que la textura final que tenga el cuero dependerá de los productos químicos que se usen para llenar estos espacios y de la cantidad que se aplique. Para obtener un producto terminado de excelente calidad y con las propiedades requeridas de acuerdo a la aplicación que vaya a recibir, las variables que son muy importantes de controlar al momento de realizar la curtición al cromo son: - 15 Las características de la piel piquelada La concentración y la basicidad El tamaño de los complejos de cromo La adición de sales neutras Los enmascarantes Envejecimiento de la sal de cromo Tiempo de duración de la curtición SOLER JAUME. op. cit., p. 54 53 ACABADO Después del proceso de curtido las pieles tienen que descansar en húmedo por algunas horas o hasta el día siguiente para fijar el cromo en el tejido del cuero. Después hay que quitar el exceso de agua con una máquina de escurrir y como puede haberse formado arrugas, se les pasa por una máquina de estirar. Estas operaciones son llevadas a cabo por vía seca o húmeda, con el propósito de conferir al cuero el aspecto y las propiedades requeridos según su uso final. Prensado: Después del curtido, se realiza un prensado del cuero (llamado escurrido), para retirar la humedad, estirar las partes arrugadas y mantener un espesor uniforme del mismo. Rebajado: Es la operación mecánica mediante la cual se obtiene el calibre final del cuero. Consiste en raspar y rebajar las imperfecciones en la superficie del cuero, mediante máquinas o herramientas provistas de cuchillas. Este proceso permite obtener un cuero de espesor uniforme y con la medida deseada de acuerdo a las necesidades del productor. Neutralización: Los cueros se sumergen en tambores para realizar las operaciones anteriormente citadas. Estas operaciones se llevan a cabo de manera consecutiva, cambiando solamente la composición de los baños después descartar el baño anterior. El baño de neutralización se realiza con agua, formiato de calcio, carbonato o bicarbonato de calcio. Teñido: El teñido se realiza luego de la neutralización en baño que contienen agua, colorantes y ácido fórmico. Este baño se desecha después de cada operación. Los efluentes en esta etapa del proceso son mínimos en comparación al de pelambre y no justifica acción alguna de tratamiento. Los ácidos que contienen sirven para neutralizar el efluente general. Engrase: Consiste en la impregnación del cuero con grasas o aceites animales o vegetales, o aceites sintéticos preparados mediante mezclas de las grasas con otros ingredientes como ceras. Este procedimiento se hace con el objetivo de evitar el cuarteamiento del cuero, volviéndolo flexible, doblable, resistente, y suave y le proporciona al cuero los efectos o características finales de acuerdo a lo requerido por el manufacturero y el consumidor final. 1.3.4 Impacto ambiental del proceso de curtido para el recurso hídrico. De acuerdo al proceso de curtido descrito anteriormente y a las diferentes etapas que lo componen puede observarse que la curtición de pieles es uno de los procesos industriales que genera mayor contaminación y de tipo más agresivo. Se generan gran cantidad de residuos líquidos con una carga contaminante bastante elevada, y también gran cantidad de residuos sólidos los cuales por lo general son usados 54 en la fabricación de gelatinas, y productos para alimentación de animales, mientras que los efluentes son descargados a los cuerpos hídricos causando graves problemas no sólo a los ecosistemas acuáticos, sino también a la salud de las personas que residen en zonas aledañas. Como consecuencia de los productos químicos que se usan en las diferentes etapas del proceso, y la gran cantidad de grasas y proteínas que aportan los residuos sólidos de la piel que quedan disueltos en las aguas residuales los principales problemas que se ven en los efluentes de las curtiembres, en cuanto a incumplimiento de normatividad ambiental son: DBO, DQO, aceites y grasas, sulfuros, cromo total, sólidos suspendidos, sólidos sedimentables, y tensoactivos. “Cada etapa del proceso aporta diferentes tipos de contaminantes a los efluentes. Los efluentes líquidos generados en el proceso de remojo contienen sal, sangre, tierra, heces, sebo y grasas que aumentan la DBO. La operación dura de seis a 24 horas”16. Las aguas residuales provenientes de el proceso de pelambre contiene elevados valores de pH por el uso del sulfuro y la cal, debido a la función misma del proceso que es eliminar la epidermis y el pelo la carga de materia orgánica es bastante elevada por lo cual representa de un 70% a 80% de toda la contaminación de la carga originada en los efluentes. “Esta etapa del proceso, además de aportar el 70% de la carga orgánica al efluente, aporta la totalidad de los sulfuros residuales, el 45% de los residuos sólidos sin cromo, el 35% del nitrógeno total y representa el 50% del volumen del efluente”17. La etapa de desencalado y purga genera parte del efluente con cargas de cal y sulfuro de sodio que deberán ser procesadas en el efluente posteriormente. Las aguas provenientes del proceso de piquelado pueden ser usadas para procesos de neutralización de vertimientos debido a su naturaleza ácida. Y las aguas resultantes de la etapa de curtido al cromo generan un valor elevado de cromo total, el cual puede estar en estado trivalente o hexavalente siendo este último un serio problema debido a que es un compuesto cancerígeno. En la Tabla 2 se pueden observar de manera resumida los principales contaminantes generados en cada etapa y el respectivo impacto ambiental que causan. 16 17 ALZATE TEJADA. op. cit., p. 14 Ibid 55 Tabla 2. Impacto ambiental del proceso de curtido para el recurso hídrico18 PROCESO Cuero crudo Lavado y remojo Apelambrado Lavado de pelambre Descarnado CONTAMINANTES Sal y microorganismos Residuos líquidos con sangre, estiercol, barro, sal, etc Residuos líquidos con sulfuro de sodio, óxido de calcio. Residuos sólidos: pelos, materia orgánica putrescible Residuos líquidos con contenido de: sulfuro de sodio, óxido de calcio, agua con contenido de materia orgánica Residuo sólido: carne y sólidos, aprox. 20% del peso inicial Recortado Residuos sólidos, colas Desencalado y rendido Residuo líquido con contenido de: bisulfito de sodio, sulfato cálcico Residuo líquido con contenido de: bisulfito de sodio, sulfato cálcico Residuo líquido con contenido de: cloruros, sulfatos, cromo no fijado, sulfato básico de cromo, virutas de cuero cromado Residuo líquido con contenido de: cloruros, sulfatos, cromo no fijado Residuos sóidos con cromo, aserrín de cuero con cromo Residuo líquido con contenido de: cloruros, sulfatos, cromo, recurtientes, colorantes, engrasantes Lavado Piquelado y curtido con cromo Escurrido Rebajado y recortado Recurtido, teñido y engrase IMPACTO AL AMBIENTE Aire DBO, sólidos suspendidos y sales disueltas DBO, DQO, sólidos suspendidos y sales disueltas, alcalinidad y sulfuros DBO, DQO, sólidos suspendidos y sales disueltas, alcalinidad y sulfuros DBO, DQO, sólidos suspendidos y sales disueltas, alcalis y sulfuros DQO, sólidos suspendidos y sales disueltas, alcalis y sulfuros. Contaminación del aire DBO, sólidos suspendidos y sales disueltas DBO, sólidos suspendidos y sales disueltas DBO, DQO, cromo, sales, ácidos, etc DBO, DQO, cromo, sales, ácidos, etc DBO, DQO, acidez DBO, DQO, acidez 1.3.5 Descripción general de procesos de tratamiernto de aguas residuales industriales. Las aguas residuales industriales son los residuos líquidos generados como resultado del proceso productivo de cualquier industria, contienen cargas de diferentes tipos de contaminantes y en diferentes cantidades dependiendo de la industria que los genere. El tratamiento de las aguas residuales industriales es el proceso que se lleva a cabo mediante una combinación de medios físicos, químicos y biológicos con el fin de reducir o eliminar los contaminantes del agua para que estas cumplan con las normatividades y leyes ambientales de acuerdo al sector industrial y a la localización de la empresa. También puede tener como objetivo la reutilización o recirculación del agua dentro de las diferentes etapas del proceso. PRETRATAMIENTO O TRATAMIENTO PRIMARIO Los procesos que constituyen un pretratamiento se llevan a cabo con el fin de cumplir con las normas mínimas exigidas para la descarga de efluentes en el sistema de alcantarillado y como requerimiento para realizar los tratamientos primarios. Generalmente, el pretratamiento se aplica para cumplir con normas en 18 MOREYRA APARI JOSÉ. Programa Horizontal De Tecnologías Limpias Y Energías Renovables. Informe Del Apoyo Técnico Al Taller Para Transferencia De Tecnologías Limpias Para Pymes Del Sector Curtiembre. Lima, Perú. p. 16 56 cuanto a pH, temperatura, contenido de sólidos, grasas y aceites. En casos especiales, el pretratamiento puede estar orientado hacia la remoción de sustancias tóxicas que puedan afectar la eficiencia de posteriores tratamientos biológicos, la salud de los trabajadores y la salud de las personas que residan en zonas aledañas. A continuación se explican brevemente los principales procesos de pretratamiento. Homogenización: Esta es una etapa necesaria en las industrias cuyos procesos presentan descargas extremas de vertimientos en periodos muy cortos, como es el caso de las curtiembres y ciertas industrias de alimentos. “Esta etapa se realiza para amortiguar los picos tanto de carga contaminante como de caudal que puedan presentarse a través del día, con el fin de lograr que los sistemas de tratamiento operen en condiciones estables y que los efluentes tengan características más uniformes”19. Consiste en un tanque de suficiente volumen para almacenar una cantidad apreciable del vertimiento, en algunos casos puede ser necesario suministrar sistemas de agitación, para prevenir la deposición de material sólido en el fondo del tanque. Coagulación y Floculación: Los procesos de Coagulación y Floculación hacen parte del tratamiento primario de clarificación llevado a cabo para el tratamiento de aguas residuales, que según la teoría que se presenta al respecto: Son dos procesos dentro de la etapa de clarificación del agua. Ambos procesos se pueden resumir como una etapa en la cual las partículas se aglutinan en pequeñas masas llamadas flocs tal que su peso específico supere a la del agua y puedan precipitar. La coagulación se refiere al proceso de desestabilización de las partículas suspendidas de modo que se reduzcan las fuerzas de separación entre ellas. El término coágulo se refiere a las reacciones que suceden al agregar un reactivo químico (coagulante) en agua, originando productos insolubles. La coagulación comienza al agregar el coagulante al agua y dura fracciones de segundo. La floculación tiene relación con los fenómenos de transporte dentro del líquido para que las partículas hagan contacto. Esto implica la formación de puentes químicos entre partículas de modo que se forme una malla de coágulos, la cual sería tridimensional y porosa. Así se formaría, mediante el crecimiento de partículas coaguladas, un floc suficientemente grande y 20 pesado como para sedimentar . Esto permite determinar los modelos teóricos ya sean físicos o químicos que llevan a que se produzca la coagulación y la floculación, los modelos existentes se describen a continuación: 19 KIELY, Gerard. Ingeniería ambiental: fundamentos, entornos, tecnologías y sistemas de gestión. Ed. Mc Graw Hill. V2. Madrid 1999. p. 705 20 Coagulación y floculación de contaminantes del agua. [artículo en línea]. Disponible desde internet en: <http://cabierta.uchile.cl/revista/15/articulos/pdf/edu4.pdf>. p. 3 57 El modelo físico o de la doble capa, basado en fuerzas electrostáticas de atracción y repulsión. El otro modelo es químico, llamado “puente químico”, que relaciona una dependencia entre el coagulante y la superficie de los coloides. Para la floculación existen también dos modelos. El primero es llamado ortocinético, el cual es promovido por agitación externa principalmente. Influyen partículas de tamaño superior al micrón y tiene relación con los gradientes de velocidad del líquido. El segundo modelo se llama pericinético y se diferencia del primero en que su fuente de agitación es interna. Principalmente importarán el movimiento browniano y la sedimentación. 21 Su efecto es principalmente sobre partículas de tamaño inferior a 1 micrón . Aquellos productos que actúan como coagulantes y floculantes al mismo tiempo son los más empleados en los tratamientos primarios de clarificación, debido a que permiten formar compuestos cargados positivamente en intervalos de pH entre 6 y 8 que fácilitan la precipitación de los contaminates; se caracterizan por ser metálicos, tal como el sulfato de aluminio y el sulfato de hierro. Remoción de sólidos: Los sólidos contenidos en el agua residual pueden presentarse en estado disuelto en forma de iones en la fase líquida o como material suspendido. Los sólidos totales son el residuo que permanece después de someter a evaporación una muestra de agua residual hasta sequedad una temperatura de 105ºC. Los sólidos totales se dividen en dos grandes fracciones: los sólidos suspendidos, que son aquellos que quedan retenidos sobre el filtro cuando la mezcla se somete a un proceso de filtración, y los sólidos no filtrables o disueltos que es el material que pasa a través del filtro con tamaño promedio de una micra. Las dos principales operaciones para la remoción de sólidos son usadas en el pretratamiento son el tamizado y la separación por gravedad, en los tratamientos posteriores pueden usarse otros procesos como sedimentación, flotación o filtración. La selección del método adecuado de separación depende de la concentración y el tamaño de los sólidos presentes en el vertimiento, en su grao de aglomeración y en las características finales deseadas para el efluente. Tamizado: Esta operación consiste en la instalación de rejillas gruesas, con separación entre barras de más de 0.5 cm y/o rejillas finas con separaciones de hasta 0.1 cm, que retienen los sólidos gruesos presentes en el vertimiento, facilitando el flujo del vertimiento. Estos implementos son de reducido costo y de lata eficiencia si se realiza una limpieza frecuente de los mismos. Las rejillas deben ser hechas de barras cuadradas para evitar su obstrucción, deben ser inclinadas para facilitar su limpieza y fijas para evitar un mal uso de ellas. Separación por gravedad: Los sólidos suspendidos también pueden ser removidos por gravedad, dependiendo de la tendencia natural de las partículas sólidas a depositarse en el fondo o a elevarse, en condiciones de quietud del vertimiento. 21 Íbid. p. 4 58 Las partículas que tienen una gravedad específica superior a la de la fase líquida de sedimentan y las que tienen una gravedad específica inferior flotan. “Las arenas son partículas sólidas inertes que se sedimentan a mayor velocidad que los sólidos orgánicos de tamaño similar. Esta operación se efectúa en desarenadores que son canaletas por donde pasa el vertimiento a una velocidad aproximada de 0.3 m/s, provistas de una cámara para almacenar los sólidos y evitar su resuspensión.”22 Sedimentación simple: Cosiste en mantener el vertimiento bajo condiciones de quietud o baja velocidad, por un tiempo suficiente para permitir la sedimentación de las partículas suspendidas. Los sólidos sometidos a sedimentación tienen uan gravedad específica menor que las arenas y por lo tanto demandan un tiempo de retención mayor para sedimentar. Los parámetros de diseño de los tanques de sedimentación incluyen el área superficial y profundidad del mismo, el tiempo de retención, la carga hidráulica y la velocidad de flujo de salida. Sedimentación con ayudas: La adición de químicos puede mejorar la sedimentación, al promover la aglomeración de las partículas sólidas. Los químicos más utilizados son coagulantes, como sulfato de aluminio, cloruro férrico, sulfato ferroso, cal, aluminato de sodio. Las ayudas de coagulación son moléculas orgánicas de cadena larga con características de polímeros y electrolitos, como polielectrolitos, bentonita y sílica activada. La dosis óptima de coagulante se determina mediante ensayo de jarras. Flotación: Es el proceso mediante el cual las partículas de densidad cercana o menor a la de la fase líquida son separadas de ésta mediante la introducción de un gas, generalmente aire, en el vertimiento. Las burbujas del gas se adhieren a las partículas y hacen que éstas asciendan hasta la superficie del líquido, de donde son removidas por medios manuales o mecánicos. Aunque el proceso puede usarse en la remoción de sólidos, casi siempre es usado para la remoción de aceites y grasas. Filtración: Consiste en hacer pasar los efluentes por un medio filtrante, que para el caso de las curtiembres se recomienda que sea un medio granular o sintético, a medida que el agua pasa a través del medio filtrante los sólidos suspendidos y coloidales son retenidos en éste, haciendo cada vez mas lento el proceso y demandando mayor presión para mantener la eficiencia constante.” Las variables de diseño a tener en cuenta son: carga hidráulica, carga contaminante, carga de sólidos, presión, medio filtrante y periodo de retrolavado, el cual es una operación de limpieza de los filtros que consiste en invertir el flujo, el medio filtrante se expande y los sólidos se desprenden.”23 22 23 KIELY. op. cit., p. 609 Íbid. p. 635 59 Neutralización: El pH es el parámetro de control utilizado en los procesos de neutralización. Esta es una variable de vital importancia por los efectos que puede generar sobre el tratamiento de las aguas residuales y sobre las redes de alcantarillado. Esta es una variable de control crítico en el caso de querer realizar posteriores tratamientos biológicos teniendo en cuenta que los microorganismos crecen dentro de rangos muy estrictos de pH que generalmente se encuentran entre 6.5 a 7.5. La acidez o la alcalinidad del vertimiento determinan la cantidad de ácido o base necesaria para conseguir la neutralización. El método más usado para la neutralización de vertimientos ácidos es la adición de cal, soda cáustica, amoniaco, carbonato de calcio o carbonato de sodio. Para el tratamiento de vertimientos alcalinos puede usarse dióxido de carbono, burbujeo de gases de combustión, ácido sulfúrico, clorhídrico etc. Para la selección del neutralizante priman los factores de orden económico y la facilidad de manejo de las sustancias. TRATAMIENTO SECUNDARIO: SISTEMAS DE TRATAMIENTO BIOLÓGICO El tratamiento biológico se realiza mediante procesos aerobios y anaerobios, en los cuales la materia orgánica es matebolizada por diferentes cepas bacterianas. Los objetivos del tratamiento biológico son reducir el contenido de materia orgánica en las aguas, reducir su contenido de nutrientes y eliminar los parásitos. A continuación se explican los procesos más usados para el tratamiento biológico de las aguas residuales. Tratamiento por lodos activados: El agua cargada a este tipo de tratamientos debe contener altos contenidos de materia orgánica, pues esta constituirá los nutrientes y la fuente de energía para los microorganismos que se reproducirán en los lodos. El tratamiento se proporciona mediante difusión de aire por medios mecánicos en el interior de tanques. “Durante el tratamiento los microorganismos forman floculos que, posteriormente, se dejan sedimentar en un tanque, denominado tanque de clarificación. El sistema básico comprende, pues, un tanque de aireación y un tanque de clarificación por los que se hace pasar los lodos varias veces.”24 Los lodos están compuestos básicamente de materia orgánica y de la biomasa encargada de metabolizarla. Los dos objetivos principales del sistema de lodos activados son la oxidación de la materia biodegradable en el tanque de aireación y la floculación que permite la separación de la biomasa nueva del efluente tratado. Este sistema permite una remoción de hasta un 90% de la carga orgánica pero tiene algunas desventajas: en primer lugar requiere de instalaciones costosas y la instalación de equipos electromecánicos que consumen un alto costo energético. Por otra parte produce 24 Íbid. p. 709 60 un mayor volumen de lodos que requieren de un tratamiento posterior por medio de reactores anaeróbicos y/o su disposición en rellenos sanitarios bien instalados. Tratamiento anaerobio: Consiste en una serie de procesos microbiológicos, dentro de un recipiente hermético, dirigidos a la digestión de la materia orgánica con producción de metano. Es un proceso en el que pueden intervenir diferentes tipos de microorganismos pero que está dirigido principalmente por bacterias. Presenta una serie de ventajas frente a la digestión aerobia: generalmente requiere de instalaciones menos costosas, no hay necesidad de suministrar oxígeno por lo que el proceso es más barato y el requerimiento energético es menor. Por otra parte se produce una menor cantidad de lodo (el 20% en comparación con un sistema de lodos activos), y además este último se puede disponer como abono y mejorador de suelos. Además es posible producir un gas útil. Sin embargo los procesos anaerobios son más apropiados para tratar caudales de agua bajos por lo que su aplicación en las aguas residuales industriales es bastante limitada. Para el tratamiento anaerobio a gran escala se utilizan rectores de flujo ascendente o U.A.S.B. (Por sus siglas en ingles) con un pulimento aerobio en base de filtros percoladores y humedales. Tratamiento por medios selectivos: Es un método novedoso que ha sido poco estudiado y consiste en la aplicación de productos biológicos en los cuales hay presentes diferentes cepas de microorganismos que están especializados para metabolizar un tipo de contaminante en particular, por ejemplo grasas, proteínas, tintes y colorantes etc. Este es un tratamiento que tiene una alta eficiencia al ser aplicado en pozos sépticos o en aguas residuales domésticas. Para su aplicación en aguas residuales industriales se requiere la aplicación de métodos de tratamiento primarios para eliminar los sólidos y algunas sustancias que sean tóxicas o inhibitorias para los microorganismos. Los productos biológicos también pueden estar hechos a base de enzimas que en algunos por lo general admiten rangos de pH y temperatura más amplios que los de los microorganismos. 1.4 MARCO LEGAL 1.4.1 Resolución 1074/97. Por medio de la presente resolución se establecen los estándares ambientales respecto a los residuos líquidos que son vertidos al alcantarillado público y/o a un cuerpo de agua. Según el artículo 3º de ésta resolución se plantea que: “Todo vertimiento de residuos líquidos a la red de alcantarillado público y/o a un cuerpo de agua, deberá cumplir con los estándares establecidos”25 25 DEPARTAMENTO TÉCNICO ADMINISTRATIVO DEL MEDIO AMBIENTE. Resolución 1074 (28 de octubre de 1997). Por la cual se establecen estándares ambientales en materia de vertimientos. Bogotá, D.C: El Departamento, 1997 61 En la Tabla 3 se muestran los parámetros que tienen algún tipo de incidencia en los vertimientos industriales generados en las curtiembres. Tabla 3. Estándares ambientales en materia de vertimientos industriales generados en las 26 curtiembres PARÁMETRO Cromo total DBO5 DQO Grasas y Aceites pH Sólidos Sedimentables Sólidos Suspendidos Totales Sulfuro de carbono Tensoactivos (SAAM) EXPRESADA COMO Cr total (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L) Unidades SS (mL/L) SST (mg/L) Sulfuro de carbono (mg/L) (mg/L) NORMA (mg/L) 1.0 1000 2000 100 5.0 – 9.0 2.0 800 1.0 0.5 1.4.2. Resolución 3957/09. Esta resolución fue aprobada y publicada el 19 de junio de 2009, modificando algunos de los aspectos que estaban establecidos en la resolución 1074 de 1997. “Mediante esta nueva resolución se establece la normatividad técnica para el control y manejo de los vertimientos de aguas residuales, realizados al sistema de alcantarillado público en Bogotá D.C. En esta también se fijan las concentraciones que deben tener las aguas residuales, que no sean de origen doméstico, para poder ser vertidas en la red de alcantarillado.”27 La modificación más importante, y la que afecta de manera directa el contenido del presente trabajo de grado, es la que fue realizada a los estándares o valores de referencia que deben cumplir los vertimientos de agua residual que sean descargados a la red de alcantarillado de Bogotá D.C. En la tabla 4 se muestra la modificación que sufrieron los estándares que normalmente se miden para las aguas residuales de las curtiembres. 26 Íbid SECRETARIA DISTRITAL DE AMBIENTE. Resolución 3957 (19 de junio de 2009). Por la cual se establece la norma técnica, para el control y manejo de los vertimientos realizados a la red de alcantarillado público en el Distrito Capital. Bogotá, D.C.: La Secretaria, 2009 27 62 Tabla 4. Valores de referencia requeridos para los vertimientos de las curtiembres, según nueva reolución28 PARÁMETRO Cromo total DBO5 DQO Grasas y Aceites pH Sólidos Sedimentables Sólidos Suspendidos Totales Sulfuro Total Tensoactivos (SAAM) EXPRESADA COMO Cr total (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L) Unidades SS (mL/L) SST (mg/L) (mg/L) (mg/L) NORMA (mg/L) 1.0 800 1500 100 5.0 – 9.0 2.0 600 5.0 10 Esta resolución se tuvo en cuenta para realizar recomendaciones y conclusiones sin embargo el cumplimiento de los objetivos y análisis de resultados se realizó respecto a la resolución 1074/97. 1.5 MICROORGANISMOS Y ENZIMAS PRESENTES EN LOS PRODUCTOS BIOLÓGICOS 1.5.1 Microorganismos. “Los Bacillus son bacterias gram-positivas, aerobias estrictas aunque poseen la característica de ser anaerobias facultativas lo cual les favorece para la aplicación en tratamiento de aguas residuales, tienen la habilidad de formar una resistente endoespora protectora, permitiendo al organismo tolerar condiciones ambientales muy extremas”29. 1.5.1.1 Bacillus subtilis. “Es una bacteria catalasa-positiva, aerobia facultativa”30. Produce la enzima -amilasa altamente bacterial que produce unas cepas que complementa las enzimas producidas por el Aspergillus oryzae en la descomposición del almidón y que además funciona a altos niveles de temperatura y pH, produce además enzimas capaces de hidrolizar proteína a péptidos y aminoácidos. Este microorganismo no es considerado patógeno humano. “B. Subtilis se ha mostrado muy manejable para la manipulación genética, por tal motivo es comúnmente usado como un organismo modelo para estudios de laboratorio, especialmente de esporulación”31. Entre sus aplicaciones industrialmente 28 Íbid Colaboradores de Wikipedia. Bacillus [en línea]. Wikipedia, La enciclopedia libre, 2009. Disponible desde internet en: <http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Bacillus&oldid=26893089> 30 Colaboradores de Wikipedia. Bacillus subtilis [en línea]. Wikipedia, La enciclopedia libre, 2009 [fecha de consulta: 1 de julio del 2009]. Disponible desde internet en: <http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Bacillus_subtilis&oldid=27681842> 31 Íbid 29 63 encontramos: fungicida y agente de control biológico, aditivo para detergentes de lavandería y el tratamiento de aguas residuales. 1.5.1.2 Bacillus licheniformis. “Es una bacteria termofílica, denitrificante. Su temperatura óptima de crecimiento es de alrededor de 50ºC, aunque sobrevive en temperaturas mucho más altas. Puede existir en forma de espora para resistir condiciones ambientales extremas, o en estado vegetativo cuando las condiciones a las que se enfrenta son buenas”32. Las cepas de B. licheniformis son cultivadas con el fin de generar grandes cantidades de proteasa biológica. Ésta “se adapta bien a crecer en condiciones alcalinas, por lo que la proteasa que produce puede soportar altos niveles de pH (entre 9 y 10) donde es capaz de degradar las proteínas con mayor eficiencia; éste rango de pH permite que se utilizen a temperaturas bajas lo que permite un menor consumo de energía, aunque la temperatura adecuada para la secreción de la enzima es de 37ºC. La endoproteasa que produce es capaz de hidrolizar una amplia gama de enlaces péptidicos”33. 1.5.1.3 Bacillus polymyxa. Es una bacteria heterotrófica, acidófila y psicrotrofa tiene como función la fijación del nitrógeno siendo un organotrofo. Produce la enzima -amilasa. 1.5.1.4 Bacillus megaterium. Es una bacteria psicrotrofa. 1.5.1.5 Aspergillus oryzae. Según el catálogo de productos de Bioenzimas Group S.A. el Apergillus oryzae: Es un hongo filamentoso que producen altas concentraciones de enzimas hidrolíticas y, en particular, produce altos niveles de -amilasa fúngica que produce deformación para descomponer el almidón y las dextrinas hasta convertirlas en azucares fermentables. El poder para licuar el almidón de estas cepas es 1.000 veces superior al de la mayoría de las de la competencia además posee factores estimulantes de la fermentación. Se puede utilizar para la producción a gran escala de amilasas, proteasas y ácido kójico, se considera como un ideal de acogida para la síntesis de proteínas de eucariotas. Sirve como sacarificante de materias amiláceas. 32 REY, Michael, …[et. al]. Complete genome sequence of the industrial bacterium Bacillus licheniformis and comparisons with closely related Bacillus species. En: BioMed Central Ltda. [artículo en línea]. Disponible desde internet en: < http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=545597>. Publicado en linea: 13 de Septiembre de 2004 33 Íbid 64 Produce la enzima capaz de catalizar la eliminación de péptidos del final de las cadenas de proteínas y capaz de hidrolizar proteínas a péptidos y aminoácidos en aplicaciones de bajo pH, 34 además de producir la enzima -amilasa que es capaz de hidrolizar almidón . 1.5.1.6 Arthrobacter. “Son bacterias gram-positivas, aerobias estrictas y con forma de bacilo durante la fase de crecimiento exponencial y de coco durante la fase estacionaria. Los cocos son resistentes a la desecación y a la falta de nutrientes. Se distingue por realizar el “snapping division” en la que la pared celular exterior se rompe por uno de sus enlaces, de forma que los bacilos se rompen en cocos, se ven en forma de V. Otra característica notable es la utilización de piridona como única fuente de carbono”35. 1.5.1.7 Nocardia. “Son bacterias gram-positivas que se desarrollan en ambientes ricos en materia orgánica. Son catalasas-positivas y con forma de bacilos filamentosos, parecen hilos alargados. Las colonias de Nocardia presentan un aspecto variable, particularmente cuando crecen en un medio con nutrientes limitados. Crecen lentamente sobre medios de cultivo no selectivo y son extrictamente aerobios con la facultad de crecer en un amplio rango de temperaturas”36. Produce catalasa, ureasa y enzimas nitrato reductasa. Ayuda a la reducción de lodos, se desarrolla en ambientes con una baja relación F/M (sustrato/microorganismos), a temperaturas cálidas y en aguas residuales con alto contenido de grasas. 1.5.2 Enzimas. Los productos empleados incluyen la enzima Amilasa que digiere almidón proveniente de fuentes bacterianas y fúngicas. La enzima Proteasa que se emplea en los procesos de degradación de proteínas. La enzima Lipasa que licua grasas y aceites encontrados en una variedad de desechos industriales y aguas residuales. 1.5.2.1 Amilasa. “Es un enzima hidrolasa que tiene la función de digerir el glucógeno y el almidón para formar azúcares simples, tiene un pH de 7. Algunas amilasas bacterianas se emplean como detergentes para disolver almidones en determinados procesos industriales”37. Se clasifican en: 34 BIOENZIMAS GROUP S.A. Catálogo de productos biológicos O'LOUGHLIN EJ, SIMS GK, TRAINA SJ. Biodegradation of 2-methyl, 2-ethyl, and 2-hydroxypyridine by an Arthrobacter sp isolated from subsurface sediment. Biodegradation 10: 93-104. Vol 10. Número 2. Abril de 1999 36 Colaboradores de Wikipedia. Nocardia [en línea]. Wikipedia, La enciclopedia libre, 2009. Disponible desde internet en: <http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Nocardia&oldid=26879057> 37 Colaboradores de Wikipedia. Amilasa [en línea]. Wikipedia, La enciclopedia libre, 2009. Disponible desde internet en: <http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Amilasa&oldid=28045483> 35 65 α-Amilasa: “Son enzimas que actúan a lo largo de cualquier punto de la cadena de los carbohidratos, descomponiéndolos en maltotriosa y maltosa desde la amilosa o maltosa, glucosa y dextrina desde la amilopectina. Dado que puede actuar en cualquier punto de la cadena es más rápida que la β-amylasa. Es sintetizada por bacterias y hongos”38. β-Amilasa: “Es sintetizada por bacterias y hongos. Actúa desde el extremo no reductor de la cadena, catalizando la hidrólisis del segundo enlace α-1,4, rompiendo dos unidades de glucosa (maltosa) a la vez. Muchos microorganismos también producen amilasa para degradar el almidón extracelular, tiene un pH adecuado de 12”39. 1.5.2.2 Proteasa. “Las peptidasas (antes conocidas como proteasas) son enzimas que rompen los enlaces peptídicos de las proteínas. Usan una molécula de agua para hacerlo y por lo tanto se clasifican como hidrolasas”40. Dentro de las características que las destacan es que ellas “se encuentran naturalmente en organismos vivos, donde se usan para la digestión molecular y la reducción de proteínas no deseadas. Las peptidasas pueden romper ya sea enlaces peptídicos específicos (Proteólisis limitada), dependiendo en la secuencia de aminoácidos de la proteína, o pueden reducir un péptido completo a aminoácidos (proteólisis ilimitada)”41. Teniendo en cuenta que “las peptidasas son en sí mismas péptidos, por ello se puede determinar que ellas mismas se pueden degradar. Es un hecho conocido que muchas peptidasas se desdoblan a sí mismas. Esto puede ser un método importante de regulación de la actividad de las peptidasas”42. 1.5.2.3 Lipasa. “La lipasa es una enzima que se usa para descomponer las grasas. Su función principal es catalizar la hidrólisis de triacilglicerol a glicerol. Las lipasas se encuentran en gran variedad de seres vivos, así en los microorganismos, las lipasas se encuentran presentes para la digestión de grasas, la reconstitución del organismo y el metabolismo lipoproteico”43. 38 Íbid. Íbid. Colaboradores de Wikipedia. Peptidasa [en línea]. Wikipedia, La enciclopedia libre, 2009. Disponible desde internet en: <http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Peptidasa&oldid=25075987>. 41 Íbid. 42 Íbid. 43 Colaboradores de Wikipedia. Lipasa [en línea]. Wikipedia, La enciclopedia libre, 2009. Disponible desde internet en: <http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Lipasa&oldid=26237430>. 39 40 66 Las aplicaciones que tienen las lipasas en la industria de aguas residuales se basa en “productos químicos de interés por medio de enlaces éster y de polimerización”44. 1.5.3 Acción microbiológica y enzimática en la degradación de contamiantes. El proceso de degradación de la materia orgánica se da mediante la acción enzimática y microbiológica que se lleva a cabo mediante las secuencias que se muestran en las Imagenes 23 y 24. Imagen 23. Proceso de degradación de la materia orgánica por acción del producto biológico 45 + grasa y materia orgánica = enzimas + residuos orgánicos solubles = Microorganismos + componentes básicos naturales H2O, CO2, Energía Biomasa Imagen 24. Acción enzimática en el proceso de degradación de materia orgánica 46 Sustrato + Producto biológico + O2 Biomasa + CO2 + Agua La biomasa generada por la acción enzimática y microbiológica del producto biológico se presentó en forma de lodo biológico sedimentable. 44 Íbid. Adapatación con imágenes de diferentes enlaces desde internet en: enzimas: <http://lasteologias.wordpress.com/2008/05/09/acido-desoxirribonucleico/>, biomasa (fotografía tomada por los autores del presente trabajo de grado) 46 Biblioteca de consulta Microsoft. Encarta, 2004. Disponible desde internet en: <http://quimred.fq.uh.cu/inorganica/Grupo_11/enzima.htm>. 45 67 2. MATERIALES Y MÉTODOS 2.1 MATERIALES 2.1.1 Tipo de agua. Para las diferentes pruebas llevadas a cabo en el desarrollo experimental se empleó una mezcla de las aguas provenientes de cada una de las etapas del proceso productivo. Debido a que las etapas en las que se emplea mayor cantidad de agua son pelambre y curtido, se generan dos tipos de agua cada una con mayor proporción de alguna de estas dos etapas, sin embargo el restante en proporción está formado por una mezcla de los efluentes de las etapas de remojo, desencalado, piquelado, re-curtido y teñido, los cuales no se mencionan en el desarrollo experimental debido a que su proporción es mínima. En algunas de las pruebas se mencionaron efluentes de la etapa de teñido porque representaban el 20% del total de la mezcla usada. 2.1.2 Productos Biológicos. Los productos biológicos en polvo empleados (Imagen 25), son fabricados cultivándolos en un sustrato esterilizado compuesto principalmente de salvado de trigo. Los cultivos son luego secados y triturados para obtener un polvo granular fino y de libre flujo. Imagen 25. Apariencia del producto biológico empleado Éstos son el resultado de la eficaz combinación de enzimas y bacterias seleccionadas; las grasas, carbohidratos, proteínas y demás sustancias que agregan valor como materia orgánica se descomponen por completo sin aditivos químicos, sin perjudicar el medio ambiente y sin riesgo para las personas o animales. 68 Este proceso de degradación de materia orgánica por medio de microorganismos y enzimas se ve reflejado en una considerable reducción de la contaminación, resultados mucho mejores con relación a DBO5 y DQO en las plantas de tratamiento de aguas residuales, reducción de costos en comparación con los métodos convencionales aplicados en las PTAR, evitan la formación de malos olores, son seguros y de fácil manejo. Todos los productos biológicos empleados se caracterízan por presentar actividad en determinados valores de pH y temperaturas tal como se muestra en las Gráficas 1 y 2. Gráfica 1. Actividad de los microorganismos contenidos en los productos biológicos a varios valores de pH47 Gráfica 2. Actividad de los microorganismos contenidos en los productos biológicos a varias temperaturas48 2.1.2.1 Maintain D. Los cultivos granulados biológicamente activos son productos que una vez son introducidos en los sistemas de desecho producen cultivos microbianos con microorganismos más eficientes que a su vez producen grandes cantidades de enzimas que digieren los residuos completamente en un tiempo más corto y por lo tanto resultan altamente eficaces y no presentan ningún peligro. Es una fórmula seca en forma concentrada con un contenido estable de esporas bacteriales capaces de producir grandes cantidades de enzimas digestivas que descomponen las proteínas, el almidón, las grasas y la fibra a una mayor velocidad. Son mezclas especiales de cultivos bacteriales de Bacillus subtilis, licheniformis, polymyxa, megaterium y Aspergillus oryzae, no patogénicos altamente activos que funcionan con o sin oxigeno, son estables y tienen una larga vida útil, no son corrosivos, ni peligrosos y son fáciles de usar. 47 48 BIOENZIMAS GROUP S.A Catálogo de productos biológicos. p. 28 Ibíd 69 APARIENCIA: café claro, granular, solidó, ligero olor a fermentación. CONDICIONES ADECUADAS: Los cultivos se comportan mejor dentro de un rango de pH de 5.5 a 8.5 unidades, con un valor de pH de apropiado de 7.0. El rango de Temperatura está entre 5ºC y 49ºC. CONDICIONES DE ALMACENAMIENTO: Almacenar en un sitio fresco y seco fuera de la luz directa del sol. Evitar la inhalación excesiva. Lávese las manos con agua tibia con jabón después de haber manipulado el producto 2.1.2.2 Accelobac 5000. Un material biológicamente activo que contiene billones de bacterias aeróbicas y anaeróbicas facultativas que producen enzimas. Está especialmente adaptado para licuar y digerir materiales de desechos orgánicos. Consiste de cepas de cultivos de Bacillus subtilis, licheniformis, polymyxa, megaterium y Aspergillus oryzae especialmente formulados que producen altas cantidades de enzimas amilasa, proteasa y lipasa. El producto tiene certificación en cuanto a que es libre de Salmonera y de bacterias patogénicas. La descripción técnica del mismo se muestra en la Tabla 5. Tabla 5. Descripción técnica del producto biológico Accelobac 5000 Apariencia Olor Densidad a Granel Tamaño de la Malla del Filtro Contenido de Humedad Almacenaje Manipulación Condiciones optimas para el uso Color carm elito, polvo de libre flujo Agradable, con sabor a levadura 34-41 libras por pie cúbico 98% a través de la malla 15 Menos del 15% Almacenar en sitio fresco y seco Evitar la inhalación excesiva, lavarse las manos después de utilizarlo pH 7, temperatura 49ºC 2.1.2.3 NS. El material microbiano se ha adaptado a una gran variedad de productos químicos. Consisten de una mezcla de Arthrobacter, Nocardia, y varios Bacillus. Los microorganismos presentes en este producto complementan la microflora natural que contiene el agua residual al que son aplicados al tener las siguientes características: 70 Proporcionan el volumen suficiente de microflora para degradar los contaminantes. Proporciona la microflora que es capaz de utilizar los compuestos de residuos tóxicos; como fuentes de carbono, cuando se les suministra con otros nutrientes minerales clave. Son altamente resistentes a altos niveles de concentración de los elementos tóxicos. Son capaces de multiplicarse y metabolizar compuestos con presencia de metales pesados que se encuentran combinados son las sustancias tóxicas, aún cuando estén presentes hasta 100 mg/L de cadmio, arsénico, cobre, cromo, hierro, plomo, latón, zinc, cobalto, selenio, o plata. Pueden utilizar compuestos de nitrógeno de varios tipos durante el curso de un proceso de desintoxicación remedial de compuestos carboníferos. Las bacterias presentes son capaces de multiplicarse y crecer en un amplio rango de variación de temperatura desde los 4ºC a los 45ºC. Constan de bacterias inmovilizadas con nutrientes especiales y estabilizadores en forma granular seca. Los productos se conservan estables por un periodo de meses mientras se mantenga en un lugar fresco y no se expongan a exceso de humedad o a condiciones de congelamiento. 2.1.2.4 Mezclas NS/MAINTAIN D (80:20) y NS/ACCELOBAC 5000 (80:20). Durante el desarrollo experimental se evaluó el desempeño de los microorganismos en estas dos mezclas, las cuales se realizaron con una proporción mayor del producto NS teniendo en cuenta sus especificaciones técnicas, en las cuales se menciona que las bacterias Arthrobacter y Nocardia tienen la capacidad de tomar residuos tóxicos como fuente de carbono, complementan la microflora natural del residuo que se esté tratando y son más resistentes ante la presencia de altas concentraciones de metales pesados. Por estas propiedades y teniendo en cuenta que las aguas residuales de las curtiembres contienen gran cantidad de residuos tóxicos se determinó preparar las mezclas en una proporción 80:20, para conferir una mayor eficiencia a los microorganismos de los otros productos biológicos. 2.2 MÉTODOS 2.2.1 Operaciones de pre-tratamiento. Las curtiembres manejan un tiempo de residencia del agua residual de 24 h, tiempo que es muy corto para el crecimiento adecuado de los microorganismos, por ello se tomo la decisión de filtrar el agua residual a la salida de la trampa de grasas, con el fin de retener la materia orgánica de mayor tamaño debido a que sería difícilmente digerible por los microorganismos en tan corto tiempo. 71 El filtro empleado para tal fin fue Geotextil no tejido punzonado de polietileno negro de alta densidad, éste se muestra en las Imagenes 26 y 27. (Ficha técnica en Anexo C). Imagen 26. Geotextil no tejido punzonado de polietileno negro de alta densidad. Imagen 27. Geotextil no tejido punzonado de polietileno negro de alta densidad después de filtración. Teniendo en cuenta que el mejor desempeño de los productos biológicos se da a condiciones de pH neutro, para la realización de las pruebas del desarrollo experimental se ajusto el pH del agua a tratar con H2SO4 industrial al 98 % si el pH era mayor de 7 (ver Anexos D y F) y con NaOH líquida industrial si el pH era menor de 7 (ver Anexos E y G). 2.2.2 Activación de bacterias. Para la obtención de mejores resultados es necesario que los microorganismos contenidos en los productos biológicos se adapten al medio en el que van a ser aplicados, para ello deben activarse en medio (½) vaso del agua a tratar, agitando por un minuto, luego ésta mezcla heterogénea debe ser aplicada al resto del agua a tratar agitando por unos minutos, logrando así que se distribuyan y puedan multiplicarse y metabolizar toda la materia orgánica contenida en el medio a tratar. 2.2.3 Seguimiento del porcentaje de remoción mediante el método de DQO. Para todas las pruebas realizadas en el desarrollo experimental se tomó como parámetro de comprobación de la efectividad de los productos biológicos la disminución del DQO, puesto que el principal objetivo del tratamiento de aguas por medios biológicos es la reducción de carga orgánica y adicionalmente éste es el parámetro más crítico en los vertimientos generados por las curtiembres, debido al alto contenido que tienen de grasas, proteínas y demás materiales orgánicos. Con el fin de tener un seguimiento del porcentaje de remoción de contaminantes, se realizó la prueba de DQO cada 2 horas por un periodo de 8 horas y una última 72 lectura a las 24 horas, para la realización de la misma se tuvo en cuenta en tomar siempre una alícuota de agua a tratar de 5 mL y realizar un blanco y valoración de Sulfato Ferroso Amoniacal (FAS) por cada lote de muestras. El método de DQO se muestra en los Anexos A y B. Para tener un mejor entendimiento de los métodos empleados se muestran los diagramas de bloques y flujo del procedimiento experimental en las Figura 9 y 10. Figura 9. Diagrama de bloques de los métodos llevados a cabo para la realización del desarrollo experimental SELECCIONAR TIPO DE AGUA AJUST TOMA DE MUESTRA MEDIR DQO FILTRACIÓN MEDIR DQO AJUSTAR pH MEDIR DQO AGREGAR PRODUCTO BIOLÓGICO PONER CONDICIÓN REQUERIDA MEDIR DQO 73 Figura 10. Diagrama de flujo de los métodos llevados a cabo para la realización del desarrollo experimental SELECCIONAR TIPO DE AGUA Solución al 10% de Sulfato de Aluminio Al2(SO4)3 NO SI AGUA DE PELAMBRE FLOCULACION TOMA DE MUESTRA Alícuota 5 mL, H2O desionizada, H2SO4 98%, K2Cr2O7 0.0417 M, FAS 0.25 M MEDIR DQO Geotextil FILTRACIÓN Alícuota 5 mL, H2O desionizada, H2SO4 98%, K2Cr2O7 0.0417 M, FAS 0.25 M MEDIR DQO pH-metro MEDIR pH SI Alícuota 5 mL, H2O desionizada, H2SO4 98%, K2Cr2O7 0.0417 M, FAS 0.25 M Maintain D, Accelobac 5000, NS, NS/Maintain D (80:20), NS/Accelobac 5000 (80:20) NO Alícuota 5 mL, H2O desionizada, H2SO4 98%, K2Cr2O7 0.0417 M, FAS 0.25 M. Medir cada 2 h por un lapso de 8 h y una medición a las 24 h. MEDIR DQO FIN H2SO4 98% pH > 7 NaOH líq. pH < 7 NO pH = 7 MEDIR DQO AGREGAR PRODUCTO BIOLÓGICO SI REQUIERE ACONDICIONAMIENTO 74 PONER CONDICIÓN REQUERIDA Agitación por aireación, Temperatura, Condición anaerobia 3. DESARROLLO EXPERIMENTAL El principal propósito del desarrollo experimental que se llevó a cabo en este proyecto fue evaluar el desempeño de los productos biológicos de las series Accelobac y NS en la degradación de los contaminantes orgánicos que se encuentran disueltos en las aguas residuales de una curtiembre. Estos productos biológicos son fabricados por una prestigiosa empresa americana, y son importados y distribuidos en Colombia por BIOENZIMAS GROUP S.A. Para la realización de las pruebas, se tomaron muestras puntuales después del tratamiento preliminar de trampa de grasas debido a que en este punto el agua ya se encuentra homogénea y lista para tratamientos primarios y secundarios. No se llevó a cabo ningún proceso para preservar el agua debido a que las pruebas se realizaron inmediatamente después de la recolección de las muestras. Para cumplir tal propósito se realizaron una serie de pruebas preliminares, inicialmente con el fin de comprobar si los productos funcionaban o no, en el agresivo medio de los vertimientos de las curtiembres. Una vez comprobado que si funcionaban, se procedió a realizar las pruebas iniciales en las cuales se compararon cinco diferentes productos para seleccionar los dos más efectivos. Teniendo estos dos productos el siguiente paso fue encontrar las condiciones más favorables para el crecimiento de los microorganismos presentes en los productos biológicos, los cuales son mezclas de diferentes cepas de bacterias aerobias y anaerobias facultativas; por tanto se seleccionaron y se pusieron a prueba tres variables: temperatura, agitación por aireación y condiciones anaerobias las cuales son críticas en el crecimiento de los microorganismos. También se hicieron pruebas reduciendo la concentración de producto biológico aplicado teniendo en cuenta la importancia de esta variable al momento de buscar una reducción en los costos. Las variables que se manejaron en todas las pruebas realizadas después de las preliminares fueron: volumen, pH, temperatura, concentración de producto biológico y aireación. En las pruebas iniciales se mantuvieron fijas todas las variables. En las pruebas para evaluar las condiciones apropiadas de crecimiento de los microorganismos, siempre se dejaron fijas las variables de pH y volumen; y las demás variables se modificaron de acuerdo a la condición que se estuviera evaluando. La concentración empleada en todas las pruebas, excepto en las pruebas en las que se evaluó la concentración, fue de 100 ppm pues esta concentración representa el doble de la dosificación recomendada por el fabricante de acuerdo a la información de las fichas técnicas de los productos. Se tomó el doble teniendo en cuenta el bajo tiempo de retención del agua y la gran cantidad de contaminantes de la misma. 75 3.1 PRUEBAS PRELIMINARES Estas pruebas se realizaron con el único fin de comprobar el funcionamiento, de los productos biológicos, es decir, su capacidad de remoción de DQO y por tanto la carga orgánica contaminante de las aguas residuales resultantes de las curtiembres. Para realizar estas pruebas se emplearon mezclas de aguas provenientes de las etapas de: pelambre, curtido, teñido, y aguas después de tratamiento primario; en diferentes proporciones. Se realizaron tres pruebas que se describen a continuación: - PRUEBA 1 Imagen 28. Pruebas preliminares: Prueba 1 En la realización de estas pruebas se mantuvo una temperatura de 18ºC y se usaron aguas de distintas procedencias, tal como se muestra en la Imagen 28. Para el cálculo del DQO se tuvieron en cuenta los datos de la Tabla 6. Tabla 6. Pruebas preliminares: Prueba 1. Datos para el cálculo de DQO PARÁMETRO Blanco (mL) Concentración FAS (M) 76 VALOR 24 0.2451 Los resultados de las pruebas realizadas se muestran en la Tabla 7, 8 y 9. Tabla 7. Pruebas preliminares: Prueba 1. Resultados con producto biológico NS PRODUCTO NS Condiciones iniciales Concentración de producto biológico (ppm) Tipo de agua: Pelambre Teñido pH (unidades) V (L) Valor 97.09 80% 20% 8.7 10.3 HORA DQO (ppm) % REMOCIÓN 0 3628 - 4 2627 27.59 24 673 81.44 Tabla 8. Pruebas preliminares: Prueba 1. Resultados con producto biológico Maintain D PRODUCTO MAINTAIN D Condiciones iniciales Concentración de producto biológico (ppm) Tipo de agua: Tratamiento primario pH (unidades) V (L) Valor 81.7 100% 5.04 12.24 HORA DQO (ppm) % REMOCIÓN 0 1255 - 4 1005 19.92 24 760 39.45 Tabla 9. Pruebas preliminares: Prueba 1. Resultados con producto biológico Accelobac 5000 PRODUCTO ACCELOBAC 5000 Condiciones iniciales Concentración de producto biológico (ppm) Tipo de agua: Tratamiento primario pH (unidades) V (L) Valor 83.68 100% 5.04 11.95 HORA DQO (ppm) % REMOCIÓN 0 1255 - 4 1177 6.22 24 785 37.45 - PRUEBA 2 Con el fin de probar si la filtración influía en la disminución del DQO, en esta prueba se realizaron filtraciones antes de cada medición del DQO, una muestra de ello se enseña en la Imagen 29. El agua empleada fue proveniente de tratamiento primario y para obtener uniformidad en los datos se empleó el mismo volumen de agua a tratar, tal como se muestra en la Imagen 30. 77 Imagen 29. Geotextil después de filtración del agua residual que contiene producto biológico Imagen 30. Pruebas preliminares: Prueba 2 Las pruebas se realizaron empleando los productos NS y NS/MAINTAIN D (80:20) y agua sin tratar con ningún producto biológico, los resultados se muestran en la Tabla 10. Tabla 10. Pruebas preliminares: Prueba 2. Resultados Blanco (mL) = 24.7, [ ] FAS (M) = 0.2577, DQO (ppm) [0 h] = 1155, pH = 5.21, T (ºC) = 17.5 HORA PRODUCTO NS NS/MAINTAIN D (80:20) AGUA SIN PRODUCTO DQO (ppm) 743 660 908 4 % Remoción 35.67 42.86 21.39 DQO (ppm) 743 578 908 7 % Remoción 35.67 49.96 21.39 DQO (ppm) 743 578 908 24 % Remoción 35.67 49.96 21.39 - PRUEBA 3 Teniendo en cuenta la prueba 2 en la cual se observó que debido a la filtración no hubo disminución en la DQO, y por lo mismo no se pudo hacer una comparación significativa entre los productos NS y NS/MAINTAIN D (80:20); se realizó una prueba sin filtración empleando los mismos productos, el ensayo realizado se muestra en la Imagen 31. El agua usada en esta prueba era proveniente del tratamiento primario. 78 Imagen 31. Pruebas preliminares: Prueba 3 Los resultados de la prueba realizada se muestran en la Tabla 11. Tabla 11. Pruebas preliminares: Prueba 3. Resultados Blanco (mL) = 24.7, [ ] FAS (M) = 0.2577, DQO (ppm) [0 h] = 2846, pH = 5.14, T (ºC) = 18.5 HORA PRODUCTO NS NS/MAINTAIN D (80:20) DQO (ppm) 1128 1034 24 % Remoción 60.37 63.67 3.1.1 Discusión de resultados pruebas preliminares. Mediante estas pruebas se encontró que en la mayoría de los casos, las aguas provenientes de tratamiento primario, ya cumplen con el parámetro establecido por la ley en cuanto al DQO, debido a que los valores encontrados para este parámetro están por debajo de 2000 mg/L, sin embargo este tipo de aguas fueron usadas nuevamente en otras pruebas preliminares, teniendo en cuenta que la finalidad de estas era únicamente comprobar la capacidad de los productos biológicos para reducir en alguna proporción el DQO. - PRUEBA 1 De acuerdo a los resultados encontrados en esta prueba se determinó que siempre debe usarse el mismo tipo (origen) y volumen de agua a tratar, para que todos los datos se obtengan bajo las mismas condiciones y los resultados no se vean alterados por variaciones en el proceso de medición. Según el desempeño en la disminución de la DQO que mostraron los tres diferentes productos biológicos usados en esta prueba, se seleccionaron inicialmente el MAINTAIN D y 79 el NS como los dos más eficientes, y por tanto se determinó que la prueba 2 se desarrollaría aplicando NS y una combinación NS/MAINTAIN D en proporción 80:20 respectivamente, además se encontró que el producto de menor desempeño fue el Accelobac 5000. - PRUEBA 2 Esta prueba se realizó por un lapso de 24 h, en ella se determinó que para el correcto funcionamiento de los productos biológicos el agua no puede ser filtrada una vez hallan sido aplicados, puesto que los microorganismos contenidos en estos vienen inmersos en un medio nutritivo sólido cuyo tamaño de partícula es filtrable a través de malla 15 y el filtro usados es malla 100, por tal motivo en esta prueba se observo un estancamiento en la disminución del DQO, después de la primera filtración realizada tras haber aplicado el producto. - PRUEBA 3 Los resultados obtenidos en esta prueba permitieron confirmar que de todos los productos biológicos utilizados el más eficiente es la mezcla NS/MAINTAIN (80:20). 3.2 PRUEBAS INICIALES Imagen 32. Agua residual de las curtiembres sin tratar Imagen 33. Agua residual de las curtiembres después de tratamiento con productos biológicos 3.2.1 Agua con mayor proporción de pelambre. Se empleó agua proveniente de una combinación pelambre-curtido (80:20), una muestra de tal agua se enseña en la Imagen 32, se realizó el procedimiento requerido para el desarrollo experimental, en la operación de llevar el agua a pH 7, se gastaron aproximadamente 2 mL de H2SO4 del 98%, con lo cual se obtuvo una floculación, tal como se muestra en al Imagen 33, después se añadió el producto biológico correspondiente en una concentración de 100 ppm a cada recipiente de 5 L. 80 Las pruebas se realizaron por duplicado empleando 5 productos diferentes y los resultados se muestran en la Tabla 12, la Gráfica 3 muestra la remoción obtenida. Tabla 12. Pruebas iniciales. Agua con mayor proporción de pelambre HORA 2 4 6 8 24 Blanco (mL) = 24.7, [ ] FAS (M) = 0.2513, DQO (ppm) [0 h] = 4866, pH [Agua sin tratar] = 10, T (ºC) = 18.5 ACCELOBAC NS/MAINTAIN D NS/ACCELOBAC PRODUCTO MAINTAIN D NS 5000 (80:20) 5000 (80:20) DQO (ppm) 4263 4182 4343 4263 4102 4062 3780 3740 3780 3780 % Remoción 12.39 14.06 10.75 12.39 15.70 16.52 22.32 23.14 22.32 22.32 DQO (ppm) 3559 3599 4001 4001 3840 3820 3519 3499 3659 3680 % Remoción 26.86 26.04 17.78 17.78 21.09 21.50 27.68 28.09 24.80 24.37 DQO (ppm) 3177 3157 3539 3499 3378 3398 3137 3097 3217 3217 % Remoción 34.71 35.12 27.27 28.09 30.58 30.17 35.53 36.35 33.89 33.89 DQO (ppm) 2694 2654 3197 3177 3117 3157 2493 2453 2855 2815 % Remoción 44.64 45.46 34.30 34.71 35.94 35.12 48.77 49.59 41.33 42.15 DQO (ppm) 1689 1669 2694 2654 2272 2292 1488 1468 2091 2091 % Remoción 65.29 65.70 44.64 45.46 53.31 52.90 69.42 69.83 57.03 57.03 Grafica 3. Pruebas iniciales. % Remoción Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de pelambre. 100 ppm de producto biológico 3.2.2 Agua con mayor proporción de curtido. Se empleó agua proveniente de una combinación pelambre-curtido (20-80), se realizó el procedimiento requerido para el desarrollo experimental, en la operación de llevar el agua a pH 7, se gastaron aproximadamente 5 mL de H2SO4 del 98%, después se añadió el producto biológico correspondiente en una concentración de 100 ppm a cada recipiente de 5 L. Las pruebas se realizaron por duplicado empleando 5 productos diferentes y los resultados se muestran en la Tabla 13, la Gráfica 4 muestra la remoción obtenida. 81 Tabla 13. Pruebas iniciales. Agua con mayor proporción de curtido Blanco (mL) = 24.7, [ ] FAS (M) = 0.2513, DQO (ppm) [0 h] = 4742, pH [Agua sin tratar] = 13, T (ºC) = 18 ACCELOBAC NS/MAINTAIN D NS/ACCELOBAC HORA PRODUCTO MAINTAIN D NS 5000 (80:20) 5000 (80:20) DQO (ppm) 4343 4323 4504 4484 4423 4423 4102 4082 4263 4242 2 % Remoción 8.42 8.84 5.02 5.44 6.73 6.73 13.50 13.92 10.11 10.55 DQO (ppm) 3901 3881 4021 4041 4001 3981 3700 3680 3820 3820 4 % Remoción 17.74 18.16 15.21 14.79 15.63 16.05 21.98 22.40 19.45 19.45 DQO (ppm) 3418 3418 3740 3720 3659 3639 3298 3318 3519 3499 6 % Remoción 27.93 27.93 21.14 21.56 22.84 23.26 30.46 30.03 25.79 26.22 DQO (ppm) 3097 3076 3338 3358 3237 3237 2976 2956 3157 3137 8 % Remoción 34.69 35.13 29.61 29.19 31.74 31.74 37.25 37.67 33.43 33.85 DQO (ppm) 1971 1991 2694 2715 2453 2433 1890 1870 2172 2192 24 % Remoción 58.44 58.02 43.19 42.75 48.27 48.70 60.14 60.57 54.20 53.75 Grafica 4. Pruebas iniciales. % Remoción Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de curtido. 100 ppm de producto biológico 3.3 PRUEBAS AGITACIÓN Para generar la aireación necesaria para la agitación del agua a tratar se empleó un motor generador de aire, tal como se muestra en la Imagen 35, del cual se derivaron cuatro mangueras que distribuian el aire para los cuatro recipientes que contenian el agua a tratar, tal como se muestra en la Imagen 34. 82 Imagen 34. Pruebas de agitación por aireación Imagen 35. Motor generador del aire para las pruebas de agitación 3.3.1 Agua con mayor proporción de pelambre. Se empleó agua proveniente de una combinación pelambre-curtido (80:20), se realizó el procedimiento requerido para el desarrollo experimental, en la operación de llevar el agua a pH 7, se gastaron aproximadamente 2 mL de H2SO4 del 98%, después se añadió el producto biológico correspondiente en una concentración de 100 ppm y se sometió a agitación por aireación a cada recipiente de 5 L. Para determinar la remoción de DQO debida a cada operación llevada a cabo, se realizó la medición de los DQO que se muestran en la Tabla 14. Tabla 14. Pruebas agitación. DQO antes de tratamiento con productos biológicos. Agua con mayor proporción de pelambre TIPO DE AGUA Agua sin filtrar Agua filtrada Agua con pH ajustado DQO (ppm) DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción 5543 5219 5.85 4873 12.09 Las pruebas se realizaron por duplicado empleando los 2 productos que dieron mejores resultados en las pruebas iniciales, que fueron MAINTAIN D y NS/MAINTAIN D (80:20), los resultados se muestran en la Tabla 15, la Gráfica 5 muestra la remoción obtenida. 83 Tabla 15. Pruebas agitación. Agua con mayor proporción de pelambre Blanco (mL) = 24.8, [ ] FAS (M) = 0.2538, DQO (ppm) [0 h] = 4873, pH [Agua sin tratar] = 10, T (ºC) = 17.5 HORA 2 4 6 8 24 PRODUCTO DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción MAINTAIN D 4346 4366 10.81 10.40 3452 3432 29.16 29.57 2924 2904 40.00 40.41 2782 2762 42.91 43.32 1950 1970 59.98 59.57 NS/MAINTAIN D (80:20) 4264 4224 12.50 13.32 3188 3168 34.58 34.99 2742 2721 43.73 44.16 2518 2518 48.33 48.33 1828 1848 62.49 62.08 Grafica 5. Pruebas agitación. % Remoción Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de pelambre. 100 ppm de producto biológico 3.3.2 Agua con mayor proporción de curtido. Se empleó agua proveniente de una combinación pelambre-curtido-teñido (15-70-15), se realizó el procedimiento requerido para el desarrollo experimental, en la operación de llevar el agua a pH 7, se gastaron aproximadamente 1 mL de H2SO4 del 98%, después se añadió el producto biológico correspondiente en una concentración de 100 ppm y se sometió a agitación por aireación a cada recipiente de 5 L. Para determinar la remoción de DQO debida a cada operación llevada a cabo se realizó la medición de los DQO que se muestran en la Tabla 16. 84 Tabla 16. Pruebas agitación. DQO antes de tratamiento con productos biológicos. Agua con mayor proporción de curtido TIPO DE AGUA Agua sin filtrar Agua filtrada Agua con pH ajustado DQO (ppm) DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción 5259 4975 5.4 4406 16.22 Las pruebas se realizaron por duplicado empleando los 2 productos que dieron mejores resultados en las pruebas iniciales y los resultados se muestran en la Tabla 17, la Gráfica 6 muestra la remoción obtenida. Tabla 17. Pruebas agitación. Agua con mayor proporción de curtido Blanco (mL) = 24.8, [ ] FAS (M) = 0.2538, DQO (ppm) [0 h] = 4406, pH [Agua sin tratar] = 8.5, T (ºC) = 17 HORA 2 4 6 8 24 PRODUCTO DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción MAINTAIN D 4285 4305 18.52 18.14 4061 4082 22.78 22.33 3939 3919 25.10 25.48 3594 3574 31.67 32.04 2985 2965 43.24 43.62 NS/MAINTAIN D (80:20) 4183 4183 20.46 20.46 3960 3980 24.70 24.32 3554 3533 32.42 32.82 3493 3472 33.58 33.98 2742 2742 47.86 47.86 Grafica 6. Pruebas agitación. % Remoción Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de curtido. 100 ppm de producto biológico 85 3.4 PRUEBAS CONCENTRACIÓN Estas pruebas se realizaron con el fin de evaluar si el desempeño de los microorganismos se veía afectado al disminuir la concentración a la mitad, con lo cual también se disminuirían los costos. Las pruebas se hicieron con una única concentración de 50 ppm debido a las concentraciones entre 50 y 100 ppm no representan una disminución de costos significativa. Tampoco se evaluaron concentraciones mayores a 100 ppm puesto que el costo de los productos biológicos es bastante elevado y esto representaría un aumento de costos. 3.4.1 Agua con mayor proporción de pelambre. Se empleó agua proveniente de una combinación pelambre-curtido (80:20), se realizó el procedimiento requerido para el desarrollo experimental, en la operación de llevar el agua a pH 7, se gastaron aproximadamente 2 mL de H2SO4 del 98%, con lo cual se obtuvo una floculación, después se añadió el producto biológico correspondiente en una concentración de 50 ppm a cada recipiente de 5 L. Para determinar la remoción de DQO debida a cada operación llevada a cabo se realizó la medición de los DQO que se muestran en la Tabla 18 Tabla 18. Pruebas concentración. DQO antes de tratamiento con productos biológicos. Agua con mayor proporción de pelambre TIPO DE AGUA Agua sin filtrar Agua filtrada Agua con pH ajustado DQO (ppm) DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción 5543 5219 5.85 4873 12.09 Las pruebas se realizaron por duplicado empleando los 2 productos que dieron mejores resultados en las pruebas iniciales y los resultados se muestran en la Tabla 19, la Gráfica 7 muestra la remoción obtenida. 86 Tabla 19. Pruebas concentración. Agua con mayor proporción de pelambre Blanco (mL) = 24.8, [ ] FAS (M) = 0.2538, DQO (ppm) [0 h] = 4873, pH [Agua sin tratar] = 10, T (ºC) = 17.5 HORA 2 4 6 8 24 PRODUCTO DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción MAINTAIN D 4285 4264 12.07 12.50 3229 3209 33.74 34.15 2802 2802 42.50 42.50 2620 2640 46.23 45.82 1929 1909 60.41 60.82 NS/MAINTAIN D (80:20) 4183 4183 14.16 14.16 3005 3026 38.33 37.90 2640 2599 45.82 46.67 2417 2437 50.40 49.99 1767 1747 63.74 64.15 Grafica 7. Pruebas concentración. % Remoción Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de pelambre. 50 ppm de producto biológico 3.4.2 Agua con mayor proporción de curtido. Se empleó agua proveniente de una combinación pelambre-curtido (20-80), se realizó el procedimiento requerido para el desarrollo experimental, en la operación de llevar el agua a pH 7, se gastaron aproximadamente 5 mL de H2SO4 del 98%, después se añadió el producto biológico correspondiente en una concentración de 50 ppm a cada recipiente de 5 L. Para determinar la remoción de DQO debida a cada operación llevada a cabo se realizó la medición de los DQO que se muestran en la Tabla 20. 87 Tabla 20. Pruebas concentración. DQO antes de tratamiento con productos biológicos. Agua con mayor proporción de curtido TIPO DE AGUA Agua sin filtrar Agua filtrada Agua con pH ajustado DQO (ppm) DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción 4792 4752 0.83 4549 5.07 Las pruebas se realizaron por duplicado empleando los 2 productos que dieron mejores resultados en las pruebas iniciales y los resultados se muestran en la Tabla 21, la Gráfica 8 muestra la remoción obtenida. Tabla 21. Pruebas concentración. Agua con mayor proporción de curtido Blanco (mL) = 24.8, [ ] FAS (M) = 0.2538, DQO (ppm) [0 h] = 4549, pH [Agua sin tratar] = 13, T (ºC) = 18 HORA 2 4 6 8 24 PRODUCTO DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción MAINTAIN D 4244 4264 6.70 6.27 3838 3838 15.63 15.63 3655 3676 19.65 19.19 3310 3290 27.24 27.68 2985 2965 34.38 34.82 NS/MAINTAIN D (80:20) 3899 3899 14.29 14.29 3797 3777 16.53 16.97 3432 3452 24.55 24.12 3188 3168 29.92 30.36 2640 2620 41.97 42.40 Grafica 8. Pruebas concentración. % Remoción Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de curtido. 50 ppm de producto biológico 88 3.5 PRUEBAS TEMPERATURA Los recipientes que contenían el agua a tratar fueron calentados a baño de maría hasta una temperatura de 45ºC ± 4ºC, al colocarlos dentro de un contenedor de hierro lleno con agua que fue calentado con una estufa eléctrica, tal como se muestra en la Imagen 36, debido a las dimensiones del contenedor y a que éste no se encontraba tapado fue posible mantener la temperatura estable, lo cual se verificó al realizar la medición de la temperatura cada hora, para ello se empleó un termómetro de mercurio. Imagen 36. Pruebas temperatura 3.5.1 Agua con mayor proporción de pelambre. Se empleó agua proveniente de una combinación pelambre-curtido (80:20), se realizó el procedimiento requerido para el desarrollo experimental, en la operación de llevar el agua a pH 7, se gastaron aproximadamente 2 mL de H2SO4 del 98%, con lo cual se obtuvo una floculación, después se añadió el producto biológico correspondiente en una concentración de 100 ppm y se sometió a calentamiento cada recipiente de 5 L. Para determinar la remoción de DQO debida a cada operación llevada a cabo se realizó la medición de los DQO que se muestran en la Tabla 22. 89 Tabla 22. Pruebas temperatura. DQO antes de tratamiento con productos biológicos. Agua con mayor proporción de pelambre TIPO DE AGUA Agua sin filtrar Agua filtrada Agua con pH ajustado DQO (ppm) DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción 6868 6707 2.34 4808 30.00 Las pruebas se realizaron por duplicado empleando los 2 productos que dieron mejores resultados en las pruebas iniciales y los resultados se muestran en la Tabla 23, la Gráfica 9 muestra la remoción obtenida. Tabla 23. Pruebas temperatura. Agua con mayor proporción de pelambre Blanco (mL) = 25, [ ] FAS (M) = 0.2525, DQO (ppm) [0 h] = 4808, pH [Agua sin tratar] = 10 HORA 2 4 6 8 24 PRODUCTO DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción MAINTAIN D 4061 4040 15.54 15.97 3677 3717 23.52 22.69 3293 3273 31.51 31.93 2788 2788 42.01 42.01 1273 1253 73.52 73.94 NS/MAINTAIN D (80:20) 3717 3697 22.69 23.11 3192 3172 33.61 34.03 2849 2828 40.75 41.18 2061 2081 57.13 56.72 1010 1031 79.00 78.56 Grafica 9. Pruebas temperatura. % Remoción Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de pelambre. 100 ppm de producto biológico 90 3.5.2 Agua con mayor proporción de curtido. Se empleó agua proveniente de una combinación pelambre-curtido (15-85), se realizó el procedimiento requerido para el desarrollo experimental, en la operación de llevar el agua a pH 7, se gastaron aproximadamente 10 mL de H2SO4 del 98%, después se añadió el producto biológico correspondiente en una concentración de 100 ppm y se sometió a calentamiento cada recipiente de 5 L. Para determinar la remoción de DQO debida a cada operación llevada a cabo se realizó la medición de los DQO que se muestran en la Tabla 24. Tabla 24. Pruebas temperatura. DQO antes de tratamiento con productos biológicos. Agua con mayor proporción de curtido TIPO DE AGUA Agua sin filtrar Agua filtrada Agua con pH ajustado DQO (ppm) DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción 6011 5825 3.09 4976 17.22 Las pruebas se realizaron por duplicado empleando los 2 productos que dieron mejores resultados en las pruebas iniciales y los resultados se muestran en la Tabla 25, la Gráfica 10 muestra la remoción obtenida. Tabla 25. Pruebas temperatura. Agua con mayor proporción de curtido Blanco (mL) = 25, [ ] FAS (M) = 0.2525, DQO (ppm) [0 h] = 4976, pH [Agua sin tratar] = 14 HORA 2 4 6 8 24 PRODUCTO DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción MAINTAIN D 4283 4323 13.93 13.13 3960 3939 20.42 20.84 3455 3475 30.57 30.16 2869 2889 42.34 41.94 1637 1616 67.10 67.52 91 NS/MAINTAIN D (80:20) 4000 3980 19.61 20.02 3394 3414 31.79 31.39 2909 2909 41.54 41.54 2344 2364 52.89 52.49 1414 1435 71.58 71.16 Grafica 10. Pruebas temperatura. % Remoción Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de curtido. 100 ppm de producto biológico 3.6 PRUEBAS CONDICIONES ANAEROBIAS Para generar la condición anaerobia fue necesario tapar herméticamente los recipientes, para ello se emplearon tapas que poseen en el borde un caucho que no deja penetrar aire al recipiente que contiene el agua a tratar, además a cada tapa se le abrió un agujero al que se le introdujo una manguera y se sello con silicona fundida; para evitar la entrada de aire por la manguera y permitir la salida del aire contenido en la parte superior del recipiente y el gas producido por los microorganismos se sumergió la manguera en recipientes llenos de agua, tal como se muestra en la Imagen 37. Con el fin de no perder la condición anaerobia al tomar las muestras para la realización de la prueba de DQO solo se realizó la medición después de transcurridas las 24 horas. Imagen 37. Pruebas condiciones anaerobias 92 3.6.1 Agua con mayor proporción de pelambre. Se empleó agua proveniente de una combinación pelambre-curtido (80:20), se realizó el procedimiento requerido para el desarrollo experimental, en la operación de llevar el agua a pH 7, se gastaron aproximadamente 2 mL de H2SO4 del 98%, después se añadió el producto biológico correspondiente en una concentración de 100 ppm y se sometió a condiciones anaerobias a cada recipiente de 5 L. Para determinar la remoción de DQO debida a cada operación llevada a cabo se realizó la medición de los DQO que se muestran en la Tabla 26. Tabla 26. Pruebas condiciones anaerobias. DQO antes de tratamiento con productos biológicos. Agua con mayor proporción de pelambre TIPO DE AGUA Agua sin filtrar Agua filtrada Agua con pH ajustado DQO (ppm) DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción 6868 6707 2.34 4808 30.00 Las pruebas se realizaron por duplicado empleando los 2 productos que dieron mejores resultados en las pruebas iniciales y los resultados se muestran en la Tabla 27, la Gráfica 11 muestra la remoción obtenida. Tabla 27. Pruebas condiciones anaerobias. Agua con mayor proporción de pelambre Blanco (mL) = 25, [ ] FAS (M) = 0.2525, DQO (ppm) [0 h] = 4808, pH [Agua sin tratar] = 10, T (ºC) = 17 HORA 24 PRODUCTO DQO (ppm) % Remoción MAINTAIN D 2788 2808 42.01 41.60 93 NS/MAINTAIN D (80:20) 2222 2222 53.79 53.79 Grafica 11. Pruebas condiciones anaerobias. % Remoción Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de pelambre. 100 ppm de producto biológico 3.6.2 Agua con mayor proporción de curtido. Se empleó agua proveniente de una combinación pelambre-curtido (15-85), se realizó el procedimiento requerido para el desarrollo experimental, en la operación de llevar el agua a pH 7, se gastaron aproximadamente 10 mL de H2SO4 del 98%, después se añadió el producto biológico correspondiente en una concentración de 100 ppm y se sometió a condiciones anaerobias a cada recipiente de 5 L. Para determinar la remoción de DQO debida a cada operación llevada a cabo se realizó la medición de los DQO que se muestran en la Tabla 28. Tabla 28. Pruebas condiciones anaerobias. DQO antes de tratamiento con productos biológicos. Agua con mayor proporción de curtido TIPO DE AGUA Agua sin filtrar Agua filtrada Agua con pH ajustado DQO (ppm) DQO (ppm) % Remoción DQO (ppm) % Remoción 6011 5825 3.09 4976 17.22 Las pruebas se realizaron por duplicado empleando los 2 productos que dieron mejores resultados en las pruebas iniciales y los resultados se muestran en la Tabla 29, la Gráfica 12 muestra la remoción obtenida. 94 Tabla 29. Pruebas condiciones anaerobias. Agua con mayor proporción de curtido Blanco (mL) = 25, [ ] FAS (M) = 0.2525, DQO (ppm) [0 h] = 4976, pH [Agua sin tratar] = 14, T (ºC) = 17 HORA 24 PRODUCTO DQO (ppm) % Remoción MAINTAIN D 2889 2869 41.94 42.34 NS/MAINTAIN D (80:20) 2384 2364 52.09 52.49 Grafica 12. Pruebas condiciones anaerobias. % Remoción Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de curtido. 100 ppm de producto biológico 95 4. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 4.1 PRUEBAS INICIALES De acuerdo con las pruebas de DQO se determinó que los productos de mejor desempeño son el MAINTAIN D Y NS/MAINTAIN D (80:20) como se puede observar en las Gráficas 3 y 4. Estos dos productos logran disminuir la DQO por debajo de la norma ambiental de 2000 mg/L y logran porcentajes de remoción superiores al objetivo que es del 60%. Por tanto en las pruebas posteriores, en las cuales se evalúan las condiciones más apropiadas para el crecimiento de los microorganismos, se trabajó únicamente con estos dos productos. Los microorganismos presentes en el producto NS han demostrado ser más resistentes a los contenidos de metales pesados en comparación a los microorganismos de otros productos puesto que la degradación biológica de los compuestos contaminantes ocurre aún cuando estén presentes hasta 100 mg/L de metales pesados en el agua, además está diseñado para degradar una gran variedad de contaminantes difíciles pues la estirpe única de su microflora puede degradar y eliminar las toxinas, también metabolizan otros químicos como aceites minerales y lubricantes, surfactantes, ácidos grasos, carbohidratos, lignina y alcoholes, entre otros. Los microorganismos presentes en el producto MAINTAIN D están especialmente formulados para producir altas cantidades de enzimas amilasa, proteasa y lipasa lo cual las hace bastante apropiadas para degradar los contaminantes orgánicos de las aguas residuales de las curtiembres. Los resultados obtenidos en estas pruebas permiten confirmar que las características y propiedades de estos dos productos son las que más se adaptan al ambiente que se da en los vertimientos de las curtiembres. 4.1.1 Agua con mayor proporción de pelambre. En la Gráfica 13 se puede apreciar el comportamiento de los productos biológicos para agua de pelambre demostrando que empleando MAINTAIN D y NS/MAINTAIN D (80:20), se logra disminuir por debajo de la norma ambiental. 96 Grafica 13. Pruebas iniciales. DQO Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de pelambre. 100 ppm de producto biológico 4.1.2 Agua con mayor proporción de curtido. En la Gráfica 14 se puede apreciar el comportamiento de los productos biológicos para agua de pelambre demostrando que empleando MAINTAIN D y NS/MAINTAIN D (80:20), se logra disminuir por debajo de la norma ambiental. Grafica 14. Pruebas iniciales. DQO Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de curtido. 100 ppm de producto biológico Estos resultados demuestran la efectividad del producto teniendo en cuenta que no se lleva a cabo tratamiento primario de clarificación. 97 4.2 PRUEBAS AGITACIÓN Los resultados de estas pruebas muestran que aplicar agitación al agua no es una opción viable, debido a que no se logra la disminución de la DQO requerida (< 2000 mg/L), este resultado se genera debido a que la agitación dificulta la sedimentación de la biomasa que se forma como producto metabólico de los microogranismos, lo cual es un factor que aumenta la carga orgánica medida en la prueba del DQO. 4.2.1 Agua con mayor proporción de pelambre. De acuerdo con las pruebas de DQO se observa un mejor desempeño por parte del producto NS/MAINTAIN D (80:20), se logra una disminución por debajo de la norma (DQO < 2000 mg/L), tal como se muestra en la Gráfica 15, sin embargo, la disminución no es la misma que cuando no se empleó agitación, esto es debido a que la constante agitación no permite que la biomasa formada, ni la materia orgánica susceptible de sedimentación se sedimente lo que aumenta la DQO. Grafica 15. Pruebas agitación. DQO Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de pelambre. 100 ppm de producto biológico 4.2.2 Agua con mayor proporción de curtido. De acuerdo con las pruebas de DQO se observa un mejor desempeño por parte del producto NS/MAINTAIN D (80:20), sin embargo, no se logra una disminución por debajo de la norma (DQO < 2000 mg/L), tal como se muestra en la Gráfica 16, esto puede ser debido al alto contenido de cromo presente en el agua por el porcentaje de agua de curtido que contenia ésta. Para obtención de mejores resultados sería necesario realizar una 98 precipitación química de cromo y empleando tratamiento primario de floculacióncoagulación con sulfato de aluminio al 10 %. Además la constante agitación no permite que la biomasa formada, ni la materia orgánica susceptible de sedimentación se sedimente lo que aumenta el DQO. Grafica 16. Pruebas agitación. DQO Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de curtido. 100 ppm de producto biológico 4.3 PRUEBAS CONCENTRACIÓN Mediante estas pruebas se observó que la concentración de producto que fue usada en todas las demás pruebas experimentales si era apropiada, teniendo en cuenta que al disminuirla no se logra una remoción del DQO en la proporción ni velocidad deseadas. 4.3.1 Agua con mayor proporción de pelambre. De acuerdo con las pruebas de DQO se observa un mejor desempeño por parte del producto NS/MAINTAIN D (80:20), se logra una disminución por debajo de la norma (DQO < 2000 mg/L), tal como se muestra en la Gráfica 17, sin embargo, la disminución no es la misma que cuando se emplea una mayor concentración de producto biológico. 99 Grafica 17. Pruebas concentración. DQO Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de pelambre. 50 ppm de producto biológico 4.3.2 Agua con mayor proporción de curtido. De acuerdo con las pruebas de DQO se observa un mejor desempeño por parte del producto NS/MAINTAIN D (80:20), sin embargo, no se logra una disminución por debajo de la norma (DQO < 2000 mg/L), tal como se muestra en la Gráfica 18, esto puede ser debido al alto contenido de cromo presente en el agua por el porcentaje de agua de curtido que contenia ésta. Para obtención de mejores resultados sería necesario realizar una precipitación química de cromo y empleando tratamiento primario de floculacióncoagulación con sulfato de aluminio al 10 %. Además esto comprueba que una disminución en la concentración de producto biológico si afecta los resultados en la disminución de DQO por ello para las otras pruebas se sigue empleando una concentración de 100 ppm para cada recipiente. 100 Grafica 18. Pruebas concentración. DQO Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de curtido. 50 ppm de producto biológico 4.4 PRUEBAS TEMPERATURA Éstas pruebas se realizaron teniendo en cuenta la recomendación técnica de emplear una temperatura de 49ºC para el adecuado funcionamiento del producto biológico, obteniendose una disminución significativa del DQO comparando los resultados con los obtenidos cuando no se emplea ningún acondicionamiento. 4.4.1 Agua con mayor proporción de pelambre. De acuerdo con las pruebas de DQO se observa un mejor desempeño por parte del producto NS/MAINTAIN D (80:20), se logra una disminución por debajo de la norma (DQO < 2000 mg/L), tal como se muestra en la Gráfica 19, al emplear las condiciones adecuadas de temperatura se logran mejores resultados. 101 Grafica 19. Pruebas temperatura. DQO Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de pelambre. 100 ppm de producto biológico 4.4.2 Agua con mayor proporción de curtido. De acuerdo con las pruebas de DQO se observa un mejor desempeño por parte del producto NS/MAINTAIN D (80:20), se logra una disminución por debajo de la norma (DQO < 2000 mg/L), tal como se muestra en la Gráfica 20, al emplear las condiciones adecuadas de temperatura se logran mejores resultados. Grafica 20. Pruebas temperatura. DQO Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de curtido. 100 ppm de producto biológico 102 4.5 PRUEBAS CONDICIONES ANAEROBIAS Se realizó esta prueba con el fin de comprobar si las bacterias aerobias facultativas y anaerobias facultativas presentes en los productos biológicos mejoraban su desempeño a condiciones anaerobias, sin embargo la mayoría de los microorganismos contenidos en los productos al ser en su mayoría microorganismos aerobios estrictos, no sobrevivirían a esta condición lo que implicaría un bajo rendimiento del producto al momento de emplearse en el proceso de tratamiento de aguas residuales de las curtiembres por medios selectivos. 4.5.1 Agua con mayor proporción de pelambre. De acuerdo con las pruebas de DQO se observa un mejor desempeño por parte del producto NS/MAINTAIN D (80:20), sin embargo, no se logra una disminución por debajo de la norma (DQO < 2000 mg/L), tal como se muestra en la Gráfica 21, esto debido a la falta de oxígeno necesario para el crecimiento de los microorganismos contenidos en los productos biológicos. Grafica 21. Pruebas condiciones anaerobias. DQO Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de pelambre. 100 ppm de producto biológico 4.5.2 Agua con mayor proporción de curtido. De acuerdo con las pruebas de DQO se observa un mejor desempeño por parte del producto NS/MAINTAIN D (80:20), sin embargo, no se logra una disminución por debajo de la norma (DQO < 2000 mg/L), tal como se muestra en la Gráfica 22, esto debido a la falta de 103 oxígeno necesario para el crecimiento de los microorganismos contenidos en los productos biológicos. Grafica 22. Pruebas condiciones anaerobias. DQO Vs. Tiempo. Agua con mayor proporción de curtido. 100 ppm de producto biológico 4.6 DISCUSIÓN DE RESULTADOS Mediante las pruebas experimentales desarrolladas se observó que los microorganismos tienen un mejor desempeño en los efluentes que contienen una mayor proporción de agua del proceso de pelambre. Esto se debe a que esta agua posee mayor cantidad de materia orgánica, y menor cantidad de contaminantes tóxicos que la de curtido. El agua proveniente de curtido tiene un contenido de cromo total que supera una concentración de 100 ppm (cantidad máxima de metales pesados tolerada por los microorganismos) lo que hace que los microorganismos trabajen mucho más lento puesto que no logran metabolizar los compuestos tóxicos y por ello se multiplican a menor velocidad. Para disminuir la concentración de cromo e impedir que el crecimiento de los microorganismos se vea afectado, es necesario realizar un tratamiento primario en las aguas de curtido, el cual consiste en una coagulación y floculación aplicando una solución de sulfato de aluminio al 10% en una concentración de 1600 ppm. Sin embargo se debe mantener la operación de neutralización, debido a que los efluentes se acidifican levemente, se debe aplicar soda caústica al 50% antes de aplicar los productos biológicos para no afectar negativamente el crecimiento de los microorganismos. 104 En todas las pruebas experimentales que se llevaron a cabo se observó una formación de biomasa en forma de lodo sedimentado el cual es un producto metabólico de las enzimas generadas por los microorganismos durante el proceso de degradación de materia orgánica, por tanto no es favorable la agitación del agua, teniendo en cuenta que la biomasa generada al mezclarse y dispersase en el agua aumenta el DQO y el DBO. Para realizar la caracterización del agua residual en laboratorio certificado se tomó agua proveniente de una combinación pelambre-curtido (80:20) y se realizó el tratamiento de aguas residuales con una concentración de 100 ppm de la mezcla NS/MAINTAIN-D (80:20) siguiendo el mismo procedimiento descrito en el desarrollo experimental. Los resultados obtenidos en esta caracterización muestran una DQO inicial de 6.852 mg/L y una DQO final de 1.868 mg/L lo cual representa un porcentaje de remoción del 72.7%, este valor es muy cercano al obtenido mediante las pruebas iniciales con agua en mayor proporción de pelambre el cual fue de 69.63%. 105 5. INGENIERÍA BÁSICA La ingeniería básica se desarrolló con el fin de darle una aplicación directa a los resultados obtenidos mediante el presente proyecto; y consiste en implementar el tratamiento de aguas propuesto en la curtiembre que fue caso de estudio. Teniendo en cuenta que la curtiembre ya tiene implementado un sistema de tratamiento primario, que consta de una trampa de grasas y dos tanques para realizar la floculación de las aguas de pelambre y curtido por separado, tan sólo fue necesario diseñar los equipos requeridos para el tratamiento secundario el cual se lleva a cabo mediante los productos biológicos. La aplicación de los productos biológicos se hace en los tanques de tratamiento primario, pero el equipo seleccionado para que lleven a cabo su función de degradación de materia orgánica, fue un filtro percolador el cual provee principalmente dos ventajas: buenas condiciones de aireación y recirculación del agua que esta siendo tratada con lo cual podría disminuirse la concentración de producto biológico aplicado. La aireación en este caso no representa inconvenientes teniendo en cuenta que la biomasa generada queda como precipitado en el tanque de tratamiento primario. Para el funcionamiento del filtro percolador se requiere una bomba centrífuga, por tanto en la ingeniería básica también se incluyó el diseño de la misma y el de la tubería necesaria para conectar los tanques de tratamiento primario con la bomba, y la bomba con el filtro percolador. En las Figuras 11 a la 13 se muestran los diagramas de bloques, flujo y proceso del tratamiento de aguas propuesto. En la Figura 14 se muestra el plano del mismo. 106 Figura 11. Diagrama de bloques del tratamiento de aguas propuesto TRATAMIENTO PRELIMINAR: Trampa de grasas TRATAMIENTO PRELIMINAR: Homogenización TRATAMIENTO PRIMARIO: Clarificación (Coagulación-Floculación, Sedimentación, Decantación) TRATAMIENTO SECUNDARIO: Aplicación de Productos Biológicos Figura 12. Diagrama de flujo del tratamiento de aguas propuesto TRATAMIENTO PRELIMINAR: Trampa de grasas Aireación con burbuja fina Sulfato de Aluminio 10% NS/MAINTAIN D (80:20) TRATAMIENTO PRELIMINAR: Homogenización TRATAMIENTO PRIMARIO: Clarificación (Coagulación-Floculación, Sedimentación, Decantación) TRATAMIENTO SECUNDARIO: Aplicación de Productos Biológicos 107 Lodos primarios Lodos biológicos Figura 13. Diagrama de proceso del tratamiento de aguas propuesto V-1 0 1 REFERENCIA EQUIPO TG-101 TK-101 TK-102 TC-101 TC-102 BA-101 BA-102 BA-103 FP-101 TK-103 V-101 V-102 V-103 V-104 NOMBRE TRAMPA DE GRASAS TANQUE ALMACENAMIENTO TANQUE ALMACENAMIENTO TANQUE CLARIFICACIÓN: AGUA DE CURTIDO TANQUE CLARIFICACIÓN: AGUA DE PELAMBRE BOMBA CENTRIFUGA BOMBA CENTRIFUGA BOMBA CENTRIFUGA FILTRO PERCOLADOR TANQUE RECIRCULACIÓN VÁLVULA VÁLVULA VÁLVULA VÁLVULA MATERIAL CONCRETO CONCRETO CONCRETO POLIETILENO POLIETILENO POLIPROPILENO POLIPROPILENO POLIPROPILENO FIBRA DE VIDRIO POLIETILENO POLIPROPILENO POLIPROPILENO POLIPROPILENO POLIPROPILENO CAPACIDAD 3 10 m 3 10 m 3 10 m 10 m3 10 m3 3 0.42 m /h 3 0.42 m /h 0.42 m3/h 10 m3 3 5m 0.42 m3/h 3 0.42 m /h 3 0.42 m /h 0.42 m3/h 108 200 65 Figura 14. Plano de la planta de tratamiento de aguas propuesto para la curtiembre Superior 400 100 90 Frontal 400 109 5.1 DISEÑO DE BOMBA CENTRÍFUGA MULTIETAPA DE DOBLE SUCCIÓN Para el diseño de la bomba centrífuga se tienen en cuenta ciertos criterios de selección que se pueden determinar empleando el Anexo H y las siguientes ecuaciones y parámetros de diseño: Caudal de impulsión de la bomba = 0.42 m3/h = 0.12 L/s = 1.83 gal/min Altura de impulsión de la bomba = 0.9 m (medio filtrante en filtro percolador) + 0.2 m (altura entre el brazo distribuidor y parte superior del lecho) + 0.4 m (rejillas del drenaje) = 1.5 m Número de revoluciones = 2900 rpm Potencia absorbida por la bomba = ( * gr * Q * H) / (1000 * η) = (0.9988 kg/dm3 * 9.81 m/s2 * 0.12 L/s * 1.5 m) / (1000 * 0.68) = 0.00259 kW Donde: = Densidad del medio bombeado = 0.9988 kg/dm3. gr = Gravedad = 9.81 m/s2. Q = Caudal del medio bombeado = 0.12 L/s. H = Altura de impulsión de la bomba = 1.5 m. 1000 = Factor de conversión. η = Eficiencia de la bomba = 68 %. Presión de la bomba = 35 lbf / in2 = 241310 N/m2 = 2.38 atm. Cabeza de la bomba = 35 ft de líquido = 10.668 m de líquido. NPSH requerido = 0.5 m. NPSH disponible = [(Pe + Pb - PD) / ( * g)] – Hv, s+ Hs geo = [(1e5 N/m2) / (998.8 kg/m3 * 9.81 m/s2)] + 2.45 m = 12.66 m. (Para entender de manera prácticael significado de cada término se muestra en la Imagen 38 un esquema útil) 110 Donde: Pe = Presión en la sección transversal de entrada de la instalación = 0 N/m2, debido a que se está trabajando con un tanque abierto. Pb = Presión atmosférica = 1e5 N/m2. PD = Presión de vapor del medio bombeado = 0 N/m2, debido a que se está trabajando con un tanque abierto. = Densidad del medio bombeado = 998.8 kg. gr = Gravedad = 9.81 m/s2. Hv, s = Pérdidas de carga en la aspiración = 0 m, debido a que el caudal es muy pequeño no genera pérdidas significativas. Hs geo = Altura geodésica de aspiración = 2.45 m (Se determina teniendo en cuenta la altura del tanque para clarificación) Imagen 38. Esquema para determinar NPSH disponible49 49 Dimensionado de bombas centrífugas. Disponible desde internet en: <http://www.scribd.com/doc/13184241/Dimension> 111 5.2 DISEÑO DEL FILTRO PERCOLADOR Para el diseño del filtro percolador es necesario tener en cuenta que debido a que se manejan cargas orgánicas muy grandes es necesario qué éste se de alta carga tal como se menciona a continuación: Filtro de alta carga: La recirculación del efluente final o efluente del filtro permite la aplicación de mayores cargas orgánicas. La recirculación del efluente desde el clarificador del filtro percolador permite que este tipo de filtro alcance la misma eficiencia de eliminación que los filtros normales o de baja carga. La recirculación del efluente alrededor del filtro da como resultado el retorno de organismos viables. Se ha observado que éste método de operación mejora, con frecuencia, la eficiencia del tratamiento. La recirculación evita la obstrucción del filtro y reduce los problemas derivados del olor y las moscas. El filtro percolador se diseña teniendo como modelo la Imagen 39, para determinar la profundidad del medio filtrante y el tiempo de retención en el mismo se emplearon las ecuaciones que se muestran a continuación: Medio Filtrante: Relleno dispuesto en forma de panal de polipropileno negro Superfície específica = 90 m2/m3 Diámetro externo = 187 mm Altura = 50 mm Peso unitario = 105 g Área superficial por cada elemento = 0.164 m2 Cantidad de elementos por m3 = 500 Caudal = 0.42 m3/h DQOinicial = 5000 ppm DQOdeseado = 1500 ppm DBOinicial = 2500 ppm DBOdeseado = 750 ppm LD / L = 10-3.3*K*D 112 Donde: LD = DBOdeseado (ppm) L0(0.9) = 90 % de la DBOinicial (ppm) D = Profundidad del filtro (m) K = Tasa de eliminación = 0.15 para filtros de alta carga D = [log (750 / {2500 * 0.9})] / (-3.3 * 0.15) = 0.96 m 1.0 m Cuando se use recirculación, la DBOinicial se calcula mediante la ecuación que sigue: L = [L0 + (R * Le)] / (1 + R) Donde: L = DBO aplicada tras dilución por recirculación L0 = DBO de agua residual sin tratar Le = DBO del efluente R = Relación de recirculación = Qr / Q = 0.4 / 0.12 = 0.33 L = [2500 + (0.33 * 750)] / (1 + 0.33) = 2062.5 ppm D = [log (750 / 2062.5)] / (-3.3 * 0.15) = 0.89 m 0.9 m t = (C * D) / (Qn) Donde: t = Tiempo de contacto (horas) D = Profundidad del filtro (m) Q = Caudal (m3 / h) 113 n = exponente 0.333 para flujo laminar C = Constante (m2) = C’ * Avm Donde: C’ = Constante (m3) = 0.70 debido a que el material del medio filtrante es polipropileno. Av = Superficie específica del medio (m2/m3) mC = exponente = 0.75 C = 0.70 * 900.75 = 20.45 m2 t = (20.45 * 0.9) / (0.420.333) = 24.3 h V = 10 m3 V = * r2 * H r = [(V) / ( * H)] r = [(10) / ( * 1.5)] r = 1.46 m Diámetro = 2 * r Diámetro = 2 * 1.46 Diámetro = 2.92 m 3.0 m Dos brazos distribuidores de 1.4 m cada uno, con boquillas distribuidoras espaciadas de forma irregular Pibote de 0.2 m de diámtero Motor eléctrico que genere una velocidad de giro = 1 vuelta / 10 min = 0.1 rpm Altura entre el brazo distribuidor y parte superior del lecho = 0.2 m Drenaje con una pendiente de 20º hacia el canal colector 114 Rejillas del drenaje + drenaje = 0.4 m Solera del filtro: piso en hormigón con grava o arcilla Válvula de salida Imagen 39. Filtro percolador50 50 Criterios de diseño y control para tratamietos blandos de depuración de aguas residuales. Disponible desde internet en: <www.miliarium.com/.../blandos/diseno2.asp> 115 El dimensionamiento del filtro percolador diseñado se muestra en la Imagen 40. Imagen 40. Dimensiones del filtro percolador diseñado 3.0 m 0.2 m 1.4 m 1.4 m 0.2 m 0.9 m 0.4 m 20º 5.3 DISEÑO DE TUBERIAS La tubería seleccionada para la operación del tratamiento de aguas propuesto es tubería lisa en PVC teniendo en cuenta que presenta muchas ventajas para el transporte de efluentes tan contaminantes como los son los generados en las curtiembres: el material es inerte lo cual evita el riesgo de corrosión que podrían generar los residuos químicos, presenta una alta durabilidad, capacidad hidráulica y hermeticidad. El diámetro nominal seleccionado fue de 4” con un diámetro externo de 111 mm, espesor de pared de 3.30 mm y diámetro interno de 107.70 mm. La longitud total requerida de tubería es 16 metros, los cuales se requieren para conectar los tanques de tratamiento primario a la bomba centrífuga, y al filtro percolador, incluyendo el tanque requerido para recirculación. 116 6. ANÁLISIS FINANCIERO 6.1 COSTOS DEL TRATAMIENTO DE AGUAS ACTUAL En la curtiembre en la cual se llevó a cabo el presente proyecto, el tratamiento de aguas que se tiene implementado consta de un tratamiento preliminar que consiste en una trampa de grasas la cual hace retención de sólidos por medios físicos por tanto no representa para la empresa ningún egreso. Posteriormente el agua es llevada a un tanque de 10.000 L en el cual se aplica sulfato de aluminio como floculante, este insumo representa unos costos fijos, la descripción de tallada de los mismos se muestra en la Tabla 30. Sin embargo el tratamiento implementado no logra reducir la carga contaminante de los vertimientos a lo establecido por la normatividad ambiental vigente, por tanto la empresa constantemente incurre en multas e incluso en cierres de su planta, lo cual representa unos costos variables bastante elevados. Tabla 30. Costos fijos mensuales del tratamiento de aguas implementado actualmente PRODUCTO Sulfato de Aluminio CANTIDAD/m3 1.6 kg m3/MES 200 CANTIDAD/MES 320 kg COSTO UNITARIO $1.800,00/kg COSTO/MES 576.000,00 6.2 COSTOS DEL TRATAMIENTO DE AGUAS PROPUESTO Para implementar el tratamiento de aguas propuesto, en la planta de producción se requiere adquirir: una bomba centrífuga para manejar un caudal de 0.42 m3/h, un filtro percolador de 1.5 m de alto, y 3.0 m de diámetro con empaque en polietileno, 16 metros de tubería corrugada en PVC, y cuatro filtros de angeo para reemplazar las rejillas existentes de la trampa de grasa. Los costos detallados de los equipos que se deben adquirir se muestran en la Tabla 31. El costo fijo mensual del tratamiento se compone del costo de los productos biológicos, el costo de los productos químicos, que en este caso son ácido sulfúrico al 98%, soda cáustica líquida al 50%, y sulfato de aluminio (sólo para el caso de agua con mayor proporción de curtido). La descripción de los costos fijos mensuales del tratamiento de aguas propuesto se muestra en la Tabla 32. 117 INVERSIÓN Tabla 31. Inversión del tratamiento de aguas propuesto EQUIPO Filtro percolador Tubería en PVC de 4” Bomba Filtros de angeo CANTIDAD 1 3 1 4 VALOR UNITARIO VALOR TOTAL $ 9.210.400,00 $9.210.400,00 $92.364,00 / 6 m $277.092,00 $900.000,00 $900.000,00 $50.000,00 $200.000,00 TOTAL INVERSIÓN: $10.587.492,00 COSTOS FIJOS MENSUALES Tabla 32. Costos fijos mensuales del tratamiento de aguas propuesto PRODUCTO Producto Biológico Acido Sulfúrico 98% Soda Cáustica 50% Sulfato de Aluminio CANTIDAD/m3 0.1 kg 1.2 L 0.48 L 0.8 kg m3/MES 200 200 200 200 CANTIDAD/MES 20 kg 240 L 96 L 160 kg COSTO UNITARIO $100.000,00 / kg $12.000,00 / 4L $10.400 / 4L $1.800,00 / kg COSTO/MES $2.000.000,00 $720.000,00 $249.600,00 $288.000,00 TOTAL COSTOS FIJOS MENSUALES: $3.257.600,00 6.3 SANCIONES Y MEDIDAS PREVENTIVAS De acuerdo a los procesos sancionatorios que tiene implementados la Secretaria Distrital de Ambiente, y según lo estipulado en el artículo 85 de la ley 99 del 93 (Anexo I), cuando una empresa esta incumpliendo la normatividad ambiental la primera medida preventiva que se toma es dictar una amonestación verbal o escrita, como advertencia para que la empresa busque una solución a lo que está incumpliendo. Posteriormente si la empresa no hace nada al respecto hay un decomiso de materias primas e insumos con los que genera la contaminación. El paso siguiente es una suspensión temporal de la actividad que realiza la empresa. Después de la suspensión de actividades la Secretaria Distrital de Ambiente caracteriza los efluentes para determinar la magnitud de la contaminación generada, y así mismo dictar una sanción, de acuerdo a la gravedad del incumplimiento. Las multas impuestas a una empresa que incumple la normatividad ambiental pueden ascender al valor de 300 salarios mínimos mensuales por cada día que se incupla la ley, sin embargo el valor de la multa lo decide el abogado ambiental que lleve el caso. 118 De acuerdo a consultadas realizadas con los dueños de diferentes curtiembres del sector de San Benito la multa promedio para este tipo de empresas está alrededor de 2 salarios mínimos mensuales ($ 993.800,00) por día de incumplimiento, lo cual daría un valor mensual de multas de $ 29.814.000,00. Debido a la alta contaminación que se genera en el proceso de curtición. La Secretaria Distrital de Ambiente esta constantemente haciendo revisiones en este sector, aproximadamente cada 4 meses hacen mediciones y análisis de los efluentes que se generan, por tanto las multas son un factor muy común dentro del sector. Si después de cancelado el valor de la multa la empresa no implementa ningún control o proceso para reducir la contaminación que esta generando, se suspende la licencia o la autorización para trabajar y por último se hace un cierre temporal o definitivo del establecimiento. En el caso de las curtiembres los costos a los que incurren en cuando se da un cierre de la planta no están relacionados con cuantas pieles dejan de vender puesto que lo que normalmente hacen las personas de este sector, cuado son sancionados con cierre temporal de la planta, es llevar sus pieles para procesarlas en otra curtiembre y pagar por el costo de este servicio, el cual es de $20.000,00 por piel, teniendo en cuenta que se trabajan aproximadamente 100 pieles al día el costo al que incurrirían sería de $2.000.000,00 diario, y teniendo en cuenta que los cierres temporales son de 30, 60 o 90 días los costos serían respectivamente $40.000.000,00 , $80.000.000,00 o $120.000.000,00. 6.4 RENTABILIDAD DEL PROYECTO Para analizar la rentabilidad y viabilidad finaciera del presente proyecto, se calcularon y compararon el valor presente neto (VPN) y la tasa interna de retorno (TIR), tanto del tratamiento actual como del tratamiento propuesto, para determinar cual de las dos alternativas representa una mayor oportunidad de ahorro para la empresa. En el tratamiento propuesto los valores de las multas y el cierre de 30 días se tomaron como ingresos debido a que representan un costo de oportunidad por ser dinero que la curtiembre puede ahorrar, teniendo en cuenta que mediante esta alternativa si se cumple la normatividad ambiental del decreto 1074. También se compara la tasa interna de retorno (TIR) del tratamiento propuesto con la tasa de interés de oportunidad (TIO) de la empresa para determinar si el proyecto representa una oportunidad de inversión atractiva para la curtiembre. Los cálculos del análisis financero del proyecto se prsentan en el Anexo L. 119 6.5 FLUJOS DE CAJA DEL TRATAMIENTO DE AGUAS ACTUAL Gráfica 23. Flujo de caja inicial del tratamiento de aguas actual COL M $ TOTAL 0 Sulfato de Aluminio 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 0.576 Multas 12 0.576 29.814 40.00 0.576 0.576 0.576 30.390 Meses 6.912 29.814 Cierre (30 días) Total 9 0.576 0.576 120 0.576 0.576 40.576 0.576 40.00 0.576 0.576 76.726 Gráfica 24. Flujo de caja neto del tratamiento de aguas actual COL M $ TOTAL INGRESOS 0,00 0 EGRESOS TIO 1 2 3 4 5 6 0.576 0.576 0.576 30.390 0.576 0.576 20% VPN ($ 24,687,150.33) TIR Error debido a que el VPN es muy negativo 121 7 0.576 8 9 10 11 12 Meses 0.576 40.576 0.576 0.576 0.576 76.726 6.6 FLUJOS DE CAJA DEL TRATAMIENTO DE AGUAS PROPUESTO Gráfica 25. Flujo de caja inicial tratamiento de aguas propuesto COL M $ TOTAL Ingresos: Multas 29.814 29.814 Cierre (30 días) 40.00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 40.00 10 11 12 Meses Inversión: Filtro percolador 9.21 Tubería 0.277 Bomba 0.9 Filtro de Angeo 0.2 Egresos: Producto Biológico Ácido Sulfúrico 98% Soda Cáustica 50% Sulfato de Aluminio TOTAL 10.587 9.21 0.093 0.9 0.2 2.00 0.72 0.25 0.288 3.258 2.00 0.72 0.25 0.288 3.258 122 24.00 8.640 2.996 3.456 49.677 Gráfica 26. Flujo de caja neto tratamiento de aguas propuesto COL M $ TOTAL 26.556 INGRESOS EGRESOS TIO 0 1 2 10.403 3.258 3.258 3 3.258 4 36.742 5 3.258 6 3.258 20% VPN $ 6,679,421.02 TIR 15% 123 7 3.258 8 3.258 9 63.299 10 3.258 11 12 3.258 3.258 43.163 7. CONCLUSIONES Mediante los resultados encontrados se determinó que el DQO de agua proveniente de pelambre está entre 4.700 a 7.000 mg/L y el de agua proveniente de curtido está entre 4.700 y 6.000 mg/L. Estos resultados se comprobaron mediante los análisis realizados en laboratorio certificado, en los cuales se usó agua de pelambre y el valor del DQO fue de 6.852 mg/L. También se comprobó la elevada concentración de: sulfuros, sólidos suspendidos y sedimentables, DBO, grasas y aceites que poseen las aguas del proceso de pelambre. De acuerdo a las especificaciones técnicas de los productos biológicos es necesario acondicionar los efluentes antes de su aplicación, para tal fin las operaciones de pre-tratamiento que se deben realizar son: filtración y ajuste de pH a un valor cercano a 7. Se identificó que las condiciones adecuadas para la aplicación de los productos biológicos son pH aproximado a 7, temperatura de 45ºC ± 4ºC y concentración de 100 ppm para que se logre el mayor porcentaje de remoción de materia orgánica, el cual es de alrededor de 80% en el tiempo de retención que requiere el proceso el cual es de 24 horas Según el diseño experimental se determinó que el producto biológico que logra el mayor porcentaje de remoción de DQO es la mezcla NS/MAINTAIN D en proporción 80:20, la cual alcanza un porcentaje de remoción del 79% operando a temperatura de 45ºC ± 4ºC en agua proveniente de pelambre. La implementación en planta del tratamiento de aguas propuesto no genera la rentabilidad esperada por la curtiembre (20% de acuerdo a la Tasa Interna de Oportunidad, TIO) debido a que la tasa interna de rentabilidad del proyecto es del 15%. A pesar de ésta situación, la propuesta le representaría a la empresa un ahorro de $24.687.150,33 el cual corresponde al valor que se deja de pagar en multas y cierre de 30 días, y adicionalmente genera unos ingresos de $6.679.421,02. Además con esta propuesta se pretende crear e incentivar la conciencia ambiental respecto al cuidado de los recursos hídricos, dentro del sector. El filtro percolador diseñado en la ingeniería básica proporciona tres ventajas importantes: recirculación del agua tratada, buenas condiciones de aireación y una eficiencia del 60%. Por tanto los valores de DQO alcanzados mediante el tratamiento propuesto deberán ser inferiores a los obtenidos con la sola aplicación de los productos biológicos. 124 8. RECOMENDACIONES Evaluar el efecto que tenga en el desempeño de los productos biológicos el agua proveniente de otras etapas del proceso productivo diferentes a las de pelambre y curtido. Con el fin de remover la mayor cantidad posible de sólidos antes del tratamiento primario para mejorar su eficacia, es necesario aplicar una etapa de filtración después de la trampa de grasas empleando filtros de angeo metálicos, los cuales son de fácil instalación y mantenimiento. Suspender el tratamiento primario cuando el agua contenga una mayor proporción de la etapa de pelambre, con el fin de disminuir los costos del tratamiento de los efluentes. Realizar pruebas de la capacidad de remoción de DQO aplicando enzimas en vez de microorganismos, ya que estas no requieren de ningún tipo de acondicionamiento para su aplicación. Otra ventaja de estas es su costo, el cual es menor al de los productos biológicos que traen cultivos de microorganismos. Realizar pruebas a nivel de planta piloto para identificar las condiciones más apropiadas y la concentración de producto biológico necesaria para la operación del filtro percolador. Desarrollar un diseño experimental que permita determinar la eficiencia operativa del filtro para comprobar si la alternativa de tratamiento de aguas diseñada en la ingeniería básica permite llevar el DQO a un valor que este por debajo del estándar establecido en la resolución 3957 del 19 de junio de 2009. Aplicar la ingeniería básica en el desarrollo de una ingeniería detallada que permita la implementación y mejoramiento del tratamiento de aguas propuesto con el fin de dar cumplimiento a los estándares exigidos en la resolución 3957 del 19 de junio de 2009. Diseñar, evaluar costos e implementar un sistema de transferencia de calor que permita llevar la temperatura de los efluentes a 45ºC ± 4ºC para obtener mejores resultados con los productos biológicos. 125 BIBLIOGRAFÍA ALZATE TEJADA, Adriana María. Proyecto Gestión Ambiental en la Industria de Curtiembre en Colombia. Manual Ambiental Sectorial. Bogotá, Colombia. Febrero de 2004 BIOENZIMAS GROUP S.A. Catálogo de productos biológicos. Bogotá-Colombia. Abril de 2008 Coagulación y floculación de contaminantes del agua. [artículo en línea]. Disponible desde internet en: <http://cabierta.uchile.cl/revista/15/articulos/pdf/edu4.pdf> CUERONET.COM. 20 de Enero de 2000. Estructura Histológica de la Piel. Tecnología, Técnica del cuero, Procesos Húmedos, La Piel. Canelones, Ururguay. Disponible desde internet en: <http://www.cueronet.com/tecnica/lapiel.htm> CUERONET.COM. 20 de Enero de 2000. Descarnado. Técnica del cuero, Flujograma, Descarne. Canelones, Ururguay. Disponible desde internet en: < http://www.cueronet.com/flujograma/descarnado.htm> CUERONET.COM. 20 de Enero de 2000. Dividido. Técnica del cuero, Flujograma, Dividido. Canelones, Ururguay. 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Programa Horizontal De Tecnologías Limpias Y Energías Renovables. Informe Del Apoyo Técnico Al Taller Para Transferencia De Tecnologías Limpias Para Pymes del Sector Curtiembre. Lima, Perú O'LOUGHLIN, EJ, SIMS, GK, TRAINA, SJ. Biodegradation of 2-methyl, 2-ethyl, and 2-hydroxypyridine by an Arthrobacter sp isolated from subsurface sediment. Biodegradation 10. Vol 10. Número 2. Abril de 1999 REY, Michael, … [et. al]. Complete genome sequence of the industrial bacterium Bacillus licheniformis and comparisons with closely related Bacillus species. En: BioMed Central Ltda. [artículo en línea]. Disponible desde internet en: < http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=545597>. Publicado en linea: 13 de Septiembre de 2004 SECRETARIA DISTRITAL DE AMBIENTE. Archivo de noticias. Más de seis millones de pesos ahorrarían curtiembres de San Benito por apostarle al ambiente. [Artículo en línea]. 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Disolver 12,259 g de K2Cr2O7, grado estándar primario previamente secado durante 2 h a 103ºC, en agua destilada y diluir a 1 000 mL en un balón volumétrico clase A. - Solución indicadora de ferroina. Disolver 1,485 g de 1,10-fenantrolina monohidratada y 695 mg de FeSO4·7H2O en agua destilada y diluir a 100 mL. Esta solución también se puede adquirir comercialmente. - Sulfato ferroso de amonio (FAS), 0,25 M. Disolver 98 g de Fe(NH4)2(SO4)2·6H2O en agua destilada; agregar 20 mL de H2SO4 concentrado, enfriar y diluir a 1000 mL. Estandarizar esta solución diariamente con una solución estándar de K2Cr2O7 así: Diluir 10,0 mL de la solución estándar de K2Cr2O7 a aproximadamente 100 mL; agregar 30 mL de H2SO4 concentrado y enfriar. Titular con FAS en presencia de 0,10 a 0,15 mL (2 o 3 gotas) de indicador de ferroina. Molaridad del FAS = Volumen de K2Cr2O7 0.0417 M titulado, mL/Volumen del FAS empleado, mL* 0.25 - Agua desionizada - Sulfato de aluminio al 10%. Disolver 100 g de sulfato de aluminio en 1L de agua destilada. - Hidróxido de sodio (NaOH) - Ácido sulfúrico concentrado 98% 129 ANEXO B DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO PARA DETERMINACIÓN DE DQO PROCEDIMIENTO Tratamiento de muestras con DQO > 50 mg O2/L: Colocar 50,0 mL de muestra en un balón de reflujo de 500-mL (para muestras con DQO > 900 mg O2/L, usar una porción más pequeña de muestra y diluirla a 50,0 mL); agregar 1 g de HgSO 4, en presencia de perlas de vidrio para controlar la ebullición, y muy lentamente agregar 5,0 mL del reactivo de ácido sulfúrico, mientras se agita para disolver el HgSO4. Enfriar y agitar para evitar la posible pérdida de materiales volátiles; agregar 25 mL de solución de K2Cr2O7 0,0417 M y mezclar. Acoplar el balón al condensador y abrir el flujo de agua refrigerante; agregar el remanente del reactivo de ácido sulfúrico (70 mL) a través del extremo superior del condensador. Continuar la agitación mientras se agrega el reactivo de ácido sulfúrico. PRECAUCIÓN: Agitar muy bien la mezcla de reflujo antes de suministrar calor para prevenir el sobrecalentamiento en el fondo del balón y la formación de espuma. Cubrir el extremo superior del condensador con un vaso pequeño para prevenir la entrada de materiales extraños a la mezcla y dejar en reflujo durante 2 h. Enfriar y enjuagar el condensador desde la parte superior con agua destilada; desconectar el condensador y diluir la muestra al doble de su volumen con agua destilada. Enfriar hasta temperatura ambiente y valorar el exceso de K2Cr2O7 con FAS en presencia de 0,10 a 0,15 mL (2 o 3 gotas) de indicador de ferroina; aunque la cantidad de ferroina no es crítica, usar el mismo volumen para todas las titulaciones. Tomar como punto final de la titulación el primer cambio nítido de color azul-verdoso a café-rojizo; el color azul-verdoso puede reaparecer. El cambio de color no es tan marcado como en la titulación del blanco de reactivos debido a la mayor concentración de ácido en la muestra. De la misma manera, someter a reflujo y titular un blanco que contenga los reactivos y un volumen de agua destilada igual al volumen de muestra. CÁLCULOS DQO como mg de O2/L = (A-B) x M x 8000/mL de Muestra donde: A = mL FAS usados para el blanco B = mL FAS usados para la muestra, y M = molaridad del FAS 130 ANEXO C FICHA TÉCNICA DEL FILTRO GEOTEXTIL 131 ANEXO D CURVA DE PH PARA NEUTRALIZACIÓN. RECIPIENTE DE 5 L EMPLEADO EN PRUEBAS 132 ANEXO E CURVA DE PH PARA NEUTRALIZACIÓN. TANQUE DE 10000 L EMPLEADO EN PLANTA 133 ANEXO F CRITERIOS DE SELECCIÓN DE BOMBAS 51 51 DOMINGO MOYA, ANTONIO. Diseño de equipos e instalaciones. Bombas y compresores. México: Mc Graw Hill, 1998. p 14 134 ANEXO G ARTÍCULO 85 DE LA LEY 99/199352 Tipos de Sanciones. El Ministerio del Medio Ambiente y las Corporaciones Autónomas Regionales impondrán al infractor de las normas sobre protección ambiental o sobre manejo y aprovechamiento de recursos naturales renovables, mediante resolución motivada y según la gravedad de la infracción los siguientes tipos de sanciones y medidas preventivas: 1. Sanciones: a. Multas diarias hasta por una suma equivalente a trescientos (300) salarios mínimos mensuales, liquidados al momento de dictarse la respectiva resolución; b. Suspensión del registro o de la licencia, la concesión, permiso o autorización; c. Cierre temporal o definitivo del establecimiento, edificación o servicio respectivo y revocatoria o caducidad del permiso o concesión; d. Demolición de obra, a costa del infractor, cuando habiéndose adelantado sin permiso o licencia, y no habiendo sido suspendida, cause daño evidente al medio ambiente o a los recursos naturales renovables; e. Decomiso definitivo de individuos o especímenes de fauna o flora o de productos o implementos utilizados para cometer la infracción. 2. Medidas preventivas: a. Amonestación verbal o escrita; b. Decomiso preventivo de individuos o especímenes de fauna o flora o de productos e implementos utilizados para cometer la infracción; c. Suspensión de obra o actividad, cuando de su prosecución pueda derivarse daño o peligro para los recursos naturales renovables o la salud humana, o cuando la obra o actividad se haya iniciado sin el respectivo permiso, concesión, licencia o autorización; 52 CONGRESO DE COLOMBIA. REPUBLICA DE COLOMBIA - GOBIERNO NACIONAL. Ley 99 (22 de diciembre de 1993). Por la cual se crea el MINISTERIO DEL MEDIO AMBIENTE, se reordena el Sector Público encargado de la gestión y conservación del medio ambiente y los recursos naturales renovables, se organiza el Sistema Nacional Ambiental – SINA y se dictan otras disposiciones. Bogotá, D. C. 135 d. Realización dentro de un término perentorio de los estudios y evaluaciones requeridas para establecer la naturaleza y características de los daños, efectos e impactos causados por la infracción, así como las medidas necesarias para mitigarlas o compensarlas. PARÁGRAFO 1.- El pago de las multas no exime al infractor de la ejecución de las obras o medidas que hayan sido ordenadas por la entidad responsable del control, ni de la obligación de restaurar el medio ambiente y los recursos naturales renovables afectados. PARÁGRAFO 2.- Las sanciones establecidas por el presente artículo se aplicarán sin perjuicio del ejercicio de las acciones civiles y penales a que haya lugar. PARÁGRAFO 3.- Para la imposición de las medidas y sanciones a que se refiere este artículo se estará al procedimiento previsto por el Decreto 1594 de 1984 o al estatuto que lo modifique o sustituya. 136 ANEXO H CARACTERIZACIÓN DE LOS EFLUENTES DESPUÉS DE TRAMPA DE GRASAS 137 ANEXO I CARACTERIZACIÓN DE LOS EFLUENTES DESPUÉS DE TRATAMIENTO BIOLÓGICO 138 139 ANEXO K FICHA TÉCNICA ACCELOBAC 5000 140 ANEXO L FICHA TÉCNICA MAINTAIN D 141 ANEXO M FICHA TÉCNICA NS 142 143