Estanque MULTIPRO. Un Desarrollo Innovativo en la Producción de
Trucha
J. E. Fernández Mera, Ph.D. Departamento de Ingeniería Sanitaria y Ambiental, Facultad de
Ingeniería Civil, Universidad del Cauca, [email protected]
J.R. Caicedo Bejarano Ph.D. Escuela de Recursos Naturales y del Ambiente (EIDENAR)-Facultad de Ingeniería, Universidad del Valle, [email protected]
Universidaddel Cauca
Introducción
• Necesidad creciente:– Conservación del
recurso hídrico– Demanda mundial
de proteína animal
• La piscicultura responsable como alternativa
20022003
20042005
20062007
20082009
20102011
0
10,000
20,000
30,000
40,000
50,000
60,000
70,000
Cachama Tilapia Trucha
Otras especies Total
Pro
du
cció
n (
Ton
nela
das)
Producción piscícola entre los años 2002 a 2011
Introducción
• En Colombia la producción de trucha se presenta en zonas de alta montaña
• La trucha es la tercer especie más cultivada
• La producción de trucha es exigente:– Calidad y cantidad de agua– Requerimientos nutricionales
• La producción trucha exigente – Calidad y cantidad de agua
• 36 a 150 m3/h. ton-pez se reportan en granjas tecnificadas de Noruega y Estados Unidos
• Niveles de oxígeno disuelto >8.0 mg/L • Baja concentración de sólidos en suspensión.• Temperaturas entre 12-16o C, entre otras
características.• Características que normalmente se presentan
en la cuenca alta de nuestros ríos
– Altos niveles de proteína en su alimentación
Introducción
Lodo : Consumo de oxígenodisuelve Nitrógeno y Fósforoincrementa presencia amonio
Heces
Orina
lodo
Alimento no consumido
RHRH
Alimento
Sólidossuspendidos
Sólidos disueltos
Materia orgánicaFósforoNitrógeno
Carne Subproductos
Fuente de los contaminantes• Sobras de alimento.
– Algunos autores estiman que pude llegar hasta el 30%.
• Excreción metabólica– Branquias del pez (NH4
+ )
– Heces fecales (30 - 40% del alimento)– Alimento mal digerido (5%)
• Peces muertos• Antibióticos• Hormonas
Introducción
• Dos tipos de efluentes se presentan:– Normal– De lavado
• En trucha– El efluente normal
95 al 99% del flujo que entra a la estación
– Efluente de lavado sale con la extracción del lodo que se ha retenido en el estanque
Introducción
Introducción
• Las altas demandas de agua y los altos requerimientos alimenticios generan efluentes con bajas concentraciones de contaminantes pero cargas no despreciables.
• Efluente con limitaciones para su tratamiento por sistemas convencionales utilizados en aguas residuales.
• Se requieren otras visiones distintas al tratamiento al final del tubo.
Objetivo
• Desarrollar un esquema de producción más limpia de trucha Arcoiris basado en el diseño de un nuevo estanque piscícola
Estrategia metodológica
El estudio se realizó en el departamento del Cauca en Colombia, caracterizada por:
• Zona indígena• Tercer departamento en
producción de trucha• Productores pequeños
Un gran impulso a la piscicultura como alternativa para el desarrollo y empleo rural
Revisió
n d
e lite
ratu
ra
Fase I
•Condiciones de producción de trucha utilizadas en departamento del Cauca, •Determinar cargas contaminantes •Evaluar aspectos específicos de los residuos.
Fase II Concepción del nuevo estanque
Fase IV Construcción prototipo ytiempo de extracción del lodo
Fase VComparación con estanque convencional
Estrategia metodológicaFases de la investigación
Estudios de componentes específicos:•Angulo de inclinación de las paredes,•Ancho y largo del estanque•Pendiente de fondo del canal
Fase III
Fase V I Validación de la tecnología
RESULTADOS: Fase I
• Recurso hídrico– Caudales en el rango
de 40 hasta 460 l/s.– Cantidad promedio
utilizado por producción 433 m3/h.ton-pez .
– En la literatura 36-150 m3/h.ton-pez por Bergheim & Brinker (2003) True et al. (2004)
Pequeño Mediano Grande0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Tamaño de Producción
Ca
nti
da
d d
e a
gu
a (
m3
/kg
-pe
z)
• Se encontró que la no extracción frecuente del lodo retenido en el estanque genera mayores usos de recurso hídrico
• Frecuencia de mantenimiento
0 20 40 60 80 1000
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
f(x) = 0.025233816206428 x + 0.979740380262568R² = 0.824470124247887
Número de Días sin Mantenimiento
Desce
nso O
xig
eno (
mg.L
-1)
Piscícola
Cargas Contaminantes (kg/mes)
DBO5SólidosSusp.
Fósforo Total
Nitrógeno Total
Total 10 Piscícolas 7.890 17.708 768 1.896
Total Depto. 11.403 25.593 1.111 2.740
PoblaciónEquivalente 9378 21853 34308 25670
Estas cargas indican que si bien las concentraciones de materia orgánica y nutrientes encontradas en los efluentes son bajas, la contaminación generada no es despreciable.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 9000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
f(x) = − 22.2531173741 ln(x) + 157.578381207R² = 0.979028430436137
Tamaño de Partícula (µm)
Porc
en
taje
deM
asa A
cu
mu
lad
o (
%)
0 500 1000 1500 2000 25000
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
f(x) = 0.148398857671 ln(x) − 0.3047789001843R² = 0.827494808624623
Velocidad de sedimentación (m/d)Fra
cció
n R
em
an
en
te d
e S
ólid
os S
usp
en
did
os
Curva de sedimentabilidad de partículas en la columna de agua
Distribución de masa por tamaño de partícula.
• El 77% de la masa presenta tamaños superior a 45 μm.• Eficiencia remoción teórica en sólidos suspendidos superior al 80%, carga superficial del orden de 30 m3.m-2.día-1
• Partículas con alta capacidad de sedimentar.
Fase II
Bases para la propuesta de un nuevo estanque
• Control de los sólidos suspendidos
• Partículas sedimentadas al interior del estanque
• Estructuras debe permitir que las partículas sedimentadas puedan ser trasladadas a una zona de almacenamiento
• Extracción del lodo debe ser realizada antes que los procesos de disolución y degradación se inicien.
• El método de extracción debe ser simple y no requerir de sistemas mecánicos complejos.
• El lodo extraído debe salir en forma separada del efluente principal.
Válvula de lavado
v
Canal de entrada
Pared inclinada
Canal de recolección de lodo
Tubería agua de lavado
Malla de Separación
Válvula de lavado
Salida efluente
Tapón roscado
Vista en Planta
Vista en corte lateral
Pared inclinada
Canal de recolecciónde lodo
Pared inclinada
Vista en Corte frontal
Malla de Separación
Tapón roscado
Esquema Generar Estanque Propuesto
Esquema Sistema Lavado
Estudio de la Inclinación de las paredes.
Estanque con peces
Tubería Captación
de agua
Tanque de distribución
Tuberías de
captación
Válvulas
Unidades de Estudio30o 45o 60
o
1
332Punto de Muestreo
1
2
El agua se tomó de estanque con peces de 150 g con una densidad de 11 kg/m3 con tres raciones en el día
Objetivo: evaluar el impacto del ángulo de inclinación de la pared en la capacidad de Transporte de sólidos producidos durante la cría de trucha
Fase III
• Se determinó la cantidad de sólidos retenida en las paredes y el fondo.
• Se determinó la cantidad de sólidos de entrada y salida de cada unidad
1
2
• Los datos se compararon con Anova (α=0,05), en caso de existir diferencias significativas se uso prueba de Tukey
• Estos resultados están acordes con la teoría sobre desplazamiento del lodo en una lámina inclinada de un sedimentador laminar presentada por Forsell & Hedström (1975), Zioło(1996) y Demi Qr (1995).
• Futuros estudios ángulo de 45 °.
Los resultados indican • La menor
acumulación de lodo en la pared se da en el ángulo de 60°, y la mayor en el ángulo de 30°.
• Angulo de 45° presenta condiciones intermedias entre otros dos ángulos de inclinación
Modelación hidrodinámica de las características geométricas en el transporte del sedimento durante el lavado.
• Objetivo: estudiar el efecto del característica geométricas como ancho y el largo del estanque y la pendiente del canal de fondo en el arrastre de partículas sedimentadas.
• Modelo “Simulation of sediment movements in water intakes with multiblock option– SSIIM”
Características a modelar
• Otras características ángulo de inclinación 45° y profundidad 1.1 m
• Se evaluaron tamaños de partícula hasta 1500 μm, con una media de 300 μm
Variable Valor
Longitud del Estanque (m) 11, 13, 15
Ancho del Estanque (m) 1.8 y 2.0
Pendiente de fondo (%) 0, 1.0, 1.4, 2.0
• Se estimó el flujo de entrada por el fondo en 4L/s y el de salida del estanque en 40 L/s.
• Se calcularon la velocidades en diferente puntos del estanque de manera particular en el canal de recolección de lodo.
• Se determinaron los esfuerzos cortantes críticos
• Se calculó el esfuerzo cortante adimensional
• Para determinar la posibilidad de arrastre el esfuerzo cortante adimensional se comparó con el valor crítico determinado por el diagrama de Shields (0,035), si el esfuerzo supera el valor crítico del diagrama se considera que la partícula será arrastrada
• El ancho no genera ningún efecto sobre la velocidad de flujo y los esfuerzos cortantes
• Variables importantes la longitud y la pendiente de fondo del canal
0 2 4 6 8 10 12 14 16
-0.02
0.02
0.06
0.10
0.14
0.18
0.22
Esc. 17 Esc. 18 Esc. 19Esc. 20 Esc. 21 Esc. 22Esc. 23 Esc. 24
Distancia (m)
Velo
cid
ad
(m
/s)
Velocidades de flujo en estanque de 15 mPara diferentes anchos y pendientes
0 2 4 6 8 10 12 14 16
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Esc 17 Esc 18 Esc 19 Esc 20
Esc 21 Esc 22 Esc 23 Esc 24
Distancia (m)
Esfu
erz
o C
ort
an
te N
/m2
Esfuerzos cortantes en estanque de 15 mPara diferentes anchos y pendientes
Esfuerzos cortantes adimencionales
Ancho (m)Pendiente
(%)
Longitud (m)
11 13 15
Esfuerzo cortante(N/m2)
Esfuerzo cortante
adimensional
Esfuerzo cortante(N/m2)
Esfuerzo cortante
adimensional
Esfuerzo cortante(N/m2)
Esfuerzo cortante
adimensional
1.8
0 0.0650 0.029 0.0400 0.018 0.0350 0.015
1 0.1000 0.044 0.0600 0.027 0.0550 0.024
1.4 0.1250 0.055 0.0775 0.034 0.0700 0.031
2 0.2000 0.088 0.1000 0.044 0.1000 0.044
2.0
0 0.0650 0.029 0.0400 0.018 0.0350 0.015
1 0.1000 0.044 0.0575 0.025 0.0550 0.024
1.4 0.1250 0.055 0.0775 0.034 0.0700 0.031
2 0.2000 0.088 0.1000 0.044 0.1000 0.044
Valor crítico determinado por el diagrama de Shields 0,031
La mejor opción para la limpieza hidráulica se presentan con la longitud de 11 m y una pendiente de fondo superior al 1%.Es posible usar longitudes mayores como 13 y 15 m, si la pendiente del canal de fondo es superior al 1.4%.
Fase IV.
Paralelamente se realizaron dos actividades:
• Construcción de un prototipo
• Estudio de los procesos de disolución y degradación – A escala de laboratorio– A escala real
Construcción del prototipo de estanque.
• Ubicado en la estación piscícola de Chiliglo.
Largo (m) 14
Ancho (m) 2,05Altura total (m) 1Profundidad media (m) 0,85Angulo de inclinación de la pared (grados)
45
Pendiente de fondo (%) 1.4
Volumen de agua (m3) 12
Estudio de la disolución y degradación de los lodos
• Objetivo: Entender los fenómenos de disolución y degradación, además de establecer el momento más apropiado para la extracción del lodo.
Disolución de los sólidos.
• El estudio se realizó en un estanque piloto .
• Dos replicas fueron realizadas• Seguimiento durante 144 horas• Muestras compuestas por 12 horas
0 20 40 60 80 100 120 140 1600
100200300400500600700800900
1000
f(x) = 7.18839364161854 x − 227.629883236997R² = 0.995891722813883
f(x) = 8.21174306358388 x − 165.011327167632R² = 0.7400058885982
f(x) = 4.54237906542059 x − 64.249240373833R² = 0.992629321111253
f(x) = 4.84757957943932 x − 98.4318661682255R² = 0.974578489974939
P1<90 h Linear (P1<90 h)P2<90 h Linear (P2<90 h)P1>90 h Linear (P1>90 h)P2>90 h Linear (P2>90 h)
Tiempo (h)
Sólidos D
isuelt
os A
cum
u-
lados (
g S
DT)
0 20 40 60 80 100 120 140 1600
20
40
60
80
100f(x) = 1.04089759792386 x − 53.3480501106248R² = 0.960866482586119f(x) = 0.842690532010817 x − 36.5638917944089
R² = 0.985435113123823
f(x) = 0.47712848801224 x − 0.277964840095162R² = 0.90833283467427
f(x) = 0.635064601313928 x − 10.3233141826614R² = 0.974115263914524
P1 <84 h Linear (P1 <84 h)P2 <84 h Linear (P2 <84 h)P1>84 h Linear (P1>84 h)P2>84 h Linear (P2>84 h)
NTK
D
isuelt
o a
cum
ula
do
(g N
-NTK
)
0 20 40 60 80 100 120 140 1600
20
40
60
80
100
f(x) = 0.7960545 x − 32.0816916R² = 0.990984138583623
f(x) = 0.816391595454545 x − 27.0114887454546R² = 0.983251865629653
f(x) = NaN x + NaNR² = 0
P1 <84h Linear (P1 <84h)P2 Linear (P2)P1 >84h Linear (P1 >84h)
Tiempo (h)
Nit
rogeno A
monic
al
Acum
. (g
)
0 20 40 60 80 100 120 140 1600
5
10
15
20
25
30
35
f(x) = 0.331034177215192 x − 18.2434025316459R² = 0.997785353768445f(x) = 0.191990459363957 x − 8.64567349823313R² = 0.989915365062104f(x) = 0.129480108499096 x
− 1.32160940325497R² = 0.969498348156755
f(x) = NaN x + NaNR² = 0
P1<84 h Linear (P1<84 h)
Tiempo (h)
PT D
isu
elt
o A
cu
m (
g P
)
• El proceso de disolución de los contaminantes tiende a incrementarse después de la hora 84
horaParámetro a controlar
Periodo I(%)
Periodo II(%)
Rango dejado de disolver o generado
(%)
48
NAT 28,7 8,4 71-92NTK 26,8 20,5 73-80PT 7,1 2,2 93-98
SDT 13,5 18,1 87-82
72
NAT 49,2 30,4 50-70NTK 39,5 34,0 61-66PT 34,3 12,5 66-88
SDT 25,4 34,5 75-66
Fase V Estudio comparativo
• Objetivo: Comparar el desempeño de estanques en concreto tradicionalmente utilizados con estanque prototipo, en términos del control de la contaminación generada por el cultivo y el crecimiento del pez.
Metodología
• El agua de la Estación es tomada del Río Change, temperatura y oxígeno disuelto promedio de 11°C y 8,0 mg/L.
El estudio se realizó por un periodo de 63 días. Tiempo en que los peces crecieron de 110 a 250 g.
Dimensión Estanque Rectang
ular
Estanque
MULTIPRO
Largo (m) 15 14Ancho (m) 2 2,05Altura total (m) 1 1Profundidad media (m) 0,7 0,85Angulo de inclinación de la pared (grados) 90 45
Pendiente de fondo (%) 1 1.4
Volumen de agua (m3) 21 12
• Dado que la geometría de cada estanque comparación se realizó colocando igual densidad de biomasa y tamaño de pez al inicio del estudio.
• El caudal utilizado en cada estanque se estimó con base en los requerimientos por el tamaño de pez. En ningún momento se permitió menos de 5.5 mg/L O2
Geometría de los estanques
Evaluación del Crecimiento
• El efecto del estanque sobre el crecimiento del pez se evaluó midiendo el incremento en peso de los peces en ambos estanques.
• Muestras al azar cada 6 días, equivalente al 3% de la cantidad de individuos
• Comparación de las pendientes, ajustadas a un modelo estadístico lineal (mínimos cuadrados)
Donde Yi,j= peso del pez
β0= peso promedio al inicio del estudio Tj = representa el día
β1 y β2 = son los coeficiente de la regresión y representan el incremento del peso en el tiempoWK= Tipo de estanque
ξi,j= es el error aleatorio del modelo
𝑌𝑖,𝑗 = 𝛽0 +𝛽1𝑇𝑗 +𝛽2𝑊𝑘 +𝜀𝑖,𝑗
Discusión de Resultados
0 10 20 30 40 50 60 700
50
100
150
200
250
300
f(x) = 1.47742667069852 x + 116.536498336861R² = 0.98619037485818
f(x) = 2.00102308235057 x + 112.45297853039R² = 0.974390717976694
MULTIPRO Linear (MULTIPRO)CONVENCIONAL Linear (CONVENCIONAL)
Tiempo (días)
Pe
so
pe
z (
g)
FuenteGrados de
LibertadSuma de
CuadradosCuadrados
MediosValor F Valor-P
Día 1 27701,6 27701,6 637,91 0.0000Pendiente 1 1551,36 1551,36 27,72 0.0000Día•estanque 2 29253,0
Evaluación tasas de crecimiento
• Con base en las ecuaciones de ajustes presentadas se estimó el tiempo necesario para alcanzar un peso promedio de 300g, iniciando con un peso de 110g
Estanque Tiempo requeri
do (días)
Diferencia (días)
PROTOTIPO 95.0
33.6CONVENCIONAL
128.6
Reducción del 26.2% del tiempo
Impacto por el menor tiempo de producción
Parámetro
Cantidad producida o utilizada
por Estanque Prototipo
Cantidad producida o utilizada
por Estanque Convencional
Carga no vertida o volumen no utilizado
por Prototipo
Cantidad Porcentaje
SST (g) 208.8 563.6 354.7 62.9
NTK (g) 6.7 11.1 4.3 39.3
NAT (g) 6.1 8.0 1.9 23.4
PT (g) 4.9 10.8 5.9 54.4Volumen de agua
(m3)
21032 34528 13496 39.1
Conclusiones
Sobre la evaluación de componentes• La utilización de un ángulo de inclinación
de 45° en la pared permite el redireccionamiento del lodo sedimentado hacia el canal de fondo del estanque.
• El ancho del estanque tiene un impacto bajo o nulo sobre el incremento de las velocidades de flujo y los esfuerzos cortantes en el fondo del estanque.
• La longitud del estanque hidrodinámicamente más apropiada para el arrastre de las partículas durante el lavado, corresponde a 11 m con una pendiente de fondo superior o igual al 1%.
• Es posible usar una longitud de hasta 15 m con una pendiente de fondo 1.4%, bajo estas condiciones se puede arrastrar partículas hasta de 1500 µm.
Conclusiones
Conclusiones
Sobre la permanencia del lodo en el estanque
• El periodo para extracción de lodo no mayor a 48 h puede llegar a reducir hasta el 92% del nitrógeno amoniacal, el 80% del N- NTK y el 97% del P-PT.
ConclusionesSobre la comparación con estanques convencionales
El estudio mostró que el estanque prototipo presenta grandes ventajas respecto del estanque convencional en concreto:- genera menores cargas contaminantes en el
efluente en términos de sólidos suspendidos totales (62,9%), nitrógeno total Kjeldahl (39,3%) nitrógeno amoniacal (23,4%) y fósforo total (54,4%).
- reducción en el uso del recurso hídrico (39.1%).- Genera mayores tasas de crecimiento y por lo
tanto reducción en los tiempos de cultivo.
Conclusiones
• Por permitir realizar el control de la contaminación generada por los sólidos en suspensión, reducir los tiempos de producción, además de optimizar el uso de recurso hídrico, se le reconoce a este tipo de estanque como multipropósito (MULTIPRO)
Conclusión General La implementación de la tecnología de estanques MULTIPRO, conjuntamente con sistemas de recuperación del lodo y tratamiento de los efluentes de lavado, en lugar de la tecnología tradicional de estanques en tierra o en concreto permitirá grandes avances en la producción ambientalmente sostenible de la trucha.
Estación Piscícola Ambalo Silvia, Cauca
Validación y transferencia de tecnología
Agradecimientos
A la Estación Piscícola “Chiliglo” en Coconuco Cauca, por las instalaciones y los insumos (peces) en fase experimental, al Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural y la Universidad del Cauca por la financiación la cual se obtuvo a través de los proyectos de investigación: “ESTUDIO, DISEÑO Y EVALUACION DE UN PROTOTIPO DE ESTANQUE PISCICOLA” y “VALIDACIÓN DE UN PAQUETE TECNOLÓGICO PARA LA PRODUCCIÓN DE TRUCHA AMBIENTALMENTE SOSTENIBLE”, a la Universidad del Valle por el apoyo académico en desarrollo de la tecnología y facilitar los equipos para el trabajo de campo, al Centro Regional de Productividad e Innovación del Cauca (CREPIC) por el apoyo con la Cadena Piscícola del Cauca.