1. MEMORIAS DE CÁLCULO

1.1 PARÁMETROS DE DISEÑO

1.1.1 Caudal de Diseño. Para determinar el caudal, de acuerdo con la Guía Ambiental de Formulación de Planes de Pretratamiento de Efluentes Industriales, del Ministerio del Medio Ambiente; se recomienda realizar un tratamiento por separado de aguas residuales domésticas y de aguas residuales industriales. Sin embargo, por estudios desarrollados en diferentes plantas de sacrificio del país, se establece que el consumo doméstico comparado con el consumo en los procesos de matanza es despreciable, al igual que la carga por DBO. Por lo tanto, no se tiene en cuenta para este diseño.

Consumo por animal. Teniendo en cuenta las características de los efluentes industriales de mataderos presentadas en la Guía Ambiental de Formulación de Planes de Pretratamiento de Efluentes Industriales, del Ministerio del Medio Ambiente; se concluye que para la operación de plantas de sacrificio de ganado en Colombia, en mataderos con consumo controlado de agua se reportan valores de 2500 L / 1000 Kg de Peso de animal Vivo (P.V).

De lo anterior, se tiene que asumiendo un peso promedio de 400 Kg para bovinos y de 100 Kg para porcinos, los consumos por animal serán: C = Consumo por Kg. P.V. 2500 L / 1000 Kg P.V Pb = Peso Bovino 400 Kg Pp = Peso Porcino 100 Kg

Consumo por Bovino (Cb):

Consumo por Porcino (Cp):

Los valores de consumo de agua obtenidos, se encuentran dentro del decreto 2278 de

1982, artículo 107, del Ministerio de Salud.1

1 Artículo 107. La cantidad de agua disponible, incluyendo la necesaria para el aseo del edificio, no será inferior a: - 500 a 1000 litros de agua por cada bovino o equino que se sacrifique.

Porcentajes del Consumo Total para Bovinos. El 68% del consumo de agua se utiliza para el proceso (lavado de vísceras, panzas, lenguas, patas y lavado de la res en el winche), el 12% en el lavado de pisos y el 20% en lavado de corrales. Agua utilizada en el Proceso: 680 L / bovino Lavado Pisos: 120 L / bovino Lavado corrales: 200 L / bovino

El agua utilizada en el proceso es consumida tal como se indica en el cuadro, de la siguiente forma:

Cuadro 1. Distribución de usos del agua durante el proceso

TIPO DE PROCESO % DEL CONSUMO TOTAL CONSUMO (L)

Lavado vísceras Rojas 8 54,4

Lavado vísceras Blancas 15 102

Lavado Res antes del sacrificio 24 163,2

Limpieza de panzas 10 68

Limpieza de tripas 10 68

Lavado cabeza, lengua y cuero 8 54,4

Lavado en Canal 25 170

TOTAL 680

Fuente: esta investigación.

Porcentajes del Consumo Total para Porcinos. De los 250 litros de agua consumida en el sacrificio de porcinos, el 20% se destinan en el lavado de corrales, el 60% se consumen en el proceso de matanza y 20% en lavado de pisos y otros. Por lo tanto, el consumo de agua por proceso es el siguiente: Lavado de Corrales: 50 L / porcino Proceso de sacrificio: 150 L / porcino

Lavado y otros: 50 L / porcino

Consumo Diario de Agua.

Sacrificio de Bovinos.

Nº de reses a sacrificar por día (NR) = 60 reses

Consumo Diario =

Sacrificio de Porcinos.

- 250 a 500 litros de agua por cada porcino que se sacrifique.

Nº de porcinos a sacrificar por día (NP) = 40 reses

Consumo Diario:

Consumo Total de Agua (CT):

Teniendo en cuenta que el agua utilizada en los animales no se integrará al producto, la producción de aguas residuales será igual a la del consumo. A continuación, se pueden observar los valores obtenidos: Sacrificio de bovinos = 60 m3/día Sacrificio de porcinos = 10 m3/día Caudal Diario Total = 70 m3/día 1.1.2 Características de las Aguas Residuales. Las concentraciones contaminantes de las aguas residuales de mataderos y frigoríficos, presentan un gran rango de variación dependiendo de las técnicas de sacrificio empleadas y del consumo de agua. En la zona de sacrificio, los desperdicios producen una cantidad considerable de materia en suspensión, la sangre tiene mucho nitrógeno y se descompone con facilidad. Por esta razón, los parámetros que determinan el diseño de una Planta de Tratamiento de Agua Residual de este tipo son SST y DBO5. Las características fisicoquímicas promedio de las aguas residuales en las plantas de sacrificio, se especifican en la Guía Ambiental para las Plantas de Beneficio de Ganado. Los principales se presentan a continuación: DBO5 (mg/L) = 1.800 – 4000 SST (mg/L) = 570 – 3066 Estos valores se aproximan a los presentados en la Guía Ambiental de Formulación de Planes de Pretratamiento de Efluentes Industriales, del Ministerio del Medio Ambiente:

Cuadro 2. Caracterización de Efluentes Industriales

TIPO DE INDUSTRIA

CARACTERÍSTICAS DE LOS EFLUENTES

Unidades DBO5 DQO SST A Y G

(Kg/und) (Kg/und) (Kg/und) (Kg/und)

Matadero Ton 6,4 - 5,2 2,8

Fuente: Guía Ambiental de Formulación de Planes de Pretratamiento de Efluentes Industriales, del Ministerio del Medio Ambiente. 2002. Pág. 40.

Para comprender la relación entre los valores mencionada anteriormente, se realizan los siguientes análisis para DBO5 y SST:

Análisis de concentraciones por bovino:

Análisis de concentraciones por porcino2:

Con base en estos valores, las concentraciones de Sólidos Suspendidos y DBO5

asumidos para el diseño de la planta de tratamiento de aguas residuales son: Sacrificio de bovinos Sacrificio de porcinos

2 El análisis de concentraciones por porcino, se calculó con base en un peso promedio de 100 Kg.

DBO5 (mg/L) = 2560 mg/L DBO5 (mg/L) = 640 mg/L SST (mg/L) = 2080 mg/L SST (mg/L) = 520 mg/L

Análisis de Cargas Contaminantes.

Sacrificio de bovinos Caudal Diario = 60 m3/día DBO5 (mg/L) = 2560 mg/L SST (mg/L) = 2080 mg/L

Sacrificio de porcinos Caudal Diario = 10 m3/día DBO5 (mg/L) = 640 mg/L SST (mg/L) = 520 mg/L

El siguiente cuadro resume las cargas contaminantes a tener en cuenta para el diseño:

Cuadro 3. Resumen de cargas contaminantes

Agua Residual Caudal DBO5 SST

(m3/día) (Kg/día) (Kg/día)

Sacrificio Bovinos 60 153,6 124,8

Sacrificio Porcinos 10 6,4 5,2

Total 70 160 130 Fuente: esta investigación.

1.2 PRETRATAMIENTO O TRATAMIENTO PRELIMINAR Es el tratamiento básico que se da a los vertimientos con el fin de remover sólidos gruesos y objetos que puedan impedir el funcionamiento de bombas y equipos o causar taponamiento en las redes de drenaje internas, o para evitar el deterioro de las estructuras posteriores. Para el caso de mataderos, este material lo compone residuos de lavado de panzas, lavado de corrales, carnazas, entre otros. 1.2.1 Diseño de Canal con Rejillas. El canal recibirá el efluente de todas las áreas del proceso de matanza: aguas grasas y sanguinolentas.

Caudal Medio de Diseño.

Para un día de operación de 8 horas, se tiene:

Caudal Máximo Diario. Aplicando un factor de seguridad de 1.2, el caudal es:

Diseño de la rejilla.

Espacio entre barras (b) = 1.5 cm Según la norma RAS 2000, numeral E.4.4.2.3, se recomienda un espaciamiento entre las barras de la rejilla de 15 a 50 mm para rejillas limpiadas manualmente

Espesor de barra (w) = 1 cm

Porcentaje de área de flujo (E)

Velocidad asumida entre barras (v)

De acuerdo con lo establecido en la norma RAS 2000, en el numeral E.4.4.2.5, se debe usar un rango de velocidades entre 0.3 y 0.6 m/s y entre 0.6 y 1.2 m/s para rejillas limpiadas manualmente y mecánicamente respectivamente.

Área útil del canal (Au)

Área Total (At)

Ancho del Canal (Wc)

Profundidad aguas abajo de rejilla (de lámina de fluido) (Po)

Ancho de rejilla (Wr)

Ancho útil de rejillas (Wu)

Ancho total barras (Wb)

Número de barras (Nb)

Inclinación con la horizontal:

Cálculo de la Pérdida de Carga en la Rejilla. La pérdida de Carga para rejillas limpias según la Fórmula de Kirshmer, está dada por:

Donde K es un factor que depende de la forma de la sección de las barras. En este caso sección rectangular: K = 2,42

Cuando las rejillas están sucias, la velocidad puede duplicarse y la velocidad de acceso aguas arriba quedaría inalterada. Por lo tanto, la pérdida de carga sería:

Dimensiones finales de la Rejilla

Altura Total (T)

Largo de la rejilla

Ancho = 0,5 m Número de barras = 15 Espesor de barras = 1 cm Espacio entre barras = 1,5 cm

1.3 TRATAMIENTO PRIMARIO Es el conjunto de operaciones encaminadas hacia la remoción de sólidos sedimentables o de material flotante, por medios gravitacionales o mecánicos. 1.3.1 Diseño de Trampa de Grasas

Tiempo de retención hidráulico, propuesto para estos sistemas es el recomendado en las normas RAS 2000, titulo E tabla E 3.2. (3 minutos para caudales entre 2 y 9 LPS).

Volumen del sistema

Área Superficial

Se sabe que el valor de carga superficial (qs), debe estar entre los valores de 2.5 – 4 lps/m2, por lo cual se asume un valor qs = 4 lps/m2.

El valor obtenido es coherente con el parámetro de diseño exigido en la norma RAS 2000 título E, donde recomienda que para estos sistemas, se debe tomar en cuenta un factor de diseño de 0.25 m2 / 1 lps. Se tiene que:

Teniendo en cuenta que la relación ancho:largo según la norma RAS 2000 titulo E, parámetros de diseño numeral E 3.3.2, debe estar entre 1:4 a 1:18, se asume para el caso la relación 1:4.

De acuerdo a los cálculos obtenidos para la trampa de grasas y basándose en las normas RAS 2000, se toma como medidas mínimas para mejor manejo, operación y mantenimiento, las siguientes dimensiones:

Trampa de grasas

Depósito de grasas:

En estas estructuras se empleará tubería de policloruro de vinilo de 4”, con muros en concreto reforzado, paredes esmaltadas de 0.15 m de espesor, con una protección química para evitar filtraciones. El sistema de refuerzo estará comprendido por acero PDR – 60, con una separación mínima de 0.15 m, en los diámetros que se especifican en los planos adjuntos. 1.3.2 Diseño Sedimentador Primario.

Área Superficial (As). Para el cálculo del que se constituye como el criterio de diseño del sedimentador, se recomienda trabajar con un valor de carga superficial de 65 m3/m2/d, para caudales pico (RAS 2000, numeral E.4.5.1.1), por lo que el área calculada es:

Relación largo – ancho (L:B). Debe estar entre 1,5:1 a 15:1 según lo recomendado en la norma RAS 2000, numeral E.4.5.1.1 para este tipo de estructuras. Se asume una relación de 3:1.

Se aproxima a 1,5 m para obtener una mejor área de trabajo en el sedimentador.

Con lo calculado, se obtienen las dimensiones superficiales del sedimentador, logrando así mayor área de sedimentación:

Tiempo de Retención hidráulica (Tr). De acuerdo con lo establecido en las normas RAS 2000 (numeral E.4.5.1.2), el Tiempo de Retención debe ser mayor a 1 hora, para este tipo de sistemas.

Zona de lodos. Se ubicará a lo largo del sedimentador, extendiéndose a lo ancho del mismo. Su altura es de 0,5 m y su pendiente lateral está en la relación 1:1.

Para el cálculo de la capacidad de la tolva se asume un porcentaje de remoción del 70%. Adoptando la concentración de lodo de 1% (por tratarse de lodos biológicos), y teniendo en cuenta la concentración de sólidos calculada al inicio del diseño, se tiene.

Tiempo para retiro de lodos (t)

Se asume que la tolva del sedimentador debe ser purgada cada 2,5 días.

Entrada al sedimentador. Se hará por medio de tubería PVC 4 pulgadas, la cual distribuye el agua residual a las dos unidades de sedimentación. Para que no se produzcan cortos circuitos al ingreso y evitar zonas muertas, se instala un tabique sumergido de 0,45 m, es decir, a 0,45 m del borde del tanque. El Gradiente de entrada al tanque debe ser < 22,8 s-1. Este ingreso se lo hace por medio de una loseta perforada con 4 orificios de 4 pulgadas.

Cálculo del Gradiente Instantáneo (G).

q = Caudal por orificios

Salida del sedimentador. El efluente se recolectará a través de un canal de recolección que tendrá el mismo ancho de sedimentador, el cual recibe el agua por medio de cuatro perforaciones de 4 pulgadas, de la misma forma como se hace para el ingreso. 1.4 TRATAMIENTO SECUNDARIO O BIOLÓGICO 1.4.1 Diseño de filtro anaerobio de flujo ascendente (FAFA)

Caudal de diseño (Qd)

Tiempo de retención hidráulico. El tiempo de retención con el que se recomienda diseñar de acuerdo a la norma RAS 2000, se especifica en el numeral E.4.9.7.1. Por lo cual, se asume un tiempo de retención con base en un rango de concentración orgánica del afluente al filtro anaerobio (Expresada en DBO5TOTAL en mg/L) que se encuentra entre:

Entonces, el tiempo de retención hidráulica para el diseño es:

Volumen Total (Vt)

Volumen Útil (Vu). Hace referencia el volumen requerido. Asumiendo una relación de vacíos de 60%, se tiene:

Sección superficial necesaria (S). De acuerdo con las proporciones geométricas recomendadas por la norma RAS 2000, H debe estar entre 0,6 y 1,8 m. Se adopta un H de 1.8 m.

Área Superficial del Lecho Filtrante (A). Con el fin de que la distribución del flujo sea uniforme en toda el área, se utilizarán dos (2) unidades de iguales dimensiones, las cuales acumulan la sección horizontal requerida.

Dimensiones del Filtro. Asumiendo un ancho (B) de:

La longitud (L) del lecho será:

Fondo del tanque. Para el ingreso del agua, el fondo del tanque es separado por un falso fondo, conformado por viguetas de concreto en forma triangular de 0,20 m de alto, con orificios de 1 pulgada, separados 10 cm de centro a centro, ubicados a cada lado de las viguetas; o el uso de estructuras de cerámica vidriada de forma rectangular con perforaciones de 1/16 pulgadas, separadas cada 5 cm entre sí, las cuales conservarán un flujo laminar en el área seccional del tanque. La altura disponible bajo el falso fondo para el ingreso del agua será:

Ésta permitirá la instalación de tubería sanitaria de 4 pulgadas con perforaciones de 1”, para poder repartir mejor la cantidad de agua en la estructura del filtro, de manera uniforme.

Lecho Filtrante. El lecho filtrante que conforma el medio de soporte biológico, debe estar constituido por material proveniente de la formación ígnea, metamórfica o sedimentarias, las cuales deben tener una gradación que sea en lo posible pasante mínimo ¾ hasta 2.5 pulgadas de tamaño. Esta material debe poseer aristas definidas y superficies ásperas. Por seguridad y manejo, no se aconseja el uso de grava de río, ni piedra laja.

Velocidad Ascensional (Vasc)

Pérdidas en el Medio Filtrante.

Ingreso del afluente. El afluente ingresa por la parte superior, a través de tuberías de 4 pulgadas, el cual proviene del tanque sedimentador que se opera con una válvula. Éste descarga en una cámara que conduce el fluido hacia el fondo del filtro para que ingrese por la parte inferior a través del lecho. Esta cámara será común para las dos unidades de filtración.

Salida del efluente. El efluente después de hacer el primer proceso de filtración será evacuado mediante dos canaletas en cada sección de filtrado que se ubican en la parte superior de éstas, manteniendo el nivel sobre el lecho filtrante. Además, éstas se conectan a una nueva unidad de filtración para realizar el mismo proceso, el cual mejorará la calidad del efluente.

Caudal a evacuar por canaleta.

Caudal de diseño de la canaleta. Para este diseño, se asume un factor de seguridad de 1,3.

Se adoptará un ancho de canaleta (b) de 30 cm. Por lo tanto, se tiene ho es igual:

Por facilidad de fabricación, mayoramos esta altura a 5 cm, obteniendo:

Dimensiones canaletas recolectoras: 30 cm x 5 cm

Éstas se ubicarán a lo largo del ancho de todo el filtro. Además, se las distribuirá en una forma muy uniforme de acuerdo a su longitud, detalles que se indicarán en los planos respectivos.

Canal de recolección de agua filtrada. El agua colectada en las canaletas es descargada en otro canal. Para este diseño, se asume un factor de seguridad de 1,3 en el caudal efluente.

Caudal a evacuar por el canal.

Caudal de diseño de la canaleta.

Se adoptará un ancho de canal (b) de 50 cm. Por lo tanto, ho es igual:

Por seguridad, se incrementa esta altura a 15 cm, los cuales deben ser medidos en el descenso en el fondo de las canaletas de recolección. Por lo tanto, dicho canal adquiere una altura de 0,5 m medidos desde el borde superior.

Dimensionamiento Total del filtro.

Número de unidades n = 2 Largo L = 9,7 m Ancho B = 5,5 m Altura Total del Filtro H = 2,55 m

El proceso de filtración, se repetirá en serie mediante la instalación de otra estructura igual a la diseñada anteriormente, mejorando la calidad del efluente, el cual puede ser usado para riego, donde el suelo nos ayude a eliminar las sustancias que no lograron ser retenidas en el sistema. Cabe resaltar que el agua no debe ser usada para riego de cultivos de consumo directo, es decir, alimentos que se sirven con cáscara o sin cocción (tomates, lechugas, algunas frutas, entre otros).

1.5 Diseño del Lecho de Secado. Para diseñar un lecho de secados, es necesario tener en cuenta los siguientes criterios de diseño.

Densidad de lodos 2.6 g/cm3 Humedad inicial 45 % base seca Humedad final 20 % base seca Evapotranspiración real 635.85 mm/año Tiempo de trabajo 8 horas

Para estimar la producción de lodos, es necesario partir de bases teóricas, debido a que el lecho de secado no tiene lodo almacenado:

Bases para el cálculo: Concentración SST al ingreso del sistema: 1857 mg/l Concentración SST a la salida del sistema: 1485.6 mg/l Caudal: 2.92 LPS Tiempo de Trabajo: 480 minutos Factor de conversión: 0.0288 Carga de lodos que ingresa 156.16 kg/día Carga de lodos que sale 124.93 kg/día Carga SST removida 31.233 kg/día Humedad carga removida 45% Factor de Seguridad 1.3 Producción lodos (20% humedad) 12.96180058 kg/día

El lecho de secado se diseña para almacenar lodos húmedos al 45%

Volumen del lecho de secado

Relación largo : ancho 2.5: 1

Altura recomendada h: 1 m Ancho del lecho de secado b: 3 m Largo del lecho de secado L: 7.5 m Área de secado A: 22.5 m2

Evapotranspiración real diaria 2.2 mm/día

Parámetros de diseño lecho de secado

Largo: 7,5 m Ancho: 3 m Altura: 1 m Inclinación: 1% Tubería de evacuación: 1 – 1 ½” Volumen de Lodos: 22,5 m3 Tiempo de residencia total: 4 días