SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUASAFLUENTES Y RESIDUALES

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SISTEMAS PARA EVITAR INGRESO Y ESCAPE DE ESPECIES

MEMORIA TÉCNICA

Profesionales responsables:

Ingeniero Pesquero Marcelo Concha FuenzalidaIngeniero Civil Químico Javier Ramírez López

CONTENIDOS

1.- DISEÑO DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES 2

1.1.- MARCO LEGAL 2

1.2.- BREVE CARACTERIZACIÓN DE LOS EFLUENTES DE UN CULTIVO EN TIERRA DE TRUCHA ARCOIRIS 2

1.3.- BREVE DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS 3

1.4.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS DEL PROCESO DE SEDIMENTACIÓN 4

1.5.-FUNDAMENTOS TEÓRICOS DEL PROCESO DE FILTRACIÓN BIOLÓGICA 9

1.6.- DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE LA UNIDAD DE SEDIMENTACIÓN 10a) Dimensionamiento del Sedimentador 10b) Diseño y dimensionamiento de los elementos del sedimentador 11

1.7.- DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE LA UNIDAD DE BIOFILTRACIÓN 13

2.- DISEÑO DE SISTEMAS QUE IMPIDAN EL INGRESO DE ESPECIES 13

3.- DISEÑO DE SISTEMAS QUE IMPIDAN EL ESCAPE DE ESPECIES DE CULTIVO 14

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1.- DISEÑO DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS AFLUENTES A LA UNIDAD DE INCUBACIÓN.

1.1- MARCO LEGAL: PROTOCOLO PARA LA APLICACIÓN DE EXIGENCIAS SANITARIAS EN LA INCUBACION OVAS DE PECES.

Mediante Decreto Supremo Nº 319 del 2001, El Ministerio de Economía promulgó el Reglamento de Medidas de Protección y Control de Enfermedades de Alto Riesgo (Reglamento Sanitario). Este Reglamento, en su Artículo 36º señala que los centros que realizan que efectúen incubación de ovas de peces deben cumplir con lo siguiente:

1. Realizar el tratamiento de las aguas afluentes, para la etapa de incubación, que asegure la destrucción de agentes patógenos causantes de enfermedades de alto riesgo (las cuales están clasificadas en la Resolución (SUBPESCA) Nº 1136/03).

2. Instalar una barrera natural o artificial que impida la migración de los peces de las secciones inferiores del curso fluvial hasta el centro de incubación o hasta su centro de aprovisionamiento de agua, cuando corresponda.

Además de lo mencionado, la Unidad de incubación o hatchery debe cumplir con las siguientes características, procedimientos y condiciones:

1. Ser una unidad aislada.2. Disponer de barreras físicas que impidan el acceso de peces por el o los

afluentes.3. Disponer de sistemas de tratamiento de aguas que permitan la remoción de

material en suspensión o particulado, de manera que se asegure una transmitancia a 254 nm del 90% u otro parámetro equivalente. Lo anterior con la finalidad de garantizar el adecuado funcionamiento de los equipos de desinfección.

4. Disponer de sistemas que aseguren la eliminación de agentes patógenos de enfermedades de alto riesgo.

5. Disponer de un sistema de registros de los procedimientos y actividades de mantención de los equipos de desinfección y remoción de sólidos.

6. Sistema de generación eléctrica que garantice la operación continua de todos los equipos.

1.2.- BREVE DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS AFLUENTES A LA UNIDAD DE INCUBACIÓN (HATCHERY).

El sistema de tratamiento diseñado tiene por objeto producir de agua de calidad, que garantice la eliminación de agentes patógenos de enfermedades de alto riesgo, de forma tal, de favorecer la gestión sanitaria en las primeras etapas y asegurar el éxito de las etapas posteriores del cultivo de truchas de la Piscicultura.

El sistema cuenta de tres componentes (FIGURA 1); 1 filtro mecánico de arena, un filtro de cartucho o cartridge y un esterilizador UV. Con el desempeño conjunto de estos tres componentes, se cumplirá con la normativa recién señalada y se garantizará, agua sanitizada, calidad en las ovas y finalmente aguas efluentes más limpias.

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1.3.- FUNDAMENTOS DE FILTRACIÓN MECÁNICA DE ARENA Y CARTUCHO

El más simple de los filtros y/o sistemas de filtración es el mecánico, a veces llamado clarificador. Es usado para remover partículas de distintos tamaños desde un medio líquido. En sus formas más básicas previene la entrada de palos; hojas; peces; y otros objetos mayores al sistema de cultivo; y en sus formas más complejas retiene micropartículas.

- Filtro de arena. Estos filtros son muy útiles para filtración primaria y están compuestos de camas o estratos de arena y/o piedras de diferente diámetro (FIGURA 2). El agua pasa por entre los intersticios –los espacios entre las piedrecillas- dejando atrapadas las partículas de mayor tamaño, provocando la filtración. Asimismo este tipo de filtro, favorece la colonización de bacterias nitrificantes, las que actúan reaccionando con elementos tóxicos para los peces, volviéndolos atóxicos. Este tipo de fenómeno será revisado con mayor detalle en los fundamentos de la filtración biológica (Pto. 2.5).

FIGURA 2: Esquema básico de funcionamiento de un filtro mecánico

- Filtro de cartucho. Este tipo de filtro es utilizado para dar una filtración más refinada al agua. Generalmente son carcazas de PVC o acero inoxidable que cuentan con una cámara donde se dispone un cartucho compuesto de un material poroso que permite la filtración de micropartículas. Mediante la presión se forza al agua pasar por los pliegues del cartucho atrapando las partículas. Dependiendo del filtro y del

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FILTRO ARENA

FILTRO CARTUCHO

SANITIZADORUV HATCHERY

FIGURA 1: Esquema del sistema de tratamiento aguas afluentes hatchery.

Estratos o camas

cartucho, se pueden tener, por ejemplo, filtraciones de 1 a 20 micras en las afueras del cartucho.

1.4.- FUNDAMENTOS DE SANITIZACIÓN ULTRAVIOLETA

La radiación Ultravioleta (UV), producida por el sol, es un esterilizador natural. Está ubicada en una región de energía del espectro electromagnético que se sitúa entre la luz visible y los rayos X, con una longitud de onda entre 10 y 400 nanómetros (nm).

Actualmente esta luz se genera por lámparas UV, conocidas como germicidas, que son similares en diseño a los tubos fluorescentes. La luz es emitida como resultado de un flujo de corriente (arco fotovoltaico) a través de vapor de mercurio a baja presión, entre los electrodos de la lámpara, produciendo la mayor parte de su emisión a 254 nm. Esta longitud de onda, produce en los microorganismos la máxima absorción de UV, y esto provoca un efecto destructivo sobre bacterias, hongos, virus y otros organismos unicelulares.

Los microorganismos son destruidos por la penetración de la radiación UV en su ácido nucleico, ADN, causando una modificación en sus componentes que alteran su reproducción genética quedando inhabilitados para replicarse, es decir, quedan estériles.

Los microorganismos difieren en su sensitividad al efecto de la luz UV. Esta variación se debe a la estructura de la pared celular; la composición química; la presencia de proteínas o la diferencia del ácido nucleico mismo. De esta manera, para dimensionar y diseñar el sanitizador UV, se debe conocer exactamente el flujo de agua que se va tratar, y los microorganismos que se quiere desinfectar, con esta información se podrá determinar la dosis de radiación UV, es decir, el producto entre la intensidad y el tiempo de reacción.

DOSIS (цwatts*seg/cm2)= INTENSIDAD x TIEMPO DE CONTACTO

La intensidad es la cantidad de energía UV por unidad de área medida en microwatts por centímetro cuadrado. El tiempo de contacto o reacción es la cantidad de tiempo que el fluido es expuesto a la luz UV en el fotoreactor (medido en segundos). La dosis de UV es expresada en microwatts segundo por centímetro cuadrado.

Como ejemplo de esta dosificación se presenta la TABLA 1 de dosificación para bacterias:

TABLA 1: Dosis germinicida de principales bacterias

BACTERIA ENFERMEDAD DOSIS (цwatts*seg/cm2)Vibrio Anguilarum Vibriosis 22.100Aeromonas Salmonicida Forunculosis 22.100Yersenia Ruckeri ERM 24.000Pseudomonas Degeneración de aletas 10.200Fuente: Catálogos Katadyn – Rainbow Lifegard1.5.- DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE LOS FILTROS MECÁNICO DE ARENA Y DE CARTUCHO.

El filtro de arena, cumple con tres objetivos básicos, el primero, filtrar de macropartículas las aguas afluentes de la unidad de incubación, el segundo, producir filtración biológica de los compuestos tóxicos productos de la respiración de la biota

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presente en el agua, y el tercero, operar como un sistema de retención de especies que eventualmente pudiesen ingresar al sistema.

El filtro será construido de hormigón armado y tendrá tres cámaras, tal como lo indica la FIGURA 3, el agua cae en la cámara 1 -ripio-, donde se produce la primera separación de sólidos, posteriormente y el agua pasa hacia la segunda cámara –arena semifina- por la sección inferior de la primera cámara, donde se produce una filtración de mayor intensidad, y finalmente, por rebalse cae en la cámara 3 -arena fina- donde se produce una filtración profunda para finalmente ser colectada por una tubería de HDPE de 2 pulgadas de diámetro que conduce el agua pretratada al filtro de cartucho.

FIGURA 3: Diseño y dimensionamiento del filtro mecánico de arena para suministro de la unidad de incubación

Actualmente existen un importante número de empresas proveedoras de filtros de cartuchos, por lo que los diseños han sido optimizados y prácticamente queda sólo la decisión del nivel de filtración requerido.

El objetivo básico del filtro de cartucho es filtrar las micropartículas suspendidas en el agua de forma de asegurar el eficiente funcionamiento del sanitizador UV. Para tal efecto, se seleccionará un filtro de cartucho con capacidad de filtración de 10 micras, con lo que se asegura que las partículas finas que causan la turbidez del líquido y que perjudican el desempeño del UV serán removidas.

Es importante mencionar que para su correcto desempeño este filtro deberá ser limpiado continuamente, ya que no son retrolavables y deberá tener una altura mínima de 10 metros de columna de agua. (FIGURA 4).

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FIGURA 4: Fotografía del tipo de filtro de cartucho seleccionado (sólo es 1 carcaza)

1.6.- DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DEL SANITIZADOR UV

El Mercado ofrece una amplia gama de esterilizadores UV, por lo que la decisión de diseño y dimensionamiento debe considerar razones de eficiencia técnica, costo, calidad y servicio técnico.

Se determinó utilizar una unidad de desinfección por Luz UV serie UV-40, consistente en una cámara de PVC clase 10 sanitario. Esta unidad ensamblada en Chile es resistente a altas presiones y puede ser equipada con lampara Hi (High Intensity) para mayor potencia UV (FIGURA 5). El proveedor de esta unidad es Biolight Chile, empresa que cuenta con años en especialización en esterilización en cultivos de salmónidos, y además posee un reconocido y oportuno servicio técnico.

La dosis germicida diseñada para esta unidad operando con un flujo nominal de 4 m3/h es de 30.000 µwatts·seg/cm2 (u.g.). Este valor supone una transmitancia de al menos un 90% (a 254 nm) y un contenido de sólidos en suspensión menor a 2 ppm (valores que serán garantizados por el uso del filtro de cartucho). En síntesis, el diseño seleccionado cumplirá las necesidades de sanitización de la unidad de cultivo de acuerdo a su caudal de diseño 1 lt/seg.

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FIGURA 5: Fotografía del esterilizador seleccionado (sólo es 1 carcaza)

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2.- DISEÑO DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES.

2.1- MARCO LEGAL.

El sistema considera disponer de aguas residuales que interpreten y respeten, en su cabalidad y con creces, las exigencias señaladas en: el Reglamento Medio Ambiental de la Acuicultura (RAMA) D.S. N°320/2001, en su artículo 4°; dar cumplimiento del Artículo 12 numeral 4) literal b) del D.S. Nº 175/80, modificado por el D.S. Nº 427/89, ambos del MINECON con la finalidad de retener el 85% de los sólidos suspendidos totales; la norma técnica relativa a Descargas de Riles a cursos y masas de aguas superficiales y subterráneas de la Superintendencia de Servicios Sanitarios; y el Decreto Nº867/78 del Ministerio de Obras Publicas. Norma Chilena Oficial NCh 1333 Of 78.

Dadas las características del sistema productivo, su magnitud, los procedimientos de monitoreos de efluentes, se asegura que el sistema de tratamiento diseñado cumplirá en su totalidad las normativas señaladas.

2.2.- BREVE CARACTERIZACIÓN DE LOS EFLUENTES DE UN CULTIVO EN TIERRA DE TRUCHA ARCOIRIS.

Los posibles efectos polutivos de efluentes de un centro de cultivo, como el de la Piscicultura Santa Natalia de Tranquilla, pueden ser directamente medidos en términos de la concentración de sólidos suspendidos; la demanda biológica de oxígeno, en un periodo dado (DBO), y la concentración de residuos químicos excedentes de tratamientos a peces.

Las fuentes primarias de esos elementos son: alimentos no consumidos; fecas; orinas y residuos de tratamientos, etc.

En el caso de la piscicultura Santa Natalia, y dado su carácter de manejo, las materias resultantes, que podrían afectar el entorno son originadas solamente por los procesos de alimentación y de respiración; las fecas de los peces, su orina y una pequeña parte del alimento no consumido y el CO2. Este CO2 reemplaza en proporción al oxígeno disuelto en el agua, limitando la biodisponibilidad de este elemento. Asimismo son subproductos de la alimentación, el Amonio, Nitrógeno como Nitrito y Nitrato, y el Fósforo, como orto-fosfato, los cuales son tóxicos para muchas especies.

Las cantidades de estos elementos que se entreguen al medio dependen de la cantidad de alimento suministrado, de su FCR, de la tecnología de cultivo utilizada y de la calidad de agua inicial de la piscicultura (O2; pH; T°).

2.3.- BREVE DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS

El sistema de tratamiento de las aguas efluentes tiene por objeto descargar al río Choapa, aguas residuales de buena calidad química, física y biológica, cumpliendo la normativa y los objetivos ambientales de la piscicultura.

En este punto es relevante señalar que la calidad del agua efluente tiene directa relación con la calidad del agua inicial, la biomasa cultivada y la tecnología ocupada para el cultivo, a esta razón, la piscicultura cuenta con aguas altamente oxigenadas (12 ppm a 15°C); además no se pretende cultivar cantidades de peces que generen un alto impacto orgánico, como también se utilizarán alimentos reconocidos que han demostrado una alta eficiencia alimenticia (FCR) y bajos niveles de fósforo; también se

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limitará el uso de químicos, manejando el plantel prácticamente como un cultivo orgánico, y se utilizarán estanques circulares los cuales originan fuerzas centrífugas que estimulan la acumulación y sedimentación de los sólidos suspendidos en el centro del estanque, lo que permite su fácil decantación y remoción y/o limpieza (Summerfelt and Timmons, 2000). Todo ello, contribuirá a que las aguas residuales del cultivo no necesiten de un fuerte tratamiento. Sin embargo, como decisión propia y como vecinos del río Choapa, estas conclusiones no serán consideradas para el diseño de las unidades de tratamiento y se diseñará sin considerar estas condiciones.

Es necesario mencionar que existe mucha experiencia sobre el tratamiento de aguas efluentes de un cultivo de salmónidos de tierra que sugieren que lo óptimo es un tratamiento primario de sedimentación seguido por una remoción biológica de nutrientes. Se tomará como base los siguientes documentos técnicos: Liao & Mayo, (1974); Muir, (1982); Willoughby et al, (1972); Warrer-Hansen (1989); Pillay, T (1992) y Black K (2001).

El sistema comienza con una red de tamices o mallas paralelas que tiene por finalidad filtrar de partículas hasta 1 mm el agua, con el fin de reducir los sólidos suspendidos del medio acuoso, evitar el escape de ejemplares en cultivo y mejorar el desempeño de las unidades que continúan (FIGURA 6).

Luego, se cuenta con una unidad de sedimentación, en donde se separarán los sólidos en suspensión que aún permanecen en el fluido, ocupando la fuerza de gravedad. Para ello se diseñó una unidad que permitiese generar comportamientos laminares simples del flujo. Además, como variable de diseño, se tomó desde la bibliografía la velocidad de sedimentación desde el estudio con mayores similitudes al proyecto (Heen y Utter, 1993).

El sistema continúa con una unidad de oxigenación de aguas. Esta unidad consiste en una serie de paletas y/o estructuras de madera, diseñadas para que el flujo de agua residual choque en ellas, salte y genere burbujas capaces de interaccionar con la atmósfera y provocar el intercambio gaseoso. Con ello se pretende incorporar a flujo oxígeno de forma tal de incrementar la oxidación del nitrógeno y fósforo en sus formas tóxicas y mejorar el desempeño del filtro biológico.

El filtro biológico realizará la depuración biológica de los residuos orgánicos de las aguas. Este biofiltro transformará las formas tóxica del nitrógeno (amonio y nitrito) en una forma no tóxica (nitrato), provocada la reacción aeróbica que se produce por la acción de bacterias nitrificantes del tipo Nitrosomas y nitrobacter que transforman el Amonio (NH4+) en Nitrito (NO2) y posteriormente en Nitrato (NO3). Por ello es necesario, brindar las condiciones necesarias para que estas bacterias se establezcan en un sustrato sumergido y en caso de emergencia proporcionar externamente oxígeno para ello se dispondrá en sus cercanías un tanque de oxígeno.

Finalmente, se encuentra el desagüe de la unidad que cuenta con un nuevo dispositivo de retención para prevenir posibles escapes de ejemplares en cultivo y la entrada de organismos aguas arriba desde el río, será un tamiz de 1 mm de diámetro.

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DISPOSITIVOS RETENCIÓN SALIDA DE ORGANISMOS

UNIDAD DE SEDIMENTACIÓN DE SÓLIDOS SUSPENDIDOS

UNIDAD DE OXIGENACIÓN MECÁNICA

UNIDAD DE FILTRACIÓN BIOLÓGICA

DISPOSITIVOS RETENCIÓN ENTRADA DE ORGANISMO

RILES PISCICULTURA

RILES PISCICULTURA TRATADOS AL RÍO

FIGURA 6: Diagrama de flujo del sistema de tratamiento de efluentes de la Piscicultura Santa Natalia

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2.4.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS DEL PROCESO DE SEDIMENTACIÓN

El estudio teórico de la sedimentación está relacionado con los fenómenos de sedimentación en caída libre, y en el que intervienen el modelo de Stokes -para régimen laminar (Ec.1)- y el de Newton -para régimen turbulento-. Con las formulaciones, modeladas por los científicos mencionados, se calculan las velocidades de sedimentación de las partículas.

En el diseño del sedimentador y todo su análisis se considerará el primer modelo (Stokes) para flujos laminares.

Sedimentación simple:

Se entiende por sedimentación simple a aquellos fenómenos mediante los cuales los sólidos en suspensión en un fluido son separados del mismo, debido al efecto de la gravedad.

Se distinguen dos tipos de materias separables por sedimentación.

-Las partículas granulares o discretas, son aquellas que sedimentan independientemente una de las otras con una velocidad de caída constante, y que no cambian de densidad, tamaño o forma al descender en el líquido.

- Las partículas floculadas, son aquellas que resultan de una aglomeración natural o provocada de las partículas coloidales en suspensión. Al descender en el líquido se adhieren o aglutinan entre sí, cambiando de tamaño, forma y peso específico durante la caída. 

De acuerdo a Wong, K.B. and Piedrahita, R.H. (2001), los sedimentos producto de el cultivo de truchas -considerando el uso de alimentación moderna-, ya sea alimento no digerido o fecas, corresponden y se comportan, como partículas granulares o discretas. Esto también se afirma por la profundidad de diseño del sedimentador y las velocidades de sedimentación de las partículas, las que no permitirían el tiempo para que se produzca la floculación.

Las velocidades de sedimentación son descritas en el modelo DEPOMOD de sedimentación ocupado por las Agencias Ambientales Regulatorias de Canadá y Escocia, observadas por Cromey et al 2000; Panchang et al 1997; Chen et al 1999; Elberizon I y Kelly L.A. 1998; Wong, K.B. and Piedrahita, R.H. (2000); Chen, y Beveridge McM y Teffer T.C (1999).

Revisando esos antecedentes más la experiencia del equipo consultor se puede afirmar que en estos sedimentos no hay interacción entre las partículas y se comportan como unidades separadas ya que no se generan las distancias ni los tiempos apropiados para que las partículas comiencen a flocular.

Teoría de la Sedimentación de las Partículas Discretas

La teoría de Sedimentación fue desarrollada por Hazen y Stokes. Su modelo de sedimentación de partículas se resume en la siguiente ecuación, de donde se concluye que la velocidad de sedimentación de un partícula es directamente proporcional al cuadrado del diámetro de ésta.

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Vs = (g / 18)/( (s - )/ ) * d2

En donde,

Vs = Velocidad de sedimentación; g = Aceleración de gravedad; s = Peso específico de la partícula; = Peso específico del fluido; = Viscosidad cinemática del fluido; d = diámetro de la partícula

Por lo tanto, entre mayor sea el diámetro de la partícula o mayor sea su peso específico mayor será su velocidad de sedimentación, tal como puede verse en la FIGURA 7. En la misma figura puede observarse que el comportamiento, en flujos laminares, de la Vs en función del diámetro de la partícula es prácticamente lineal.

En el estudio de sedimentación y el diseño de la unidad para este proyecto se establecieron las siguientes suposiciones teóricas:

El flujo se reparte uniformemente a través de la sección transversal del sedimentador. El agua se desplaza con velocidad uniforme a lo largo del estanque. Toda partícula que toque el fondo antes de llegar a la salida, será removida, es decir, no se produce el fenómeno de resuspensión.

FIGURA 7: Velocidad de sedimentación en función del diámetro de la partícula y de las características mecánicas del fluido

Adicionalmente, se realizó el diseño suponiendo que se ha de remover una partícula cuyo diámetro es d y para ello se analizará la trayectoria de dicha partícula a lo largo del tanque sedimentador.

Como se observa en la FIGURA 8, la partícula de diámetro d más crítica es aquella que entra por la parte superior del estanque sedimentador, debido a que tendrá que

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(Ec.1)

recorrer una altura H, y una longitud L, más desfavorable antes de decantar en el fondo del estanque. Esta trayectoria crítica como se indica en la FIGURA 8 (trayectoria 1). Dicha partícula tiene una componente de velocidad horizontal Vh y una vertical Vo, haciendo su recorrido en un tiempo t.

En primer lugar, todas las partículas con igual componente de velocidad vertical, Vo, serán removidas sin importar su punto de entrada. Igualmente todas las partículas con velocidad de sedimentación Vs, mayor que Vo, serán removidas dependiendo de su nivel de entrada al tanque, h.

FIGURA 8: Trayectoria de partículas en el sedimentador

Por semejanza de triángulos se tiene:

L/Vh = H/Vo (L*W) / (Vh * W) = H / Vo V / Q = H / Vo (Ec. 2)

Siendo V= volumen del estanque y Q= caudal. La velocidad de la partícula crítica, Vo, será:

Vo = (H*Q) / V Vo = Q / A (Ec. 3)

Siendo A= Área superficial = B*L.

Según la ecuación de Stokes (Ec.1)

Vs = (g / 18)/( (s - )/ ) * d2 = K * d2

Reemplazando la velocidad de la partícula crítica (Ec. 3) en la ecuación de Stokes, se tiene:

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Vh

Trayectoria 1Vs

Vs

Vs

Trayectoria 3

Trayectoria 2

W=B*H H

h

B L

Vh

K * d2 = Q / A = (Q / (K*A)) (Ec. 4)

Analizando la ecuación 4, se encuentra que para un caudal dado, el diámetro de la partícula que ha de removerse es en función del área del estanque. La remoción de partículas es también en función de la profundidad del estanque, ya que si esta disminuye se retendrá la partícula con diámetro d en un tiempo menor, lo que equivale a decir que se retendrá u número mayor de partículas con Vs menor que Vo.

La relación Q/A es llamada “carga hidráulica superficial” y es igual a la velocidad de sedimentación de la partícula crítica, Vo.

Carga hidráulica superficial: es la velocidad mínima de sedimentación Q/Ah , que se espera que en promedio tenga un cierto porcentaje (70-98%) de partículas de la suspensión. La determinación de la carga superficial puede hacerse experimentalmente efectuando un ensayo de sedimentación.

Por otra parte, la relación V/Q es llamada “Periodo de Retención Hidráulico” y H/Vo es el tiempo que tarda la partícula crítica en ser removida (t). En teoría, para remover esta partícula se debe cumplir que:

(V/Q)/(H/Vo) 1 (Ec. 5)

En realidad, el flujo no se distribuye uniformemente debido a las limitaciones que las velocidades no son constantes porque existen corrientes térmicas y zonas muertas, el viento crea contracorrientes en la superficie, y finalmente porque existe resuspensión de partículas que llegan al fondo (López, 1999).

Debido a que no se cumplen las suposiciones del desarrollo de la teoría, habrá partículas removidas con Vs menores que Vo.

Se adopta entonces un factor de seguridad en función de :

1) Porcentaje de remoción de partículas con VsVo

% Remoción = (N° partículas con VsVo) / (N° partículas con VsVo) * 100 (Ec. 6)

2) Grado de sedimentador (Utilización de pantallas deflectoras)

La calificación de eficiencia de las pantallas deflectoras se hace a través del grado del sedimentador.

= 1 , deflectores deficientes o sin ellos

= 2 , deflectores regulares

= 3 , deflectores buenos

= 4 a 8 , deflectores muy buenos

> , caso teórico

Entonces, la igualdad queda así:

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/t=(V/Q)/(H/Vs)=((Vs*V)/(H*Q))=Vs*(A/Q)=Vs /(Q/A)=Vs/Vo (Ec. 7)

siendo,

Vs = Velocidad de sedimentación efectiva

Vo= velocidad de sedimentación teórica (Q/A)

Vs/Vo = Número de Hazen

El factor /t del número de Hazen se ha determinado por medio de curvas empíricas. Con el fin de operar adecuadamente el sedimentador, Lopez (1999) hace las siguientes recomendaciones.

1) Vh 20 Vs2) 9 Vh/Vo 153) la velocidad horizontal debe ser menor que la velocidad de arrastre de las

partículas con el fin de evitar la resuspensión de los sedimentos.

Vh Vr = ( (8*k / f )* g * (s - ) * d) (Ec. 8)

2.5.-FUNDAMENTOS TEÓRICOS DEL PROCESO DE FILTRACIÓN BIOLÓGICA

La función principal de este filtro es trasformar sustancias nitrogenadas nocivas (NH4+

– NO2) que hay presentes en el efluente por otras que resulten menos peligrosas para la biota. Los filtros biológicos se denominan así puesto que esta acción detoxicante la lleva a cabo la propia naturaleza a través de bacterias del tipo Nitrobacter sp. y Nitrosomonas sp.

Producto de la degradación de la materia orgánica y del metabolismo de los peces, aparece el amoníaco en el agua. El amoníaco es muy tóxico para los peces, y niveles relativamente bajos son letales. Sin embargo, en presencia de oxígeno, estas bacterias transforman este amoníaco en compuestos nitrogenados sin peligro como son los nitritos y posteriormente en nitratos. Los nitratos son parcialmente consumidos por las plantas como fuente de nitrógeno para la síntesis de sus propias proteínas, y otra parte queda disuelta en el agua. Los nitratos son mucho menos tóxicos para los peces que el amoníaco o los nitritos.

El funcionamiento de un filtro biológico es simple, está compuesto por un material que ofrece gran cantidad de superficie en un volumen reducido para que las bacterias la colonicen. El agua circula a través del material de relleno del filtro, sobre el cual han crecido las bacterias, las cuales a su vez toman amoníaco o nitritos del agua para trasformarlos en substancias menos nocivas (nitritos y nitratos respectivamente). Las bacterias encargadas de llevar a cabo esta labor son aerobias, es decir, necesitan de la presencia de oxigeno para crecer y sobrevivir, por lo que es esencial que el agua tenga unos niveles adecuados de oxígeno al pasar por el filtro biológico.

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2.6.- DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE LA UNIDAD DE SEDIMENTACIÓN

El sedimentador es un estanque construido con el propósito de sedimentar partículas en suspensión por la acción de la gravedad. Esta unidad constituye el tratamiento primario del efluente de la piscicultura para posteriormente ser tratada biológicamente.

a) Dimensionamiento del Sedimentador

Variables de diseño

a) Caudal efluente 80 (lt/seg)= 0.08 (m3/seg) *

* Se diseñará el sedimentador con el caudal límite autorizado por la DGA, aunque todo el proyecto sólo necesite como máximo flujo 50 lt/seg

b) T° promedio del agua = 15°C (mediciones en terreno)

c) Viscosidad cinemática = 0.01059 (cm2/seg)

d) Velocidad sedimentación partícula = 0.7 (cm/seg)

Con estos valores, es necesario establecer la tasa de tratamiento (θ/to) a partir de las curvas de Hazen, teniendo en cuenta los valores de :

% de eliminación de sedimentos: >85% en este caso y el tipo de rendimiento de los deflectores del sedimentador, en este caso (n= 3) considerados como buenos.

Para ello se consultará la TABLA 2, a continuación:

TABLA 2: Número de Hazen en función de la eficiencia de los deflectores en sedimentadores

Remoción %

Condiciones deflectores

(Rendimiento)87.5 80 75 70 65 60 55 50

n=1 7.00 4.00 3.00 2.30 1.80 1.50 1.30 1.00

n=3 2.75 0.76

n=4 2.37 0.73

Máximo teórico 0.88 0 0.50

Fuente: López(1999)

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De la tabla anterior se obtiene que para n=3 (deflectores buenos) y remoción superior al 85%, θ/to = 2.75.

Suponiendo una profundidad útil de sedimentación media H de 1.5 mt y la velocidad de sedimentación sugerida por Heen y Utter (1993) (0.7 cm/seg), de forma de asegurar que los residuos orgánicos producto de la actividad acuícola sean sedimentados, y de acuerdo con Warrer-Hansen (1982) quien sugiere que la velocidad de sedimentación no supere los 2-4 cm/s.

Entonces el tiempo t que tardaría una partícula en llegar al fondo sería:

t = H/Vs = 120/0.7 = 171.43 seg.

El periodo de retención hidráulico será:

θ = 2.75 * t = 2.75 * 171.43 = 471.43 seg

El volumen del estanque será por consiguiente:

V = θ * Q = 471.43 * 0.08 = 37.71 m3

El área superficial del estanque es:

As= 31.71 / 1.20= 31.43 m2,

Considerando la siguiente relación de aspecto para el sedimentador, Largo :Ancho = 3:1

Ancho = 3.24 ≈ 3.5 m

Largo = 9.71 ≈ 10 m

La carga hidráulica superficial diaria será:

q diaria =Q diario/As = 0.08*3600*12/31.43 = 109.9 m3/m2 día

b) Diseño y dimensionamiento de los elementos del sedimentador

La unidad de sedimentación consta de las siguientes zonas, con diferentes funciones específicas. Los criterios y parámetros hidráulicos de diseño tienen gran influencia en la eficiencia de los sedimentadores o decantadores. A continuación se detallan los principales:

A. Zona de entrada y distribución de aguaB. Zona de sedimentación propiamente dichaC. Zona de salida o recolección de aguaD. Zona de depósito de lodos.

A. Zona de entrada. Está compuesta por la cámara de aquietamiento, una ampliación de la sección transversal que conduce el efluente en donde se disipa el exceso de energía que trae el flujo y tres deflectores cortina, estos elementos favorecen la remoción de las partículas en este tipo de unidades, debido a: (i)

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Aumento del área de sedimentación, (ii) Disminución de la altura de caída de la partícula y (iii) régimen de flujo laminar, ya que obliga a las líneas de flujo a descender rápidamente de manera que sedimente el material particulado más grueso.

B. Zona de sedimentación. Es la zona donde se sedimentan todas las partículas restantes y en donde se cumple en rigor con las leyes de la sedimentación anteriormente expuestas. En esta zona las alteraciones del flujo por deflectores u otros disposotivos deben evitarse, de forma de permitir una distribución uniforme del flujo de agua hacia la zona de sedimentación. La profundidad útil de sedimentación es H = 1.5 m.

C. Zona de lodos: Es el lugar donde se acumulan los lodos producto de la pendiente de diseño del sedimentador. Esta zona presenta una declinación de 1,6° con la finalidad que los lodos se acumulen en este sector. La inclinación es baja para evitar que se produzca la resuspensión del material ya sedimentado.

D. Zona de salida: Esta zona está constituida por una pantalla deflectora sumergida, el vertedero de salida y el canal de recolección.

A continuación en la FIGURA 9, se presenta un detalle del diseño del sedimentador.

FIGURA 9: Diseño y dimensionamiento del estanque de sedimentaciónFactores externos

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10

3.5

7.0

Como factor externo limitante sólo se considerará el viento y luego de estudiar su efecto sobre las deposiciones, se considerará disponer de mallas cortavientos, como las utilizadas en la agricultura en los sectores de exposición al viento.

Los lodos generados por el sedimentador, serán recolectados manualmente cada semana y serán dispuestos para la reutilización del material orgánico sedimentable o en si es que los análisis químicos de los lodos no lopermiten, serán llevados a contenedores para su posterior disposición en sitios autorizados. Vale mencionar que el sedimentador estará completamente cubierto por geomembrana de 1.5 mm. Ello permitirá, por un lado, que el agua no se infiltre en el sustrato y pueda ser devuelta en su totalidad al río, y por otro, facilitará las operaciones de limpieza de lodos. Es destacar que en caso de ocupar el lodo como principio para abono no será necesario un lugar para acopiar y secar los lodos ya que es pertinente mantener la humedad de las camas de lombrices o compost.

2.7.- DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE LA UNIDAD OXIGENACIÓN Y BIOFILTRACIÓN.

Para que el filtro biológico pueda operar de forma eficiente es necesario que el agua esté oxigenada, permitiendo de esta manera la oxidación de los compuestos tóxicos producto de los procesos catabólicos animales. Aún cuando las aguas del río Choapa son altamente oxigenadas, se diseñó un sistema para la oxigenación mecánica del flujo efluente del sedimentador.

Este sistema dispone de una serie de oxigenadores de cascada que permitirán la elevación de las capas superficiales del flujo, en forma de burbujas, provocando la oxigenación a través del intercambio gaseoso con la atmósfera. (FIGURA 10).

FIGURA 10: Diseño de la unidad de oxigenación mecánica

Entre los diferentes sistemas de filtración biológica, el filtro de placa o filtro biológico sumergido permite la formación de praderas de microorganismos heterótrofos sobre un sustrato fijo que permiten la “limpieza” –biodegradación del agua.

Es condición de diseño que el filtro estimule el asentamiento de bacterias, para ello se requiere un material adecuado –no tóxico- y el oxígeno necesario para la respiración. Se aportará oxígeno, previamente mediante la unidad de aireación.

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Los filtros que presentan un mayor rendimiento son aquellos que tienen como elementos de sustentación de bacterias las formas esféricas. Por ello, se seleccionaron piedras menores de 3 cm de diámetro y conchillas. Esta geometría maximiza el área expuesta para las bacterias y favorece que los detritus pasen por donde serán biodegradados más rápidamente por las bacterias.

El sistema cuenta con dos cámaras, una cámara inicial de aquitamiento de aguas de 1x0.5x0.5 mt. Desde allí el agua pasará desde abajo hacia arriba a la cámara de biofiltración propiamente tal, de 4x0.5x0.5 mt donde se producirá la transformación de los compuestos tóxicos (FIGURA 11). El periodo de retención hidráulico del sistema será de 10 segundos.

FIGURA 11: Diseño y dimensionamiento del biofiltro

Este filtro servirá asimismo para impedir la entrada de organismos desde el cauce del río Choapa hacia las instalaciones de la piscicultura.

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3.- DISEÑO DE SISTEMAS QUE IMPIDEN EL INGRESO DE ESPECIES

Para impedir la entrada de especies al cultivo se instalarán una serie de mallas de distinto tamaño de malla en 3 sectores del canal de entrada del afluente a la piscicultura. Estas mallas serán puestas sobre un marco de madera que facilitará su disposición y operación. La finalidad de estos tamices es evitar la entrada de elementos mayores a 1 cm, que eventualmente perjudicarían el funcionamiento de mallas de menor tamaño de malla tapándolas. Finalmente se instalará una rejilla de filtración en la boca efluente de la Bocatoma (FIGURA 12) con tamaño de malla de 1 mm. Las mallas serán preferentemente de planchas perforadas de PVC.

FIGURA 12: Sección Transversal del sistema de bocatoma

Para mejorar el funcionamiento de estos sistemas de filtración y así evitar tapaduras y rebalses, las rejillas deben ser revisadas al menos dos veces al día y los elementos filtrados deben ser limpiados y devueltos al canal.

La disposición de las mallas y cualquier otro tipo de protección será consecuente con el flujo del agua, ya que éstas estructuras no debieran intervenir ni ser barreras al paso del agua, puesto que se correría el peligro de un rebalse del canal en los sectores donde van los perfiles con las mallas. Por estas razones, la limpieza de estas estructuras será un trabajo diario, el que aumentará en consideración al estado de turbidez de las aguas del canal.

Asimismo también evitarán la entrada de organismos al cultivo, el sistema de filtración y sanitización diseñado para la Unidad de Incubación (Filtro de arena + filtro de cartucho + UV).

Por otra parte, se dispondrán de una serie tamices de 1 cm en el punto de descarga de efluentes, lo que reducirá la probabilidad de entrada de organismos desde el cauce del río a las instalaciones de la Piscicultura. Esta probabilidad será disminuida aún más con la presencia del filtro biológico, el que asegurará certeramente que no ingresen organismos desde el río.

4.- DISEÑO DE SISTEMAS QUE IMPIDEN EL ESCAPE DE ESPECIES DE CULTIVO

Dadas las características de un cultivo con circuito controlado, y en particular por el manejo de aguas propuesto para el cultivo y por su posterior tratamiento, es improbable el escape de ejemplares de trucha, ya sea en sus primeros estadios como en sus etapas finales.

En las primeras etapas, cultivo de ovas y alevines, se utilizarán las bateas de incubación y se mantendrán en bandejas tamizadas. Para el caso de las ovas es improbable que un huevo escape de la bandeja, porque no tiene movimiento y porque la operación de picaje es consuetidinaria. Para el caso de alevines, la batea cuenta con

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una placa deflectora en la porción posterior del estanque que hace que las corrientes de flujo bajen para ingresar al tubo recolector de aguas residuales, el cual contará con un tamiz de 1 mm. Con ello se impedirá cualquier escape de unidades de cultivo desde el hatchery.

En la engorda, los individuos serán llevados a los estanques circulares de 2.5 y 4.5 metros de diámetro. El escape en estos estanques es prácticamente imposible. Los individuos deberían pasar por debajo del tubo que permite que el agua recircule desde abajo; vencer el tamiz de 1 mm que está en cada estanque y entrar por el tubo de aguas residuales (FIGURA 6).

FIGURA 6: Estanque de engorda. CORTE TRANSVERSAL

Como forma de garantizar que no existan escapes al medio, y así, responder mayormente a lo expuesto por las normativas nacionales. Se dispondrá adicionalemte de 2 sistemas de filtrado. Uno en el canal del afluentes residuales, anterior al sedimentador y uno a la salida del biofiltro (1 mm de tamaño de malla). Los cuales ya fueron mencionados anteriormente, con esto se asegura que no existirán escapes de peces o huevos al medio.

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5.- BIBLIOGRAFÍA UTILIZADA

Alabaster, J.S. (1982) A survey of fish farm effluents in some EIFAC Countries. Silkeborg, Denmark, 26-28 May 1981. European Island Fisheries Advisory Commission, Technical paper No.41:5-20.

Azevedo Netto, J.M y Acosta, G. 1976. Manual de Hidráulica. 6 ed. Editorial Harla. México

Baker, R.T., Smith-Lemmon, L.L., and Cousins, B. (2001) Phytase Unlocks Plant Potential in Aquafeeds. Global Aquaculture Advocate: Vol. 4, Issue 2, April 2001Bender, T.R., Lukens,W.B., and Ricker, D.C. (1999) Pennsylvania Fish and Boat Commission, Benner Spring Fish Research Station, 1225 Shiloh Road, State College, PA

Boardman, G. D., Maillard, V., Nyland, J., Flick, G., and Libey, G. S. (1998) Final Report: The Characterization, Treatment and Improvement of Aquacultural Effluents. Departments of Civil and Environmental Engineering, Food Science and Technology, and Fisheries and Wildlife Sciences. VPI and SU Blacksburg, VA 24061

Burrows, R. and Chenoweth, H. (1970) Evaluation of three types of rearing ponds. Research Report 39, U.S. Dept. of Interior, Fish and Wildlife Service, Washington, D.C.

Chen, S., Timmons, M. B., Aneshansley, D. J., and Bisogni, Jr., J. J., 1993. Suspended solids characteristics from recirculating aquacultural systems and design implications. Aquaculture, 112, 143-155.

Division Environmental Protection Branch Environment Canada (2001) Environmental Assessment Section Pollution Prevention. Environmental Assessment of Freshwater Aquaculture Projects: Guidelines for consideration of environment, 35 pp.

Environmental Protection Agency – Office of Research and Development –Manual: Constructed Wetlands Treatment of Municipal Wastewaters, EPA/625/R-99/010; September 2000

Ewart, J. W., Hankins, J.A., and Bullock, D. (1995) State Policies for Aquaculture Effluents and Solid Wastes in the Northeast Region. Bulletin No. 300 Northeast Regional Aquaculture Center, Univ. of Massachusetts, Dartmouth, North Dartmouth, MA

Hammer, D. A. 1993. Designing Constructed Wetlands Systems to Treat Agricultural Nonpoint Source Pollution. Pages 71-111 in Olson, R. K. (ed.). Created and Natural Wetlands for Controlling Nonpoint Source Pollution. U. S. Environmental Protection Agency, Washington, D.C.

Hammer, D.A., and R. K. Bastian. 1989. Wetlands Ecosystems: Natural Water Purifiers? Pages 5-19 in Hammer, D. A. (ed.). Constructed Wetlands for Wastewater Treatment - Municipal, Industrial and Agricultural. Lewis Publishers, Chelsea, Michigan.

Hardy, R.W. (1999) Aquaculture Magazine, Vol. 25, No. 2, pp. 80-83

Heen, K. Manahan, R. Utter, F. (Editors) 1993. Salmon aquaculture. John Wiley & Sons Inc Editorial. Canadá.

22

Hulbert, P.J. (2000) Phosphorus Reduction at Adirondack Hatchery: Is the end in sight? Proceedings: Third East Coast Trout Management and Culture Workshop, June 6-8, Frostburg State University, Frostburg, MD

Jackson, L.S., Li, M.H., and Robinson, E.H. (1996) Journal of the World Aquaculture Society,Vol. 27, No. 3, pp. 309-313

López, R.A. 1999. Diseño de acueductos y alcantarillados. 2° Edición. Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería. Alfaomega Grupo Editor SA de CV. México DF. Pp. 150-172

Mathieu, F. and Timmons, M. B. (1995) Techniques for Modern Aquaculture. J. K. Wang (ed.), American Society of Agricultural Engineers, St. Joseph, MI

National Small Flows Clearinghouse Constructed Wetlands and Aquatic Plant Systems for Municipal Wastewater Treatment. Design Module Number 38

Negroni, Gianluigi (2000) Management optimization and sustainable technologies for the treatment and disposal /reuse of fish farm effluent with emphasis on constructed wetlands. World Aquaculture Vol.31 No.3, pp. 16-19

Papatryphon, E.; Howell, R.A.; and Soares, J.H. (1999) Journal of the World Aquaculture Society,Vol. 30, No. 2, pp.161-173

Posadas, B.C. and LaSalle, M.W. (1997) Use of Constructed Wetlands to Improve Water Quality in Finfish Pond Culture Coastal Research and Extension Center Mississippi Agricultural and Forestry Experiment Station,Mississippi State University 2710 Beach Boulevard, Suite 1-E, Biloxi, Mississippi 39531

Rakocy, J. (1999) The Status of Aquaponics, Part 2, Aquaculture Magazine, Vol. 25, No. 5, pp. 64-70

Reed, S. C., Crites, R. W. and Middlebrooks, E. J. (1995) Natural Systems for Waste Management and Treatment, 2ed edition, McGraw-Hill, Inc., New York

Rodehutscord, M. and Pfeffer, E. (1995) Effects of supplemental microbial phytase on phosphorus digestibility and utilization in rainbow trout. Water Science and Technology, 31 (10): 141-147

SEPA (SCOTISH ENVIROMENTAL PROTECTION AGENCY) and the Scottish Association for Marine Science, (2004) Detailed description of sepa’s revised methodology to assess soft-sediment sea bed impacts and derive consent limits on maximum fish biomass. part 2, modelled aze consultation final, 26 PPSmearman, S.C., D'Souza, G.E. and Norton, V.J. (1997) Environmental and Resource Economics 10: pp. 167-175

Summerfelt, S.T. and Timmons, M.B. (2000) Hydrodynamics in the "Cornell-Type" Dual-Drain Tank, Third International Conference of Recirculating Aquaculture, July 19-21, 2000 Roanoke, VA

Summerfelt, S.T., Alder, P.R., Glenn, D.M., and Kretschmann, R.N. (1996) 5 th International Conference on WetlandSystems for Water Pollution Control, Vienna

Wong, K.B. and Piedrahita, R.H. (2001) Enhanced solids removal for aquacultural raceways. Aquaculture 2001 Mtg.

23