4e5 Memoria de Calculo Sistema de Tratamiento de Efluente

PISCICULTURA RÍO TOLTÉN

ANEXO 10 MEMORIA DE CÁLCULO Y CÁLCULO Y DISEÑO SISTEMA DE TRATAMIENTO DE EFLUENTE

Elaborado por Revisado por Aprobado por

Javier E. Rodríguez Sánchez Christian A. Herrera Cárdenas AGUA DULCE DULCE S.A. ELABORADO POR:

ENERO 2012

Ingeniero Ambiental Ing. Civil Industrial – Ing. Ambiental Titular proyecto Piscicultura Río Toltén

INGENIERIA Y CONSTRUCCIÓN AGUAS CLARAS LTDA.

ÍNDICE pág. 1

IDENTIFICACIÓN EMPRESA.

1

2

DESCRIPCIÓN DE LA MEMORIA DE CÁLCULO.

1

3

MEMORIA DE CÁLCULO EFLUENTE.

2

3.1 CUANTIFICACIÓN DE CAUDALES Y COMPOSICIONES,

2

3.2

5

ANÁLISIS LEGAL

3.3 SISTEMA DE SEDIMENTACIÓN SEDIMENTACIÓN

8

3.3.1 Diseño de sedimentador rectangular rectangula r de flujo laminar

17

3.3.2 Diseño de sedimentador de alta tasa (tubos)

22

Anexo 1: Especificacio Especificaciones nes técnicas sedimentadores sedimentadores

28

Anexo 2: Fragmento Fragmento del del estudio realizado realizado por por Herrera (2003) (2003)

31

Av. San Martín # 473 – Temuco, Temuco, Fono/Fax 045 - 736363 www.aguasclarasingenieria.cl

2


ÍNDICE pág. 1

IDENTIFICACIÓN EMPRESA.

1

2

DESCRIPCIÓN DE LA MEMORIA DE CÁLCULO.

1

3

MEMORIA DE CÁLCULO EFLUENTE.

2

3.1 CUANTIFICACIÓN DE CAUDALES Y COMPOSICIONES,

2

3.2

5

ANÁLISIS LEGAL

3.3 SISTEMA DE SEDIMENTACIÓN SEDIMENTACIÓN

8

3.3.1 Diseño de sedimentador rectangular rectangula r de flujo laminar

17

3.3.2 Diseño de sedimentador de alta tasa (tubos)

22

Anexo 1: Especificacio Especificaciones nes técnicas sedimentadores sedimentadores

28

Anexo 2: Fragmento Fragmento del del estudio realizado realizado por por Herrera (2003) (2003)

31


2


1. IDENTIFICACIÓN EMPRESA. Mandante R.U.T. Actividad Industrial Industrial CIIU Nombre de la Piscicultura Ubicación de la Piscicultura Piscicultura Teléfono E – Mail

: AGUA DULCE S.A. : 76.664.610-7 : Piscicultura. Piscicultura. : 13041. : Piscicultura Piscicultura Río Toltén. : Hijuela L parcela 80 Lote A y B Sector Sector Coipúe, Comuna de Freire, IX Región. : 021969987 021969987 – 025845464 : [email protected] a.bergma [email protected]

2. DESCRIPCIÓN DE LA MEMORIA DE CÁLCULO. Se realiza memoria de cálculo para el diseño de los sistemas involucrados en el manejo de residuos líquidos del proyecto Piscicultura Río Toltén. A la vez, se estiman los parámetros fisicoquímicos a la salida del sedimentador y se compara con la normativa vigente (D.S. Nº90. Norma de Emisión para para la Regulación de Contaminantes Asociados Asociados a las Descargas de Residuos Líquidos Líquidos a Aguas Marinas Marinas y Continentales Continentales Superficiales) Superficiales) .

De esta forma se cuantifican los flujos y concentraciones mediante balances de masa. Se comprueba que la trayectoria de cada partícula o sólido sedimentable tenga como destino el fondo del sedimentador y que no será arrastrada con el efluente hacia el río. Se emplean las planillas de producción de la empresa como valores de entrada al cálculo. Además se propone una mejora al sistema de tal forma de mejorar la extracción de los lodos del sistema mediante un sedimentador de alta tasa.


3


3. MEMORIA DE CÁLCULO EFLUENTE. La proyección de la piscicultura consiste en el cultivo de salmonídeos a partir de ova hasta el estadio de smolt. Según el flujo de producción proyectado, en el proceso productivo se obtiene una máxima producción al 2° año de funcionamiento, con una producción de 3.090.000 toneladas al año, la que se mantiene en los años sucesivos. En base a los datos de producción y los respectivos flujos de alimento se realizan las estimaciones necesarias para realizar el cálculo del sistema de tratamiento del RIL, así como la estimación de las concentraciones esperadas del RIL tratado.

3.1. CUANTIFICACIÓN DE CAUDALES Y COMPOSICIONES.

El proyecto Piscicultura Toltén posee derechos de agua que corresponde a uso no consuntivo por un caudal de 3 m³/s provenientes del río Toltén para una producción máxima, estimada al 2º año y posteriores, de 3.090.000 Ton/año. A continuación se indica el flujo de producción proyectado hasta el 2º año: Tabla 3.1.1. Flujo 3.1.1. Flujo de producción Piscicultura Río Toltén. Mes Fe Fec ha

jul-12

ago- 12

s ep-12 1 399

1 764

Numero Numero Final n al

11014 11014 706

10176 10176 471

9700 000

21591 21591 176

20452 20452 941

19500 19500 000

28738 28738 235

24430 24430 000

18500 18500 000

27738 27738 235

23540 23540 000

16500 16500 000

600 000

1350 000

1438 235

600 000

1350 000

1438 235

600 000

4 009

10 384

23 235

8 139

15 877

26 357

6 419

Volumen Estanques (m3)

AÑO 0

oc t-12

nov - 12 3 569

Mortalidad idad Numero Numero Mes

750 000

838 235

300 000

1050 000

1138 235

Mortalidad Biomasa (kg)

75

84

138

521

1 481

Biomasa (kg)

2 203

2 035

Alimento mes (kg)

dic - 12 6 195

e ne - 13 12 506

f eb - 1 3 18 391

12 612

ab r - 13

may -13

18 572

21 675

9 354

6 996

23 609

66 509

173 589

430 620

640 568

366 524

639 317

718 231

215 516

17 010

51 681

128 581

306 076

252 139

237 740

324 990

94 898

110 199

8200 000

Caudal (m3/seg)

jun- 13

5 995

Cosecha Smolts (n°)

AÑO 1

mar -13

9200 000

0 . 2 33

0 .2 9 5

0 . 596

1 .0 3 2

1 .3 7 2

2 .1 6 6

1 .4 2 8

1 .9 7 9

2 .4 8 1

1 .0 2 3

Mes Fe Fec ha

jul-13

ago- 13

s ep-13

oc t-13

nov - 13

dic - 13

e ne - 14

f eb - 1 4

mar -14

ab r - 14

may -14

jun- 14

17 212

5 738

10 075

17 272

24 224

18 391

12 612

18 572

21 675

9 354

32

32

26

26

26

26


11 562

15 054

Incubadores Comphatch (n°)

29

29

Numero Numero Final n al

26914 26914 706

25476 25476 471

22675 22675 000

29091 29091 176

27652 27652 941

26400 26400 000

33028 33028 235

24430 24430 000

18500 18500 000

27738 27738 235

23540 23540 000

16500 16500 000

Mortalidad idad Numero Numero Mes

1350 000

1438 235

900 000

1350 000

1438 235

900 000

1650 000

1438 235

600 000

1350 000

1438 235

600 000

-

-

-

-


10 765

16 472

24 440

4 557

8 847

17 182

33 563

23 235

8 139

15 877

26 357

6 419

Biomasa (kg)

331 944

478 107

531 036

154 731

294 220

561 306

852 455

640 568

366 524

639 317

718 231

215 516

Alimento mes (kg)

137 070

175 596

63 558

86 128

167 588

320 588

347 018

252 139

237 740

324 990

94 898

110 199

6600 000

8200 000

2 .1 6 6

1 .4 2 8


-

-

Caudal (m3/seg)

1 .2 3 2

1 . 6 75

2 .0 1 1

6900 000 0 .9 5 7

1 . 246

2 .1 4 0

2.544


-

-

1 .9 7 9

2 .4 8 1

4

9200 000 1 . 0 23


Para diseñar el sistema de sedimentación y para estimar la calidad de efluente final se debe simular el escenario con máxima producción para obtener el caso más crítico desde un punto de vista ambiental. Por lo anterior es necesario analizar el año en el que se cumplirá con la máxima producción de la piscicultura para determinar el máximo suministro de alimento mensual. A continuación se presenta el plan de producción para el 2º año y siguientes. Tabla 3.1.2. Flujo de producción para el 2º año y sucesivos.

AÑO 1

Mes Fecha

jul-13

ago-13

sep-13

oct-13

nov-13

dic-13

ene-14

feb-14

mar-14

abr-14

may-14

jun-14


11 562

15 054

17 212

5 738

10 075

17 272

24 224

18 391

12 612

18 572

21 675

9 354

Incubadores Comphatch (n°)

29

29

-

32

32

-

26

26

26

Numero Final

26914 706

25476 471

22675 000

29091 176

27652 941

26400 000

33028 235

24430 000

18500 000

27738 235

23540 000

16500 000

Mortalidad Numero Mes

1350 000

1438 235

900 000

1350 000

1438 235

900 000

1650 000

1438 235

600 000

1350 000

1438 235

600 000


10 765

16 472

24 440

4 557

8 847

17 182

33 563

23 235

8 139

15 877

26 357

6 419

Biomasa (kg)

331 944

478 107

531 036

154 731

294 220

561 306

852 455

640 568

366 524

639 317

718 231

215 516

Alimento mes (kg)

137 070

175 596

63 558

86 128

167 588

320 588

347 018

252 139

237 740

324 990

94 898

110 199


-

-

-

6900 000

-

-

-

6600 000

8200 000

-

-

9200 000

Caudal (m3/seg)

1.232

1.675

2.011

0.957

1.246

2.140

2.544

2.166

1.428

1.979

2.481

1.023

26

-

Observando tabla 3.1.2, el alimento máximo suministrado corresponde al mes de Enero 2014 con un total de 347 Ton/mes de alimento y con un caudal promedio de agua fresca (agua proveniente directamente del río Toltén, el cual es el mismo caudal que será restituido en el RIL) correspondiente a 2.54 m³/s, datos que serán utilizados como base de cálculo para el diseño del sistema de tratamiento. Según Aguayo (2003), podemos asumir el 10% del alimento suministrado como alimento no consumido y el 13% y 12% del alimento consumido como flujo másico de fecas y orina respectivamente, es decir, podemos suponer en este caso que el 23% del alimento suministrado se convierte en material particulado que fluye en el RIL hacia el sistema de tratamiento. Por otro lado, existen datos del FEI (FINNISH ENVIRONMENT INSTITUTE: Instituto Finlandés de Ambiente) del año 2003, que estiman la cantidad de contaminantes generados en función de cada kg de alimento suministrado en una piscicultura de trucha y/o salmón de la siguiente forma:

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5

-


Fig 3.1.1. Cantidades de contaminantes por cada kg de alimento suministrado. Instituto del Ambiente Finlandés (2003). Debido a que las estimaciones realizadas por el FEI para el parámetro de sólidos suspendidos (SS) son mayores que las estimadas por Aguayo (2003), y a que se presenta una estimación directa de los principales parámetros que deben ser controlados en la industria acuícola en la fase de pisciculturas (DBO, N, P y SS), se adoptó esta metodología para estimar las cargas contaminantes de la piscicultura. De esta forma, las cargas de contaminantes se calcularon como se indica a continuación: m x = F * αlfa Donde: mx F αlfa

: carga másica diaria del contaminante x (DBO, N, P, SS) (kg/d) : cantidad de alimento entregado por día (kg/d) : factor de conversión según FEI (en kg/kg)


6


3.2. ANÁLISIS LEGAL.

Para analizar teóricamente si el establecimiento puede ser considerado o no fuente emisora se cita parte de la Tabla Establecimiento Emisor del cuerpo legal DS Nº90. Tabla 3.2.1. Fragmento tabla Establecimiento Emisor del cuerpo legal DS Nº90. Contaminante Valor Característico Carga contaminante media diaria (equiv. 100 Hab/día) * Sólidos Sedimentables ** 6 ml/L 1h -- Aceites y Grasas 60 mg/L 960 g/d DBO5 250 mg O2 /L 4000 g/d Fósforo Total 10 mg/L 160 g/d Nitrógeno total kjeldahl 50 mg/L 800 g/d

Comparando los valores de Tabla 14 con las cargas estimadas del RIL sin tratar, deducimos lo siguiente: Tabla 3.2.2. Comparación de cargas de Río Toltén con cuerpo legal. Contaminante Carga contaminante media Carga teórica efluente diaria (equiv. 100 final piscicultura (g/d) Hab/día)* DBO5 4 000 g/d 9 055 830 Fósforo Total 160 g/d 119 490 Nitrógeno total kjeldahl 800 g/d 951 700 * Valores obtenidos de Tabla 12 transformando cargas de kg/h a g/d. Como conclusión a lo anterior, deducimos teóricamente que la piscicultura Río Toltén se catalogaría como establecimiento emisor. En cuanto al cumplimiento de concentraciones en el efluente, se cita fragmento de Tabla Nº 1 Limites máximos permitidos para la descarga de residuos líquidos a cuerpos de agua fluviales del cuerpo legal DS Nº90.


7


Tabla 3.2.3. Fragmento de Tabla Nº 1 del cuerpo legal DS Nº90. LIMITE MAXIMO CONTAMINANTES UNIDAD EXPRESION PERMITIDO Aceites y Grasas mg/l AyG 20 DBO5 mg O2 /l DBO5 35 Fósforo mg/l P 10 Nitrógeno Total Kjeldahl mg/l NKT 50 Sólidos Suspendidos mg/l SST 35 Con la metodología ya indicada, se calculan las concentraciones promedio mensuales para los parámetros en los dos ciclos: Tabla 3.2.4. Concentraciones estimadas RIL sin tratar. jul-12

DBO promedio mensual (mg/l) N promedio mensual (mg/l) P promedio mensual (mg/l) SST promedio mensual (mg/l)

0.0 0.0 0.0 0.0 jul-13

DBO promedio mensual (mg/l) N promedio mensual (mg/l) P promedio mensual (mg/l) SST promedio mensual (mg/l)

18.5 1.9 0.2 12.9

ago-12

0.0 0.0 0.0 0.0 ago-13

17.5 1.8 0.2 12.1

sep-12

4.3 0.5 0.1 3.0 sep-13

5.3 0.6 0.1 3.7

oct- 12

9.6 1.0 0.1 6.7 oct- 13

15.0 1.6 0.2 10.4

nov-12

14.5 1.5 0.2 10.0 nov-13

22.4 2.4 0.3 15.6

dic-12

20.8 2.2 0.3 14.4 dic-13

25.0 2.6 0.3 17.3

ene-13

37.2 3.9 0.5 25.8 ene-14

22.7 2.4 0.3 15.8

feb- 13

19.4 2.0 0.3 13.5 feb- 14

19.4 2.0 0.3 13.5

mar-13

27.8 2.9 0.4 19.3 mar-14

27.8 2.9 0.4 19.3

abr-13

27.4 2.9 0.4 19.0 abr-14

27.4 2.9 0.4 19.0

may-13

6.4 0.7 0.1 4.4 may-14

6.4 0.7 0.1 4.4

jun-13

17.9 1.9 0.2 12.5 jun-14

17.9 1.9 0.2 12.5

Como se observa en la tabla, los valores de concentración no son sobrepasados durante el segundo periodo, que es aquel que será repetido cíclicamente. Sin embargo, existe un sobrepaso puntual para el parámetro DBO producido en el mes de enero 2013 (año 0). Como conclusión a lo anterior, deducimos teóricamente que piscicultura Río Toltén cumpliría con estándares establecido en DS Nº90 para el vertido a cuerpo fluvial, excepto en el parámetro DBO5, estimado como DBO para el mes indicado y para el efluente sin tratar.


8


Según Metcalf y Eddy (1998), para un sistema de sedimentación se pueden estimar algunos porcentajes de remoción de contaminantes en función de la remoción de los sólidos. A continuación se presenta una tabla muy conservadora de estos porcentajes estimados y sólo para efectos de verificar el cumplimiento normativo al aplicar el sistema de tratamiento de RILes propuesto. Tabla 3.2.3. Porcentajes de remoción. Parámetro DBO5 NTK PTOTAL SST

% remoción 30 10 10 50

Con el sistema funcionando se estima que las concentraciones finales del efluente en el punto de restitución serían de: Tabla 3.2.5. Concentraciones estimadas RIL tratado. jul-12

DBO concentración efluente mg(l ) N concentración efluente mg(l) P concentración efluente mg(l) SST concentración efluen te mg(l)

0.0 0.0 0.0 0.0 jul-13

DBO concentración efluente mg(l ) N concentración efluente mg(l) P concentración efluente mg(l) SST concentración efluen te mg(l)

13.0 1.4 0.2 9.0

ago-12

0.0 0.0 0.0 0.0 ago-13

12.2 1.3 0.2 8.5

sep-12

3.0 0.3 0.0 2.1 sep-13

3.7 0.4 0.0 2.6

oct- 12

6.7 0.7 0.1 4.7 oct- 13

10.5 1.1 0.1 7.3

nov-12

10.1 1.1 0.1 7.0 nov-13

15.7 1.6 0.2 10.9

dic-12

14.5 1.5 0.2 10.1 dic-13

17.5 1.8 0.2 12.1

ene-13

26.0 2.7 0.3 18.1 ene-14

15.9 1.7 0.2 11.1

feb- 13

13.6 1.4 0.2 9.4 feb- 14

13.6 1.4 0.2 9.4

mar-13

19.4 2.0 0.3 13.5 mar-14

19.4 2.0 0.3 13.5

abr-13

19.2 2.0 0.3 13.3 abr-14

19.2 2.0 0.3 13.3

may-13

4.5 0.5 0.1 3.1 may-14

4.5 0.5 0.1 3.1

jun-13

12.6 1.3 0.2 8.7 jun-14

12.6 1.3 0.2 8.7

De esta forma se corrobora el cumplimiento del DS 90 por parte de la Piscicultura Río Toltén.


9


3.3. SISTEMA DE SEDIMENTACIÓN. Análisis de la situación. Dentro del proceso de cultivo de peces se generan 2 tipos de residuos clasificados según su estado físico: aquellos que se encuentran diluídos en el efluente y aquellos que se encuentran en estado sólido y son arrastrados por el fluído. Estos últimos (residuos sólidos arrastrados) se componen fundamentalmente de alimento no consumido y fecas, para los cuales se utilizan sistemas tanto gravitatorios (sedimentadores, hidrociclones, etc.) como de filtración (rotofiltros, filtros de arena, wetland, etc.) para su remoción. Los equipos de sedimentación son ampliamente usados en la industria acuícola para el tratamiento de los efluentes, debido básicamente a la baja inversión que requiere su construcción y a la baja mantención en su operación. Otros sistemas son también utilizados pero, aunque resultan más eficientes en la teoría, debido a problemas en la operación de los mismos resultan sistemas poco fiables, a lo que se suma que son comparativamente más caros tanto en implementación como en operación debido a los grandes caudales que se deben manejar en este tipo de operaciones, aún cuando las concentraciones de contaminantes son relativamente bajas. Estos motivos han definido que la opción para el tratamiento de efluentes de la Piscicultura Río Toltén sea por medio de sedimentación. El tipo de sedimentador más usado en la industria es el llamado sedimentador rectangular de flujo laminar. Para el diseño de este tipo de sedimentadores, la literatura especializada propone el uso de la llamada tasa de carga superficial (overflow rate) que se define como el volumen del flujo de agua por unidad de tiempo por área de sedimentación y se expresa comúnmente como [m³/ (m² día)]. Para efectos prácticos, la tasa de carga superficial se expresa como velocidad (m/s), y realizando un análisis dimensional de los parámetros involucrados, se corrobora que la tasa de carga superficial es de igual magnitud que la velocidad de sedimentación de la partícula más pequeña a ser eliminada. Es decir, cualquier partícula con una velocidad de sedimentación mayor o igual a la tasa de carga superficial quedará retenida en el sedimentador.


10


El área superficial del sedimentador (m²) se calcula dividiendo el caudal a tratar (m³/s) por la velocidad de sedimentación (m/s) de la partícula más pequeña a eliminar (la tasa de carga). Los sólidos generados en la acuicultura tienen diferentes velocidades de sedimentación en función del tamaño de las partículas y su gravedad específica. Las partículas más grandes se separan fácilmente y requieren menor área de sedimentación en relación con las partículas más pequeñas que tienen velocidades de sedimentación más lentas. En la literatura especializada no existe una tasa de carga superficial apropiada para todos los sedimentadores para pisciculturas, ya que son varios los factores que determinan esta tasa, incluyendo el tipo de sedimentador, las especies cultivadas, tipo de alimento suministrado, velocidades de sedimentación de las partículas, las normas locales de calidad del agua, entre otros. En estas condiciones es fundamental entonces conocer las características de las partículas a ser removidas por el sistema de tratamiento, en especial la velocidad de sedimentación de la partícula considerada crítica (Vsc), que va a ser aquella partícula más pequeña que por diseño será retenida por el sedimentador. Como se sabe que las partículas corresponden a alimento no consumido y fecas, se hizo una revisión de la literatura para obtener valores referenciales de estos. Normalmente, las tasas de sedimentación para el alimento no consumido son similares y de simple obtención, sin embargo, es en la determinación de las velocidades de sedimentación de las fecas donde se producen las mayores diferencias, debido fundamentalmente a la especie estudiada, la talla del pez, la dieta suministrada, ambiente (agua dulce, estuario, mar) y la metodología utilizada tanto para la recolección de las fecas como para la determinación de las velocidades de sedimentación. En el ámbito local, y dentro del marco de la presentación de una declaración de impacto ambiental al SEIA, se propuso por Herrera el año 2003 una metodología que permitía determinar las velocidades de sedimentación para efluente de piscicultura, en la cual se determinaron las velocidades de sedimentación de distintos tamaños de alimento, usados ampliamente en el país, mediante el uso de modelos matemáticos y verificados con pruebas realizadas en laboratorio (Universidad Católica de Temuco, Laboratorio de Ecotoxicología), datos que han servido de base para múltiples proyectos posteriores.


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En este estudio se reprodujeron las condiciones de humedad del alimento no consumido, asumiendo 1 hora como el tiempo que transcurre entre que el alimento es suministrado en los estanques y la llegada de éste al sistema de tratamiento, por lo que se hidrató el alimento durante similar periodo de tiempo. A continuación se presenta un cuadro resumen con los valores obtenidos (el estudio completo se adjunta al final de este documento): Tabla 3.3.1. Velocidades de sedimentación indicados por Herrera, 2003.

Sustancia Fecas Starter 00 Starter 0 Pellet 2mm Caso 1 Crumble 3 Crumble 4 Alimento 5mm Alimento 4mm Alimento 8mm

Velocidad Modelo (cm/s) 1.1666 0.5923 1.0466 1.0307 1.3649 1.9029 3.1575 3.4507 6.4558

Velocidad Experimental (cm/s) 0.8349 0.857 1.685 3.411 1.5672 2.0333 7.129 6.876 9.359

Para efecto de utilizar estos valores de velocidades de sedimentación, obtenidos y verificados en el estudio al que se hace referencia, no existe ningún motivo por el que puedan ser invalidados para casos similares como las del presente estudio, sin embargo, los valores de velocidad de sedimentación de las fecas supone una situación totalmente distinta por los motivos descritos anteriormente (especie, talla, dieta, etc.). Es por esto que se realiza un análisis más profundo de los datos disponibles. En este punto, existe variada literatura especializada en las que se indica las velocidades de sedimentación de las fecas provenientes de peces en cultivo intensivo, sin embargo, las velocidades de sedimentación publicadas no siempre indican datos como la especie y mucho menos la talla de los peces estudiados, informando valores de tasas de sedimentación muy variadas (entre 0.7 y 6 cm/s). Sin embargo, el Centro de Estudios


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Costeros y Acuicultura de la Universidad de Nueva Brunswick de Canadá publicó en la revista Aquaculture Research (2008) una revisión de los estudios sobre las propiedades biofísicas de las fecas de salmonídeos. En esta revisión se pueden encontrar algunos estudios que poseen similares características a las condiciones de operación de la piscicultura Río Toltén en cuanto a especie y talla (salmonídeos en el estadio de smolt con un peso final promedio de 100 g). A continuación se reproduce en forma parcial la información resumida que contiene el citado documento: Figura 3.3.1. Tasas de sedimentación en la literatura (extraído de Aquaculture Research, p. 1-17, 2003).


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De esta información, son relevantes los estudios realizados por Panchang et al . (1993, 1997), Elberizon & Kelly (1998), Wong & Piedrahita (2000) y Ogunkoya et al. (2006), los cuales presentan resultados de estudios realizados en especies y tallas similares a los del proyecto en estudio. Sin embargo, estos datos de velocidad de sedimentación no son suficientes para determinar la velocidad crítica de sedimentación (Vsc) con el cual generar una base de diseño para el sedimentador, ya que debemos considerar una eficiencia mínima (85%) que sólo lo puede estimar un cálculo considerando las fracciones sedimentadas de los sólidos generados dependiendo de sus respectivas curvas de velocidades de sedimentación. Generar estas curvas para el alimento no consumido no es complejo, pero para las fecas no existen datos de curvas de sedimentación para salmones, sólo el trabajo de Wong & Piedrahita (2000) quienes generaron curvas de sedimentación (en base a masa) para fecas de trucha de 110 g. Esta informacion será utilizada, a falta de mejor información, para ponderar las velocidades de sedimentación de los sólidos sedimentados, en función de la masa, tanto de fecas como de alimento no consumido, este último utilizando los valores indicados por Herrera (2003). Como se indicó, para la etapa de diseño la remoción estimada de sólidos debe ser no menor al 85%. En el estudio de Wong & Piedrahita (2000) se estableció una función no lineal que permite determinar la eficiencia de remoción de un sedimentador en función de los valores de velocidades de sedimentación de las fecas de la siguiente manera: y = a +

b

( ( )) x 1+ c

d

Ecuación (1)

Donde y es la fracción de la masa con velocidad de sedimentación menor o igual a x , por su parte x corresponde a la velocidad de sedimentación y los parámetros a, b, c y d corresponden a: a = −0.0508, b =11.1030, c =407.4861, y d = −0.5394 con un r 2=0.95. La gráfica de esta función se muestra a continuación:


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n ó i c a t n e m i d e s s V e a d l . a l e v u g n i o o c r ) y o n ( a e c m i s á m n ó i c c a r F

1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0

1

2

3

4

5

6

7

Velocidad de s edimentación Vs (cm/s)

En el caso del alimento, se tienen las velocidades de sedimentación indicadas por Herrera (2003), las cuales se ilustran a continuación: ) s / m c ( s V n ó i c a t n e m i d e s e d d a d i c o l e V

7 6 5 4 3 2 1 0 Starter 0 Crumble 3 Alimento 5mm Alimento 8mm Starter 00 Pellet 2mm Caso 1 Crumble 4 Alimento 4mm


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Para simplificar el análisis con respecto al alimento, se analizó la distribución espacial de las distintas áreas productivas, las cuales se distribuyen de la siguiente forma: Área de Smoltificación

Área de Alevinaje

Área de Incubación y 1ª Alimentación

Sistema de tratamiento

Según el tipo de estanque de cada área asumieron 3 tipos de alimento representativos en función de los tamaños de estanque de cada sala, de la siguiente manera: Área

Tipo de estanque (Volumen)

Tipo alimento representativo

Velocidad de sedimentación (cm/s)

Incubación y 1ª alimentación

18.8 m³

Starter 0

1.0466

Alevinaje

50 m³

Crumble 4

1.9029

Smoltificación

310 m³

Alimento 4 mm

3.4507


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Si analizamos la entrega de alimento en función del tipo, tenemos el siguiente gráfico que muestra la fracción de cada tipo de alimento en función del total de alimento entregado para los meses correspondientes al segundo año productivo, que es el escenario que se reproducirá durante el funcionamiento de la piscicultura:

100 ) % ( l a t o t o t n e m i l a e d n ó i c n u f n e e j a t n e c r o P

90 80 70 60

Starter 0

50

Crumble 4

40 Alimento 4 m m

30 20 10 0 jul 13

sep 13 ago 13

nov 13 oct 13

ene 14 dic 13

mar 14 feb 14

abr 14

may 14 jun 14

2º año productivo y siguientes

Con esta información podemos deducir que el peor escenario para la operación de remoción de sólidos ocurrirá cuando exista la mayor fracción de alimento entregado del tamaño más pequeño (con menor velocidad de sedimentación), y este escenario ocurre al 4º mes del año 2 de operación, en el que el alimento más pequeño ocupa casi el 20% (19.3) de la fracción total, y el alimento mediano ocupa el 80% (80.7) restante, no existiendo aporte del alimento con tamaño más grande. Si ponderamos las velocidades de sedimentación en función de las fracciones másicas de estos alimentos tenemos que la velocidad de sedimentación ponderada (Vsp) corresponde a: Vsp = 1.0466 cm/s * 0.197 + 1.9029 cm/s * 0.803 Vsp = 1.7342 cm/s


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Según el FEI, el 57% y el 43% de los sólidos generados en la piscicultura corresponden a alimento no consumido y fecas respectivamente. Con esta distribución, y asumiendo un 30% del alimento entregado como sólidos contaminantes transportados por el efluente, podemos determinar que el 17% y el 13% del alimento entregado corresponden a alimento no consumido y fecas respectivamente. Luego, para determinar una velocidad de sedimentación crítica (Vsc) que permita remover el 85% de los sólidos del efluente, hacemos el supuesto que la velocidad de sedimentación de las fecas es menor que la Vs del alimento (supuesto:las velocidades de sedimentación del alimento son significativamente superiores a las de las fecas), por lo tanto, para cualquier velocidad de sedimentación crítica escogida para sedimentar fecas, asumimos que sedimenta el 100% del alimento no consumido. De esta forma, al sedimentar la totalidad de alimento no consumido, en términos globales sedimenta el 57% de los sólidos generados, por lo tanto, debemos determinar la velocidad de sedimentación de las fecas que permita completar el porcentaje restante para llegar a un 85% de remoción global de sólidos. En otras palabras, como el alimento no consumido sedimenta 100%, luego en masa corresponde a un 57%, debemos determinar la Vs para las fecas que permita sedimentar el 28% restante para llegar a un 85% global, que en función de las fecas corresponde a un 65.1%, es decir, la velocidad de sedimentación crítica corresponde aproximadamente a un 65% de la fracción másica de las fecas. En la ecuación (1) encontramos que para esta fracción (1-0.65=0.35) la velocidad de sedimentación es de 0.95 cm/s. Como esta velocidad es mucho menor que la velocidad de sedimentación de los 3 tipos de alimento, el supuesto indicado inicialmente es válido. Con esto podemos resumir que para el diseño del sedimentador, la Vsc utilizada corresponde a 0.95 cm/s.


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3.3.1 Diseño de sedimentador rectangular de flujo laminar. Del análisis de la información disponible, se obtuvo la siguiente base de cálculo: Parámetro

Símbología

Caudal de diseño

Q

Velocidad de sedimentación crítica

Vsc

Valor

Observaciones asume el máximo otorgado por 10 800 m 3 / s Se derechos de agua. 0.95 cm / s Según análisis realizado.

- Determinación de la superficie de sedimentación (As): As =

Q Vsc

Donde As: Área superficial del sedimentador. Q : Caudal de diseño. Vsc: Velocidad de sedimentación crítica. Reemplazando los valores de diseño, se obtiene un As= 315.8 m².

- Determinación de la longitud (L) y ancho (W) del sedimentador: Según el Aquaculture Engineering, del autor Odd-Ivar Lekang, las relaciones ancho/largo que han presentado buenas eficiencias en la remoción de partículas para actividades acuícolas se encuentran en los rangos de 1:4 a 1:8, pero una relación cercana a 1:3 supone una mejor economía de construcción. Por esto se emplea la relación 1:4 para este caso, luego las dimensiones del sedimentador son:


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Área superficial de sedimentación Largo teórico según relación L/W = 1:4 Ancho teórico según relación L/W = 1:4 Largo proyectado, considerando 10% margen de seguridad (aprox) Ancho proyectado, considerando 10% margen de seguridad (aprox)

As Lt Wt

315.8 m² 35.5 8.9

L

40 m

W

10 m

- Determinación de la profundidad (H) del sedimentador: Según el Aquaculture Engineering, los mejores resultados, para sedimentadores de pisciculturas, se obtienen para profundidades en el rango de 1 a 1.5 m, por lo que se considerará una profundidad total (Ht) de 1.8 m, con una profundidad efectiva (He) de 1.5 m y una zona de acumulación de lodos (Hl) de 0.3 m. - Revisión de relaciones recomendadas: Dentro de las recomendaciones de diseño de sedimentadores se encuentra que las dimensiones de estos deben cumplir las siguientes relaciones: Tipo de relación

Valores recomendado

Valor real

largo(L) vs ancho(W):

3<

L < 6 W

4

largo(L) vs profundidad(H):

5<

L < 20 H

22

largo(L)/profundidad(H) vs vel.hor. (Vh) / vel. sed. (Vsc)

L Vh = H Vsc

22 > 21

En este caso no se cumplen la segunda y tercera recomendación, pero se estima que los valores obtenidos no son exageradamente lejanos, y por otra parte, estos valores permiten ajustar los criterios de diseño a aquellas recomendaciones entregadas para este tipo de actividad, mientras que las relaciones revisadas son para sedimentadores en general.


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- Comprobación del tiempo de caída de la partícula. Se considerará como sedimentada toda partícula que llegue al fondo del sedimentador, y por lo tanto, contenida. Para verificar que las partículas han sedimentado, el tiempo necesario que requiere una partícula en la posición más desfavorable (en el límite superior de la columna de agua) para llegar al fondo del sedimentador debe ser mayor o igual al tiempo necesario para que la misma partícula abandone el sedimentador. 



Tiempo requerido para que la partícula llegue al fondo: en este caso se considera la altura total del sedimentador (Ht), ya que es el escenario en el cual la partícula debe recorrer la mayor distancia vertical: Velocidad de sedimentación crítica:

Vsc= 0.95 cm/s

Profundidad máxima del sedimentador: Tiempo requerido para llegar al fondo:

Ht= Tf=

1.8 m 189 s

Tiempo requerido para que la partícula llegue al final del sedimentador: en esta caso se considera la altura efectiva del sedimentador (He) debido a que es el escenario en el cual el área transversal es la más pequeña y por consiguiente la velocidad horizontal mayor, disminuyendo el tiempo de viaje de la partícula en el equipo: Caudal de diseño: Ancho sedimentador: Profundidad efectiva del sedimentador: Área transversal del sedimentador: Velocidad horizontal: Largo sedimentador: Tiempo horizontal:

Q= 3 m³/s W= 10 m He= 1.5 m At= 15 m² Vh= 0.2 m/s L= 40 m Th= 200 s


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Como el tiempo de caída vertical de la partícula es mayor que el tiempo de viaje horizontal en el sedimentador, se comprueba que las dimensiones del sedimentador se ajustan a los parámetros de diseño y la eficiencia esperada de un 85% como mínimo en la r emoción de sólidos sedimentables. - Número de unidades sedimentadoras. Para asegurara un correcto funcionamiento del sistema de tratamiento de efluentes de la piscicultura, se duplicará la unidad sedimentadora, de tal forma que para casos de mantención se pueda cerrar el ingreso a uno de los sedimentadores y se siga manteniendo la eficiencia de remoción del sistema global. - Zona de acumulación de lodos. La zona de acumulación de lodos fue definida con una profundidad de 0.3 m, lo que permite un volumen estimado de 120 m³ por unidad. Como existen 2 unidades, el volumen total para acumulación de lodos es de 240 m³. Si se asume un promedio diario de 6500 kg de alimento entregado, se tiene que el sistema de sedimentación con un 85% de eficiencia remueve aproximadamente 1660 kg de sólidos al día. Con una humedad del 96% y una densidad relativa de 1.1, el flujo promedio de lodos estimados es de 37.7 m³/día. Esto permite que los sedimentadores puedan almacenar lodos por un periodo de una semana como promedio, siendo este periodo de 3 días en máxima producción y alrededor de 19 en mínima. - Detalles del sistema. Los sedimentadores serán ubicados de tal forma que el flujo de agua proveniente de los estanques pueda ser dividido en flujos iguales, además contará con un sistema que permita interrumpir el flujo a cada sedimentador para efectos de mantención o retiro de lodos.


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Las especificaciones se indican en el anexo 1 Especificaciones técnicas. El lodo sedimentado será extraído de las piscinas de sedimentación de forma manual, siendo aspirados desde el fondo y espesados, para lo cual se consulta la implementación de un equipo de floculación y un separador del tipo beltfilter (no se debe confundir con el llamado filtro prensa o belt filter press ) o bien un separador centrífugo, cuyo objetivo es espesar el lodo y del cual se estima que saldrá con una humedad no superior al 80%, mientras que el clarificado será reintegrado al RIL previo a los sedimentadores. 3.3.2 Diseño de sedimentador de alta tasa (tubos). Como una mejora al sistema de sedimentación, se recomienda el uso de un sedimentador de alta tasa para mejorar el retiro de lodos desde el sistema, el cual será situado previo a la entrada de los dos sedimentadores rectangulares en paralelo. Este equipo no es necesario para el cumplimiento en la eficiencia de remoción de SST del sistema dimensionado anteriormente, sino que es sólo una ayuda para mejorar el sistema de retiro de lodos, por lo que puede ser eliminado o detenido temporalmente sin afectar la eficiencia de los sedimentadores ya descritos. Se propone su construcción y operación desde el segundo año de operación de la piscicultura, o bien cuando se alcance la máxima producción proyectada, debido a que este equipo, para cumplir con el objetivo propuesto de forma eficiente, debe ser adecuado a las condiciones reales de operación de la piscicultura. Como el objetivo de este estudio es plantear soluciones a priori , se procede a diseñar un sedimentador de alta tasa sólo con parámetros de operación teóricas para la piscicultura. - Sedimentadores de alta tasa. Dentro de los sedimentadores de alta tasa utilizados en instalaciones similares, podemos encontrar la familia de los hidrociclones (swirl separator) y de los de placas, este último con sus variaciones. Una de las variaciones de los sedimentadores de placas son los sedimentadores de tubo, los cuales presentan mejoras constructivas para el caso en estudio (las placas sufren del efecto de pandeo si los apoyos no son lo suficientemente cercanos), además de la simplicidad de su construcción, ya que se pueden generar módulos que son agrupados hasta conseguir la cantidad necesaria.


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El funcionamiento de este sedimentador se basa en canalizar la corriente de agua, de la que se deben separar las partículas en suspensión, hacia un volumen estrechamente limitado por una serie de superficies de sedimentación muy próximas (algunos centímetros). Estas superficies se disponen de forma que exista una pendiente suficiente para su autopurgado, es decir, al sedimentar las partículas en la pared inferior del tubo aún poseen la capacidad de seguir “cayendo” y se produce una aglomeración de

partículas, con ello los sólidos depositados tienen la tendencia a resbalar por la pared del tubo, formando una corriente de mayor densidad que sale por la parte inferior del tubo hacia un área donde los sólidos son colectados y retirados en forma mecanizada. La experiencia ha demostrado que estos sedimentos ya separados mantienen su coherencia y no se redispersan (excepto por una turbulencia de barrido), por lo que las superficies de decantación desprenden directamente los sólidos hacia el fondo del sedimentador los que caen sin mezclarse con la masa de agua que atraviesan.


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- Ecuaciones de diseño. Si bien es cierto este tipo de sedimentadores se conoce desde principio de los años 40, es poca la literatura especializada y los ensayos que se han hecho para verificar las ecuaciones que gobiernan su diseño. A pesar de esto, los pocos estudios que se han realizado han probado de manera categórica las ecuaciones propuestas tanto por Yoel (1970) como por Fadel (1985), obteniendo diferencias tan bajas como el 2% para los propuesto por Fadel y un poco superior para Yoel. Otros autores han presentado sus aproximaciones matemáticas para tratar de explicar el proceso, tales como Culp (1968) y Willis (1978), pero las diferencias entre estos modelos y los ensayos reales son del 30% y más (subestimación). Aunque el modelo propuesto por Fadel es el más preciso para la determinación de los parámetros de diseño, el modelo propuesto por Yoel presenta una sobreestimación de un 10% en el cálculo de la longitud de los tubos con respecto a los datos reales de los ensayos, por lo que ofrece un margen de seguridad inherente al proceso mismo de cálculo, además, ofrece un formato mucho más intuitivo y rápido de analizar a la hora de establecer las relaciones entre los diferentes parámetros de diseño. Modelo de Yoel (1970, 1973): Vsc ( sin Θ+ L r cos Θ)= V 0

Donde: Vsc: V : 0  : L : r L: d:

4 3

Ecuación 2.

Velocidad de sedimentación para la partícula crítica. Velocidad de flujo dentro de los tubos. Ángulo de los tubos con la horizontal. Longitud relativa (L/d) Longitud del tubo. Diámetro del tubo


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- Determinación de la Vsc: Si bien es cierto la Vsc ya fue determinada para los sedimentadores rectangulares diseñados anteriormente, como el sedimentador de tubos no se diseña para reemplazar la función del sistema principal de tratamiento, sino que el objetivo es separar una cantidad importante de sólidos en una etapa previa a los sedimentadores para que el manejo sobre los lodos generados pueda realizarse de una forma más simple. La Vsc se determinó según el siguiente análisis: Dentro del proceso de la piscicultura existen 4 sectores claramente diferenciados por el tipo y dimensiones de los estanques que los componen. De esta forma se distinguen las áreas: Incubación: 1ª alimentación: Alevinaje: Smotificación:

CompHatch Estanques de 18.8 m³. Estanques de 50 m³. Estanques de 310 m³.

Como se indicó anteriormente, el sector de Incubación y 1ª alimenación es el sector que posee, en base a la masa, un aporte que como máximo no alcanza al 20% en el peor escenario. Como este sector es el que genera la mayor cantidad de partículas con las Vs más bajas, y como lo que se busca es sacar el mayor volumen de sólidos con la mayor eficiencia, se optará por dejarlo fuera del sistema de sedimentación de alta tasa, esto quiere decir que quedará directamente conectado al sistema de sedimentación normal. De esta manera, se considerará como Vsc la Vs del alimento más pequeño de los sectores C y D, esto es, 1.9 cm/s. De esta forma nos estamos asegurando que se retendrá en este sistema al menos un 80% del alimento no consumido, y una fracción de fecas determinada por la fracción de estas con una Vs mayor a la Vsc (1.9 cm/s), la que según el gráfico de velocidades de sedimentación analizado previamente corresponde a aproximadamente un 50%. De esta forma, la fracción de sólidos a retirar en el sistema de alta tasa alcanza al menos al 75% de los sólidos generados (78.89%)


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- Parámetros de diseño: Para el cálculo del área efectiva de sedimentación, se definen los siguientes parámetros de diseño: Caudal Velocidad sedimentación crítica Diámetro tubo Largo tubo Ángulo tubo

Q Vsc d L phi

m³/s m/s m m º

3.00 0.019 0.05 2 57.5

En estas condiciones el área total efectiva de sedimentación es de 8.37 m². El proceso de retiro de lodos debe hacerse de manera continua o semicontinua, para lo cual se consulta la extracción de los lodos desde la tolva de acumulación mediante un proceso gravitacional de tipo sifón, de tal forma de no romper las partículas separadas y conducirlas gravitacionalmente a un equipo de separación que puede ser del tipo “beltfilter” o bien un separador centrífugo. Se espera un espesamiento de lodos hasta un

80% de humedad con este sistema, de no conseguirse, se consulta la instalación de un sistema de floculación previo al espesador. A continuación se presenta un diagrama de flujos del sistema global propuesto, a partir del segundo año o cuando la producción alcance el máximo proyectado:


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Esquema general Sistema de tratamiento de RILes Piscicultura Río Toltén


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- Número de unidades sedimentadoras de alta tasa. Se considera la instalación de un (01) equipo sedimentador de tubos, ya que, como se indicó anteriormente, este equipo no afecta la eficiencia de remoción del sistema principal de sedimentación por lo que no requiere duplicidad. - Evaluación de retiro de lodos desde el sistema principal de sedimentación. En las condiciones planteadas, podemos deducir que como la fracción de sólidos a retirar en el sistema de alta tasa alcanza al menos al 75% de los sólidos generados, el retiro de lodos del sistema principal de sedimentación se extiende proporcionalmente en el tiempo, es decir, se cuadruplica el periodo entre limpiezas. - Detalles del sistema. Tal como se indicó, el sedimentador de tubos se ubicará previo al sistema principal de sedimentación, y recogerá los RILes provenientes de las área de smoltificación y alevinaje. La construcción del contenedor de este equipo se consulta en hormigón, mientras que la unidad de tubos será construida de tubería de pvc de 50 mm o similar, o bien será adquirida a un proveedor de esta tecnología.

Elaboración: Javier E. Rodríguez Sánchez. Ingeniero Ambiental

Vº Bº : Christian A. Herrera Cárdenas. Ingeniero Civil Industrial.


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ANEXO 1. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS.


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ESPECIFICACIONES TÉCNICAS SEDIMENTADORES Se proyecta sistema de tratamiento de residuos industriales líquidos (RILes) de Piscicultura Río Toltén consistente en dos unidades de sedimentación de flujo laminar con operación en paralelo. Cada uno de los sedimentadores se diseña para máximos en caudal y sólidos sedimentables.

Las características y dimensiones son las siguientes: Caudal de Diseño: Ancho útil: Ancho Total: Largo útil: Largo Total: Profundidad efectiva: Profundidad Total: Geometría: Forma de alimentación: Forma de desagüe o salida: Pendiente en el Fondo:

3 m³/s (máximo otorgado por derechos de agua) 10 m 11.1 m 40 m 41.1 m 1.8 m 2.1 m Trapezoidal Tipo abanico con igual ancho de sedimentador. Tipo Vertedero con canal recolector de igual ancho que el sedimentador. No se considera pendiente. Se consideran 10 cm de diferencia entre cota de ingreso y egreso para la conducción de agua.

A continuación se presenta el detalle de cada partida: 1. Trabajos Previos. Este ítem considera las instalaciones y servicios necesarios para un adecuado desarrollo de las obras.


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1.1. Construcciones Provisorias: Referidas a la construcción de instalaciones para oficina de obra y otros, si fuese necesario. Nótese que el proyecto considera la construcción previa de casetas sanitarias, no se necesitarán construcciones anexas para la materialización del sistema de tratamiento de RILes. 1.2. Instalaciones Provisorias: Considera las instalaciones necesarias para una adecuada ejecución de las obras, servicios de agua potable y electricidad. 1.3. Cierros Provisorios: Considera los cierros, si fuese necesario, para aislar la zona de las obras y/o punto de permeabilidad de las obras, donde puedan entrar personas ajenas a la obra. 1.4. Baño Químico: Considera la instalación de un baño químico para el personal de la obra, si no existiese disponibilidad de caseta sanitaria del centro acuícola. 2. Obra gruesa. 2.1. Movimiento de tierras: esta partida considera los trabajos y nivelaciones necesarias para lograr los niveles de terreno requeridos para la ejecución de las obras proyectadas. Considera los ítems de excavación y rellenos laterales, para la obtención de pendientes homogéneas, para el óptimo asentamiento. 2.2. Bases, radier y muros: El radier o pavimento de cada sedimentador considera un espesor de hormigón armado de 15 cm, estructurado con malla Tipo ACMA, en el cual se usará un hormigón de 300kg/cem/m3. El nivel terminado debe ser el indicado en planos. El radier deberá ser curado con antisol (o similar), colocado una vez que el hormigón fresco haya perdido su brillo. La base considera una cama de estabilizado la que deberá ser compactada adecuadamente mediante maquinaria. Esta partida contempla demás la colocación de una lámina de polietileno a todo el largo y ancho del radier del sedimentador. Se considera hidrófugo en mezcla tipo sika 1 para todo el hormigón aplicado a la obra.


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Para los muros se considera hormigón armado estructurado con malla Tipo ACMA C – 92 aplicado como mortero proyectado en paredes con pendientes entre 30 y 37%. El hormigón de muros será de 10cm de espesor, con una dosificación de 300kg/cem/m3 y hidrófugo en mezcla tipo sika 1 para toda la mezcla. Para evitar zonas inactivas de decantación al ingreso o egreso de la unidad, se proyecta una entrada tipo abanico y un vertedero con canal recolector al final del equipo. Estos empalmes se realizarán en hormigón de iguales características al resto de la unidad. Se exigirá en todo momento, los elementos de seguridad correspondiente, al personal de la Empresa Constructora, respetando así las normas de seguridad y prevención de riesgos. La Empresa hará entrega de los planos definitivos de todas las obras y especialidades contempladas en la obra, una vez terminadas las obras; los que serán entregados en formato papel con las firmas correspondientes.


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ANEXO 2. FRAGMENTO DEL ESTUDIO REALIZADO POR HERRERA (2003).


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Fragmento del estudio realizado por Herrera (2003).

“Se realiza el análisis de capacidad de sedimentación de fecas y alimentos mas usados en

pisciculturas de agua dulce de especies salmónidos, los que corresponden a Crumble 3, Crumble 4, Starter 00, Starter 0, alimento 4mm, alimento 8mm, alimento 5mm y Pellet 2mm. Las etapas para el análisis se presentan a continuación.

Etapa 1. Cuantificación de la densidad de cada sólido sedimentable. A través del método volumétrico, se tara una probeta de vidrio de 50ml ± 0.5ml para luego masar un volumen conocido de sólido en una balanza analítica CHYO Jet – 200 de capacidad máxima 200g y D: 0.1mg. Este sólido es previamente hidratado por 1 hora, equivalente al tiempo de residencia de la partícula en estanques antes de llegar a la zona de tratamiento (Ver Figura 3). Figura 3. Fotografía almacenamiento para la Hidratación de 1h/Medición de Densidad.

Crumble 3

Crumble 4

Fecas

Luego por diferencia de masas se obtiene la masa neta del volumen conocido de sólido para obtener luego su densidad empleando las siguientes ecuaciones:


35


M = Mt − T

Ec. 1

Donde: M: Masa neta de la muestra en g. Mt: Masa de la probeta con muestra en g. T: Tara de la probeta en g. D=

M V

Ec. 2

Donde: D: Densidad relativa de la muestra. V: Volumen de la muestra en ml. De esta forma, se obtuvieron densidades promedios de seis réplicas para cada sustancia. Los resultados se presentan en las tablas 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 e 27.

Tabla 19. Análisis de Densidad para la Fecas. Fecas Nº Réplicas

Réplica 1 Réplica 2 Réplica 3 Réplica 4 Réplica 5 Réplica 6

Tara (g)

84.432

84.432

84.432

44.0435

44.0435

44.0435

24.5

29.5

39.9

9.4

10.5

4.8

114.5209 124.9767 53.673

54.7175

48.8933

Volumen (ml)

Masa Tot.(g) 109.268 Masa Neto.(g)

24.836

30.0889

40.5447

9.6295

10.674

4.8498

Densidad

1.01371

1.01996

1.01615

1.02441

1.01657

1.0103

Densidad Relativa Promedio 1.016866036


36


Tabla 20. Análisis de Densidad para Crumble 3. Crumble 3 Nº Réplicas


Tara (g)

82.3539

82.3539

82.3539

82.5889

82.5889

82.5889

15

13

10

41

39

31.5

95.9489

93.101

125.2185 122.8982 115.9067

Volumen (ml)

Masa Tot.(g) 97.9094 Masa Neto.(g)

15.5555

13.595

10.7471

42.6296

40.3093

33.3178

Densidad

1.03703

1.04576

1.07471

1.03974

1.0335

1.05770


Tabla 21. Análisis de Densidad para Crumble 4. Crumble 4 Nº Réplicas


Tara (g)

84.432

84.432

84.432

84.6606

84.6606

84.6606

40

35

32.5

40

25.5

20

Volumen (ml)

Masa Tot.(g) 126.7207 121.3255 119.032

126.8584 110.8302 105.9415

Masa Neto.(g)

42.2887

36.8935

34.6

42.1978

26.1696

21.2809

Densidad

1.0572

1.0541

1.0646

1.0549

1.0262

1.0640



37


Tabla 22. Análisis de Densidad para Alimento Starter 00. Starter 00 Réplica Nº Réplicas

Réplica 1

Tara (g)

89.2854

Volumen (ml)

38

2

Réplica 3

89.2854 89.2854 31

28

Masa Tot.(g) 127.9458 121.025

Réplica

Réplica

4

5

89.2854 89.2854 20

18

Réplica 6 89.2854 16

117.629

109.789 107.649

105.819

Masa Neto.(g)

38.6604

31.7405

28.3437

20.5041 18.3639

16.5342

Densidad

1.0173

1.0238

1.0122

1.0252

1.03338

1.0202

Densidad Relativa Promedio 1.022058368 Tabla 23. Análisis de Densidad para Alimento Starter 0. Starter 0 Nº Réplicas Réplica 1 Réplica 2 Réplica 3 Tara (g)

Réplica 4

Réplica 5

Réplica 6

82.5152

82.5152

82.5152

82.5152

82.5152

82.5152

31

26.5

24

23

20

16.5

106.611

103.299

99.750

Volumen (ml)

Masa Tot.(g) 114.6856 109.8868 107.9142 Masa Neto.(g) Densidad

32.1704

27.3716

25.399

24.0958

20.7844

17.2351

1.037754 1.03289

1.05829

1.04764

1.03922

1.0445



38


Tabla 24. Análisis de Densidad para Alimento 4mm. Alimento 4mm Nº Réplicas

Réplica 1

Réplica 2

Réplica 3

Réplica 4

Réplica 5 Réplica 6

Tara (g)

89.2854

89.2854

89.2854

89.2854

89.2854

89.2854

(ml)

48

44.5

40

36.5

30

25

Masa Tot.(g)

141.1964

137.6694

132.8518

128.8854

51.911

48.384

43.5664

39.6

Volumen 122.2356 116.5643

Masa Neto.(g) Densidad

32.9502

27.2789

1.081479167 1.087280899 1.08916 1.084931507 1.09834 1.091156 Densidad Relativa Promedio 1.088724595 Tabla 25. Análisis de Densidad para Alimento 8mm. Alimento 8mm

Nº Réplicas

Réplica 1

Réplica 2 Réplica 3 Réplica 4

Réplica 5

Réplica 6

Tara (g)

82.5152

82.5152

82.5152

82.5152

82.5152

82.5152

(ml)

35

30

25.5

20

15.5

4

Masa Tot.(g)

120.7545

116.5643 111.1234 104.6543

99.9943

87.4538

38.2393

34.0491

17.4791

4.9386

Volumen


28.6082

22.1391

1.09255143 1.13497 1.1218902 1.106955 1.12768387 1.23465 Densidad Relativa Promedio 1.136450083


39


Tabla 26. Análisis de Densidad para Alimento 5mm. Alimento 5mm Nº Réplicas

Réplica 1

Réplica 2

Réplica 3

Réplica 4

Réplica 5

Réplica 6

Tara (g)

82.6987

82.6987

82.6987

82.6987

82.6987

82.6987

(ml)

27

20

18

16.5

15

13

Masa Tot.(g)

111.2212

102.913

101.8634

99.9843

98.1377

97.0065

28.5225

20.2143

19.1647

17.2856

15.439

14.3078

Volumen


1.05638889 1.010715 1.06470556 1.04761212 1.02926667

1.1006


Tabla 27. Análisis de Densidad para Alimento Pellet 2mm Caso 1. Pellet 2mm Caso 1 Nº Réplicas

Réplica 1

Réplica 2

Réplica 3

Réplica 4

Réplica 5

Réplica 6

Tara (g)

84.7345

84.7345

84.7345

84.7345

84.7345

84.7345

(ml)

52

48

42

35.5

30

28

Masa Tot.(g)

137.4476

133.2301

127.5222

121.0439

115.1232

113.0432

Masa Neto.(g)

52.7131

48.4956

42.7877

36.3094

30.3887

28.3087

Volumen

Densidad

1.01371346 1.010325 1.01875476

1.0228

1.01295667 1.011025



40


Etapa 2. Obtención del diámetro hidratado de la partícula. Para obtener el diámetro de partícula se utilizaron Placas de Conteo Neubauer con sensibilidad de ±0.05mm y un microscopio electrónico Arquimed XSZ-107BN con un aumento de 4X (Ver figura 4). Los resultados del coeficiente de esfericidad y diámetro de partícula son los siguientes: Tabla 28. Análisis del Diámetro de Partícula Diametro

Sustancia

(mm)

Esfericidad

Fecas

2

0.2

Crumble 3

1

0.8

Crumble 4

1.75

0.7

Starter 00

0.4

0.9

Starter 0

0.65

0.8

Alimento 4mm

3.5

0.7

Alimento 8mm

8

0.65

Alimento 5mm

5

0.65

Pellet 2mm Caso 1

1.75

0.85

Figura 4. Fotografía dimensiones de Partículas a Escala 4X.

Crumble 3 Crumble 4

Feca


41


Etapa 3. Aplicación de la Ley de Newton. Para obtener las velocidades de sedimentación para cada sustancia, se aplica la Ley de Newton (Metcalf & Eddy, 1998).

Vs=

(

4 3

·

( ρs− ρ )· d Cd · ρ

1 /2

)

Ec. 3

Donde: d: Diámetro de partícula en m. (Tabla 28) C D: Coeficiente de arrastre. ρ s: Densidad del sólido en kg/m 3 (Tabla 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 e 27) ρ: Densidad del efluente, suponiendo agua a 12º ρ H2O: 998,9 (kg/m 3 )

El coeficiente de arrastre C D se puede calcular por medio del número de Reynolds (R): Cd =

24

3

R

√ R

+

+ 0.34

Ec. 4

Por otro lado el número de Reynolds se calcula por la ecuación: R=

ρ ·Rh·Vf

Ec. 5

μ

Donde: µ: Viscosidad dinámica del agua, a 12º µ H2O: 110,4x10 -5 (kg/m·s) ρ: Densidad del efluente, suponiendo agua a 12º ρ H2O: 998,9 (kg/m 3 )

Rh: Radio hidráulico del sedimentador (m) V f: Velocidad del flujo (m/s) La velocidad del flujo V f se calcula de la siguiente forma: V f =

Q A· P

Ec. 6


42


Donde: Q: Caudal de entada, 2.95m 3 /s. A: Ancho del sedimentador, 40m. P: Profundidad del Sedimentador, 1.5m. Reemplazando en ecuación 6, la velocidad de flujo Vf: 0.049m/s. El radio hidráulico (R h ), que se calcula a partir del ancho (A) y la profundidad (P) en metros: Rh=

A · P A+ 2P Ec. 7

Rh: 1.40m. Reemplazando el radio hidráulico Rh de la ecuación 7 y la velocidad de flujo Vf de la ecuación 6 en la ecuación 5, se obtiene el número de Reynolds R igual a 62073.5 Reemplazando R en ecuación 4, se obtiene el coeficiente de arrastre C D igual a 0.3524. Empleando el coeficiente de arrastre C D en la ecuación 3, se obtienen las velocidades de sedimentación (dadas por el modelo) para cada sustancia. Los resultados se presentan en Tabla 29. Tabla 29. Velocidades de sedimentación dadas por el modelo. Sustancia

Velocidad Modelo (m/s)

Fecas

0.011666

Crumble 3

0.013649

Crumble 4

0.019029

Starter 00

0.005923

Starter 0

0.010466

Alimento 4mm

0.034507

Alimento 8mm

0.064558

Alimento 5mm

0.031575

Pellet 2mm Caso 1

0.010307


43


Etapa 4. Validación del modelo. Para validar las velocidades de sedimentación encontradas a través de la Ley de Newton para las condiciones de flujo dadas por un sedimentador de 40m de ancho, 60m de largo y 1.5m de profundidad, se analizan las velocidades experimentales de sedimentación en el Laboratorio de Ecotoxicología perteneciente a la Escuela de Ciencias Ambientales de la Universidad Católica de Temuco (Ver Figura 5). Figura 5. Fotografía Análisis de Velocidad de Sedimentación Directa.

Fecas

Para realizar el análisis experimental, se consideraron los siguientes supuestos: 

Estado estacionario en régimen Bach o por lotes.



Hidratación de fecas y alimentos de 1 hora, equivalente al tiempo llevado entre la generación o suministración en estanques cultivados y la llegada a los decantadores.



Tipo de sedimentación: Discreta. En este tipo de sedimentación, cada partícula desciende como un ente independiente del otro, sin formar fuerzas de cohesión entre ellas, lo que implica que no existe cambio de masa o diámetro en el transcurso de su descenso (no se desarman) por lo que el análisis de velocidad se puede realizar visualmente. Nótese que en el caso de sedimentación del tipo Floculada, se deben tomar distancias entre puntos no captados visualmente, sino que a través del análisis


44


de sólidos totales por gravimetría ya que las partículas se aglomeran y descienden como una masa de diferentes concentraciones. Se tomaron datos de velocidades en un matraz de 1000ml que proporcionaba 40cm de recorrido. Los resultados del análisis se presentan en tabla 30. Tabla 30. Velocidades experimentales de sedimentación. Velocidad Experimentales

Sustancia

Velocidad Modelo (m/s)

Fecas

0.011666

0.008349

Crumble 3

0.013649

0.015672

Crumble 4

0.019029

0.020333

Starter 00

0.005923

0.00857

Starter 0

0.010466

0.01685

Alimento 4mm

0.034507

0.06876

Alimento 8mm

0.064558

0.09359

Alimento 5mm

0.031575

0.07129

Pellet 2mm Caso 1

0.010307

0.03411

(m/s)

Se presenta a continuación en Figura 6 y 7 la representación gráfica del resultado ilustrado en tabla 30.


45


Figura 6 . Representación gráfica del resultado ilustrado en tabla 30. Velocidades Modelo V/S Experimentales 0.025000 ) s 0.020000 / m ( d 0.015000 a d i 0.010000 c o l e 0.005000 V

0.000000 0

1

2

3

Tipos de Sólidos

Serie1

Serie 1: Velocidades Calculadas por el Modelo.

Sólido 2: Crumble 3

Serie 2: Velocidades Experimentales.

Sólido 3: Crumble 4

Serie2

Sólido 1: Fecas

Figura 7 . Representación gráfica del resultado ilustrado en tabla 30. Velocidades Modelo V/S Experimentales 0.100000 ) s 0.080000 / m ( d 0.060000 a d i 0.040000 c o l e 0.020000 V

0.000000 0

1

2

3

4

Tipos de Sólidos

5

6 Serie1

Serie 1: Velocidades Calculadas por el Modelo.

Sólido 3: Alimento 4mm.

Serie 2: Velocidades Experimentales.


Sólido 1: Starter 00.


Sólido 2: Starter 0.

Sólido 6: Pellet 2mm Caso 1.


Serie2

46

4e5 Memoria de Calculo Sistema de Tratamiento de Efluente

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