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NSTITUTO TECNOLÓGICO DE ONORA - ITSON

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EVALUACIÓN DE UN ADITIVO ENZIMÁTICO
EN EL TRATAMIENTO BIOLÓGICO AERÓBICO DE AGUAS RESIDUALES PROCEDENTES DE UN RASTRO TIF
TESIS
PRESENTA
AGRADECIMIENTOS
A Dios, por la vida que me ha prestado y por permitirme retomar el camino que siempre
he querido.
A mi familia, por su comprensión y apoyo.
A nuestro Instituto Tecnológico de Sonora, por su incansable labor en la educación.
A mi asesor, M. en I. Anacleto Félix Fuentes, por compartir sus conocimientos, su tiempo
y su voluntad hacia la mejora continua.
A nuestro Coordinador, M. en C. Francisco Montaño, por su trabajo y apoyo para llegar
a nuestra meta.
A mis revisores, M. en C. Guadalupe Aguilar Apodaca y M. en C. Iram Mondaca, por su
gran disposición y apoyo para la realización de este trabajo.
Al personal de la DIEP, que cooperaron para la realización de este trabajo,
especialmente al Ing. Rafael Angulo I.
Al Departamento de Ecodesarrollo, al M. en C. Luciano Castro E., Dr. Fernando Lares
V., M. en C. Martín Villa, M. en C. Ramón Zavala F., a mis compañeros tesistas,
practicantes y servicio social.
Al Ing. Víctor M. Olea Ruiz, por su apoyo y comprensión para la realización de estos
estudios.
Al Biol. Salvador Meza G., Dr, Jared P. Jones, por su ayuda.
A mis compañeros: Ing. Beatriz Torres, Ing. Arturo López, Quim. Jorge Valenzuela y
Biol. Humberto Ruelas, por su apoyo y amistad prestada.
DEDICATORIA
Guadalupe, Carlos y Víctor, por su amor y apoyo .
A mi familia:
Angélica, Héctor Ulises, Gilberto y Angel, Lilia, Rafael, Mauro, Rodrigo, Marina,
Jesús y Lilián, por su amor y ayuda.
A mis abuelos:
Joaquín y Catalina
A mis tíos:
Angelita, Lorenza, Eduardo, Ramón, Ramona, Francisca, Joaquín, Eduwiges.
A mis amigos:
Socorro.
ÍNDICE
Página
1.3. Justificación 5
1.4. Objetivo 5
1.5. Hipótesis 5
FUNDAMENTACIÓN 7
2.1. Situación del agua en México y su contaminación 7
2.2. Problemática local 9
2.3. Aguas residuales 10
2.3.2. Clasificación de las aguas residuales por su origen 10
2.3.3. Características físicas, químicas y biológicas de las aguas residuales 12
2.3.3.1. Características de los compuestos orgánicos 12
2.3.3.2.Características de los componentes inorgánicos 13
2.3.3.3. Características del contenido de sólidos 13
2.3.3.4. Características de los componentes microbianos 14
2.3.4. Principales contaminantes de las aguas residuales 16
2.4 Tratamiento de las aguas residuales 17
2.4.1. Tipos de tratamientos del agua residual 18
2.4.1.1. Tratamiento primario 18
2.4.1.2. Tratamiento secundario 18
2.4.1.3 Tratamiento terciario 20
2.5.1.Géneros de microorganismos en el agua residual 20
2.5.2. Metabolismo microbiano 21
2.5.4. Necesidades de fuentes nitrogenadas 24
2.5.5. Necesidades de fuentes de minerales 24
2.5.6. Necesidades de fuentes de carbono 25
2.6. Enzimas 25
2.6.2. Función de las enzimas 26
2.6.3. Utilización de las enzimas en la industria alimentaria 27
22..66..44.. AAnntteecceeddeenntteess ddee llaa uuttiilliizzaacciióónn ddee llaass eennzziimmaass eenn eell ttrraattaammiieennttoo ddee llaass
aagguuaass rreessiidduuaalleess 2288
2.7. Los minerales y su efecto durante el tratamiento de los residuos agroindustriales 29
2.8. Normatividad sobre aguas residuales 30
22..88..11.. NNoorrmmaa ooffiicciiaall qquuee rreegguullaa llaass ddeessccaarrggaass yy ttrraattaammiieennttoo ddee aagguuaass
rreessiidduuaalleess ((NNOOMM--000011--EECCOOLL 11999966)) 3300
eenn llooss rraassttrrooss 3311
3.3. Diseño experimental 33
3.4.2. Pretratamiento de la muestra y funcionamiento del sistema 34
3.4.3. Parámetros fisicoquímicos evaluados en los tratamientos 35
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 37
4.1. Remoción de materia orgánica (Demanda Química de Oxígeno soluble) 37
4.2. Remoción de nitrógeno y fósforo 39
4.3. Remoción del contenido de microelementos Zinc, Cobre, Fierro, Cadmio y Plomo 41
4.4. Remoción de Coliformes 42
4.5. Remoción de sólidos totales volátiles 42
4.6. Temperatura 43
4.7. pH 44
4.8. Oxígeno 46
5. BIBLIOGRAFÍA 49
Anexo A. Metodología de técnicas analíticas para aguas residuales 54
Anexo B. Norma oficial mexicana NOM-CCA-022-ECOL/1993 76
LISTA DE CUADROS
1. Parámetros fisicoquímicos evaluados. 35
2. Análisis de varianza de la remoción de DQO, durante el
tercer día del experimento. 38
3. Resultados de la comparación de medias, durante el tercer
día del experimento. 38
5. Remoción de fósforo. 41
6. Contenido mineral en los diferentes tratamientos y en el producto
utilizado. 41
7. Valores de la evaluación de la contaminación por coliformes antes
y después del tratamiento. 42
8. Remoción de sólidos totales volátiles. 43
LISTA DE FIGURAS
Figura No. Descripción Página 1. Laguna de oxidación del rastro TIF. 32
2. Distribución de los reactores en el experimento. 33
3. Cribado de la muestra. 35
4. Remoción de la DQO soluble. 39
5. Remoción de Nitrógeno. 40
6. Comportamiento del pH por tratamiento. 45
7. Producción de espuma en los reactores 46
LISTA DE TABLAS
Tabla No. Descripción Página
1. Clasificación de algunos de los parámetros del agua residual. 11
2. Características físicas, químicas y biológicas del agua residual
y su procedencia. 15
4. Clasificación de enzimas por la reacción que catalizan. 26
5. Rango normal de operación en tratamientos biológicos aeróbicos. 44
RESUMEN
La utilización del agua dentro del proceso de obtención de la carne, produce un volumen
de agua residual de 600 litros por animal sacrificado (rastro TIF), cuyo contenido
contaminante es alto en materia orgánica. La utilización de tratamientos biológicos
incompletos, da a lugar a que se generen aguas residuales fuera de norma (NOM-CCA-
022-ECOL/ 1993), las que al ser descargadas a colectores agrícolas originan malos olores
y potenciales problemas a la salud. El presente trabajo tiene por objeto demostrar la
utilidad de un concentrado enzimático y minerales traza en el tratamiento biológico
aeróbico, pretende contribuir a la mejora de la calidad del agua residual del rastro TIF y
reducir el impacto sobre colonias aledañas, la Bahía de Lobos y del Golfo de California.
La fase experimental de este trabajo evaluó tres dosis 20, 30 y 40 ppm de un
concentrado enzimático Waste Water Treatment + TM , utilizando un diseño experimental
completamente al azar de cuatro tratamientos con tres repeticiones, utilizando un sistema
batch aeróbico de 16 reactores con un volumen útil de trabajo por reactor de 10 litros. Las
evaluaciones realizadas fueron la remoción de la materia orgánica, sólidos volátiles
totales, sólidos suspendidos volátiles, nitrógeno, fósforo, coliformes fecales, minerales
traza, comportamiento de temperatura, oxígeno disuelto y pH. El tiempo de retención
hidráulica en los tratamientos fue 7 días.
Los resultados obtenidos demuestran que un aditivo enzimático a razón de 30 ppm logró
remover al tercer día 36.78 % de DQO soluble, acumulando el 88.77 % hasta ese día,
mientras que el blanco removió 24.42 %, acumulando 71.36% de DQO soluble. Por lo que
la utilización de un aditivo enzimático a esta concentración en dicho tiempo aumenta un
19.66% más la eficiencia.
Asimismo este tratamiento al término de 7 días reduce 87.33 % de nitrógeno orgánico,
72.86% de nitrógeno total, 63.91% de nitrógeno amoniacal, 99.99 %de fósforo total, así
mismo el contenido de coliformes se reduce en un 99.5% y 54. 23% de sólidos totales
volátiles. Las concentración de Zn, Pb, Cd, Fe, Cr y Cu, cumplieron con las normas
oficiales para descargas, en todos los tratamientos.
Los valores promedio de oxígeno disuelto en mg/l, se mantuvo entre 1 a 3 ppm, en lo que
respecta a temperatura, ésta fue de 26º C en promedio, el pH durante el experimento,
estuvo entre 7.5 a 9.
Por los resultados obtenidos en el presente trabajo se concluye que la utilización de
concentrados enzimáticos en el agua residual del rastro TIF, representa una opción para
reducir el tiempo de tratamiento de las aguas residuales y evitar gastos por la
construcción de nuevas áreas para tratamiento biológico aeróbico.
I. INTRODUCCIÓN
1.1 Antecedentes
La contaminación ambiental es un problema generalizado a nivel mundial; el agua, el aire
y el suelo han sufrido un deterioro grave generado por el hombre durante la búsqueda de
mejores niveles de vida. México no ha sido la excepción y la problemática ambiental es
causada en gran parte por la cantidad de aguas contaminadas generadas de las
diferentes actividades humanas como la doméstica, industrial y agropecuaria
(Quintero,1994).
Sonora cuenta con diferentes clases de actividades productivas, entre ellas la producción
agrícola que abarca el 47.5%, la ganadera el 36.1% y otras 16.4%.
En el municipio de Cajeme las actividades productivas están distribuidas en: el sector
agrícola con un 84.6% , el sector ganadero con un 10.5% y la industria y otras actividades
se engloban a un 5.1%(INEGI,1991).
El municipio de Cajeme ha desarrollado actualmente la actividad pecuaria como una
alternativa para complementar la actividad agrícola. Siendo la porcicultura una de las que
ha alcanzado más crecimiento en la actualidad.
El proceso de comercialización del cerdo y la necesidad de obtener mejores ingresos
económicos a través de la venta de canales y cortes de carne a nivel nacional y
extranjero, ha llegado a construir dos rastros para el sacrificio de 28951 reses y 140486
cerdos anualmente (INEGI, 2000).
Los rastros como instalaciones industriales dedicadas al sacrificio animal y procesado de
carnes, requieren de agua para las diversas actividades como: limpieza, consumo
humano y enfriamiento de equipo de refrigeración.
Siendo el agua un recurso natural limitante para la vida y observando la facilidad con la
que es contaminada durante su utilización en actividades industriales de los rastros,
como alternativa de solución se considera optimizar el consumo de agua y generar
alternativas de tratamiento para el agua contaminada antes de su descarga.
La generación de aguas residuales en los rastros se da a razón de 600 litros en promedio
por animal sacrificado, la composición está dada por heces fecales, orina, sangre y restos
de tejidos principalmente. El grado de degradación biológica que presentan este tipo de
contaminantes nos índica que puede ser utilizado como medida de remediación
tratamientos biológicos que ayuden a recuperar las características originales del agua a
costos rentables.
Las aguas residuales originadas en los rastros de Cajeme contienen alta cantidad de
compuestos orgánicos, las cuales por disposiciones gubernamentales no deben
descargarse sobre colectores, sin tratamiento previo a fin de evitar daños en los cuerpos
de agua como ríos, lagos ó ecosistemas marinos (NOM-001-ECOL-1996).
El tratamiento de esta agua se ha dado por procedimientos biológicos lagunares de tipo
anaeróbico y facultativo principalmente, teniendo como resultado un proceso lento en la
recuperación de la calidad del agua de desecho, lo cual ha origina que haya descargas a
colectores fuera de norma. La corrección al proceso de tratamiento de agua nos solicita
hacer inversiones mayores al necesitar más espacio para construir más lagunas de
tratamiento o invertir en equipos de aireación que favorezcan el crecimiento aeróbico de
microorganismos con objetivo de reducir los tiempos de residencia hidráulica y con ello el
crecimiento de microalgas que al final del tratamiento constituyen también otro problema
al descargar el agua residual a los colectores hidráulicos del Valle del Yaqui.
La ubicación de los rastros dentro de la ciudad no favorece la utilización de lagunas para
tratamientos biológicos como el anaeróbico y facultativo, por la producción de malos
olores y proliferación de mosquitos. Asimismo el costo del terreno es alto, lo que da como
resultado que la solución al tratamiento del agua residual se de al descargar el agua
residual a la red urbana de drenaje. Ocasionando con ello problemas graves de
asolvamiento de tuberías y descontrol en el proceso de tratamiento de las plantas de
tratamiento de agua de origen urbano.
Las aguas residuales de los rastros son típicamente orgánicas y se pueden tratar tanto
por métodos primarios como por secundarios (biológicos). Afortunadamente un alto
porcentaje de materia orgánica es susceptible de descomponerse. Contiene nutrientes
suficientes para que las bacterias aeróbicas conviertan los desperdicios en productos
acabados de CO2 y agua, con la condición de que exista suficiente oxígeno en el agua. La
falta de oxígeno hace que disminuyan las bacterias aeróbicas aumentando las
anaeróbicas, provocando la producción de complejos orgánicos y gases como metano y
ácido sulfhídrico.
En el tratamiento primario, intervienen métodos que eliminan los sólidos de las aguas
residuales por medios mecánicos, utilizando rejas, filtros, tanques de flotación y/o
sedimentación y cámaras de arena. Si se emplea este tipo de equipos y se recuperan
sólidos, grasa y sangre, con ello se logra resolver la mayor parte de los desperdicios del
rastro. No obstante la calidad microbiológica del agua y los parámetros que se enmarcan
en las normas oficiales no se cumplen con solo utilizar tratamientos primarios.
El tratamiento secundario puede eliminar más del 90% de las bacterias de las aguas
residuales, utilizando la misma microflora del tratamiento. Las formas más comunes del
tratamiento secundario, incluyen un sistema de filtración por goteo, un sistema de
activación por sedimentación, un sistema de lagunas, un sistema de
evaporación/irrigación o una combinación. La fase final incluye añadir cloro para
desinfectar el efluente. Un tratamiento de 15 a 30 minutos antes de la descarga asegura
una eliminación de un 99% de los microorganismos (Libby, James1981).
Una alternativa para incrementar la eficiencia del tratamiento biológico del agua residual
es utilizar complejos enzimáticos los cuales ayudan a acelerar la degradación de todos los
contaminantes a sustancias químicas más simples, para así hacerlas asimilables para los
microorganismos que intervienen en el proceso biológico.
Estos compuestos enzimáticos se complementan con minerales traza, a fin de construir el
medio de cultivo que proporcionará las condiciones necesarias para el buen desarrollo de
las cepas microbianas involucradas en el proceso de tratamiento biológico.
Atlas (1991) indica que la utilización de microorganismos , compuestos enzimáticos y
minerales traza para el tratamiento de aguas residuales, es un proceso que implica un
gasto considerable, así como también constituye un riesgo de toxicidad, por lo que
evaluar la efectividad de este tipo de tratamientos en la recuperación de la calidad del
agua tratada es de suma importancia.
1.2. Planteamiento del problema
Debido a complejidad de compuestos orgánicos que componen a las aguas residuales
provenientes de los rastros y los problemas de malos olores provocados actualmente. Se
plantea un estudio de tratamiento biológico aeróbico de dichas aguas utilizando un aditivo
enzimático adicionado con minerales traza a fin de evaluar la eficiencia que aportan al
tratamiento en la recuperación de la calidad del agua.
1.3. Justificación
Cd. Obregón cuenta actualmente con dos rastros para el sacrificio de cerdos y bovinos.
Siendo anualmente un total de 28951 bovinos y 140486 cerdos los procesados (INEGI,
2000). Para ello se utiliza un promedio de 600 litros de agua por animal sacrificado en el
Rastro TIF.
Normalmente las aguas residuales son arrojadas a colectores municipales y agrícolas,
debido al alto contenido de materia orgánica de éstas y a la falta de capacidad de sus
tratamientos biológicos, provocan malos olores y malestar a los habitantes de colonias
aledañas.
Mediante esta investigación se pretende eficientar los tratamientos biológicos aeróbicos
en el agua, para mejorar su calidad y así reutilizarlas en actividades agrícolas para evitar
posteriores problemas a la salud, lo que redunda en beneficio tanto para las colonias de
la zona norte de Cd. Obregón, así como para habitantes de las poblaciones por donde
están ubicados los colectores.
Verificar la eficiencia que proporciona un aditivo enzimático complementado con
minerales traza en el tratamiento biológico aeróbico de aguas residuales procedentes de
un rastro, con el fin de mejorar su calidad sanitaria y poder así destinarla al riego agrícola.
1.5. Hipótesis
El uso de aditivos enzimáticos complementados con minerales traza, aumenta la
eficiencia del tratamiento biológico aeróbico de aguas residuales de los rastros TIF.
1.6. Delimitación del proyecto La investigación se realizará con aguas residuales provenientes de un rastro TIF de Cd.
Obregón. Utilizando un montaje experimental en el Laboratorio de Agua, Suelo y Planta
de la Dirección de Investigación y Estudios de Posgrado del Instituto Tecnológico de
Sonora.
El experimento se realizó durante un mes, limitándose a una semana el tiempo de
retención hidráulica, tiempo necesario para observar en el agua una variación en los
parámetros fisicoquímicos iniciales que se presentan al momento de la descarga hasta
llegar posiblemente a la recuperación de la calidad sanitaria de la misma, que se señala
por la NOM-001-ECOL-1996, para límites máximos permisibles de contaminantes en las
descargas de aguas residuales en aguas y bienes nacionales, y que posteriormente se
destine a riego agrícola.
2.1. Situación del agua en México y su contaminación
México cuenta con suficiente volumen de agua para satisfacer las demandas de
abastecimiento de todos los sectores, sin embargo su distribución no es homogénea. Se
estima que la extracción de agua en México, para usos principales, ascendió en 1995 a
186.7 km³, de los cuales 73.5 km³ se destinaron a usos consuntivos, es decir a usos que
sólo regresan al ciclo hidrológico una parte del agua utilizada, distribuidos de la siguiente
manera: 61.2 km³ para riego agrícola, 8.5 km³ para uso doméstico, 2.5 km³ para la
industria, 1.3 km³ para la acuacultura intensiva. Los 113.2 km³ restantes se destinaron a la
generación de energía hidroeléctrica, clasificada como demanda no consuntiva (INEGI,
1997).
Los grandes polos de desarrollo demandan cada vez mayores volúmenes de agua;
aportando también mayor volumen de contaminantes, al descargar sus aguas residuales
municipales e industriales en los cuerpos receptores, la mayoría de las veces sin
tratamiento alguno (Diario oficial, 1990).
En México, las principales fuentes de contaminación se han agrupado de acuerdo a su
procedencia en tres sectores: social, correspondiente a las descargas de aguas
residuales municipales de origen doméstico y público; el agropecuario, representado por
efluentes de granjas y terrenos agrícolas; y el industrial, representado por las descargas
originadas por las actividades de extracción, transformación de recursos naturales,
producción de bienes de consumo y satisfactores para la población (Diario oficial 1988).
A nivel nacional se genera una carga contaminante de 2.4 millones de toneladas al año
(medidas como DBO), correspondiendo el 36% al sector municipal y el 64% al sector
industrial (Diario oficial 1990).
La generación a nivel nacional de aguas residuales asciende a 184 metros cúbicos por
segundo, 200 litros por habitante por día, de los cuales el 43% proviene de actividades
industriales y el resto de descargas domiciliarias y de servicios (Lacy, 1993).
La actividad pecuaria del país representa actualmente un aspecto crítico, en cuanto al
deterioro ambiental y sanitario en las regiones en donde se práctica, debido a la
agresividad de los desechos que produce, al escaso o nulo tratamiento que reciben y a su
inadecuada disposición (Diario oficial ,1988).
El tratamiento de aguas residuales de origen industrial y municipal a nivel nacional se
realiza en muy baja escala, hecho que se demuestra considerando que actualmente se
cuenta con 223 plantas de tratamiento de aguas residuales municipales, con una
capacidad de 16.5 metros cúbicos por segundo, en el sector industrial se cuenta con 177
plantas de tratamiento con capacidad de 12 metros cúbicos por segundo. De lo anterior se
deriva que solo se trata el 15.7% de las aguas residuales municipales y el 15.5% de las
industriales (Diario Oficial, 1990).
En el análisis de las instalaciones de tratamiento de aguas residuales municipales, se
detectan deficiencias importantes. A esto se le agrega que el país no cuenta con la
tecnología suficiente para fabricación de equipo de medición y de tratamiento (Diario
Oficial,1990).
La contaminación del agua junto con el aire y el suelo, así como la disposición inadecuada
de residuos sólidos, es un fenómeno que aún no se ha resuelto en nuestro país. No
obstante que desde hace más de 20 años se cuenta con ordenamientos legales que
obligan al control de fuentes de contaminantes, las actividades productivas y la
urbanización siguen teniendo prioridad sobre la ecología.
2.2. Problemática local
Ciudad Obregón está ubicada dentro del Valle del Yaqui, donde los recursos como suelo y
agua, dan lugar a diversas actividades entre ellas las más importantes la agricultura con
un 84.6%, ganadería con 10.3% y otras 5.1% (INEGI, 1991).
Como una medida para mejorar los ingresos de las actividades primarias, se ha
desarrollado la actividad industrial.
Tanto las actividades primarias como secundarias han originado grandes volúmenes de
aguas residuales que se descargan a los esteros, bahías y playas del…