Innovative alternative of wineries wastewater treatment: mathematical modeling

Abstract

A secondary alternative treatment for the wastewater depuration of the winery industry was evaluated. In order to determine their efficiency, oxygen chemical demands was chosen as reference parameter. The experimental work was performed in a tubular reactor consisting of a fixed bed of gravel, which analyzed the influence of using different particle sizes and flow of effluent to be treated. A decrease of oxygen chemical demands value was observed (between the 16 and 54%). Better decrease percentages of this parameter were obtained working with smaller effluents flows to try and with a bed constituted by smaller particles too. A mathematical model was developed, analyzing different kinetic of the purification process according to the experimental obtained values. As a result of this analysis, a good approach of the experimental values was obtained using a kinetics order equal to six.

Full text

* Facultad de Ingeniería. Instituto de Ingeniería Química.
rrodri@unsj.edu.ar
** mechega@unsj.edu.ar
*** cpalacios@unsj.edu.ar
**** mnavas@unsj.edu.ar
Correspondencia: Rosa Ana Rodríguez . Libertador
1109(O), San Juan,
C.P. 5400 (Argentina). Tel.: 0264-4211700, Ext. 453. rrodri@unsj.edu.ar
Subvenciones y apoyos: Los apoyos nancieros con los cuales se ha
realizado este trabajo provienen de: Proyecto
FONCYT. “Gestión Tecno-
lógica de la Ecoeciencia en la industria vitivinícola”. Agencia Nacio-
nal de Promoción Cientíca y Tecnológica.
Rosa Ana Rodríguez*
Marcelo Echegaray**
Carlos Palacios***
Miguel Angel Navas****
Universidad Nacional de San Juan (Argentina)
ARTÍCULO DE INVESTIGACIÓN / RESEARCH ARTICLE
Alternativa innovativa de un sistema de
tratamiento de euentes vinícolas:
modelado matemático
Innovative alternative of wineries
wastewater treatment:
mathematical modeling
Volumen 31, n
o
. 1
Enero-junio, 2013
ISSN: 0122-3461 (impreso)
2145-9371 (on line)

Rosa Ana Rodríguez, Marcelo Echegaray,
Carlos Palacios, Miguel Angel Navas
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Ingeniería y Desarrollo. Universidad del Norte. Vol. 31 n.° 1: 105-119, 2013
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Fecha de recepción: 1 de octubre de 2012
Fecha de aceptación: 27 de febrero de 2013
Resumen
Se presenta un tratamiento secundario alternativo para la depuración de
euentes líquidos de la industria vitivinícola. Para evaluar su eciencia,
se eligió como parámetro de referencia la Demanda Química de Oxígeno
(DQO). El trabajo experimental se realizó en un reactor tubular constitui-
do por un lecho jo de grava, donde se analizó la inuencia de emplear
distintas granulometrías y caudales del euente a tratar. Se observó una
disminución entre el 16 y 54 % del valor de la DQO. La eciencia del
sistema mejoró al trabajar con caudales de euentes a tratar menores
y con un lecho constituido por partículas de menor tamaño. Se planteó
un modelo analizándose distintas cinéticas del proceso de depuración
de acuerdo a los valores experimentales obtenidos. Como resultado, se
obtuvo una buena aproximación de los valores experimentales utilizando
una cinética de reacción de orden seis.
Palabras claves: Demanda química de oxígeno, euentes vinícolas,
modelo matemático.
Abstract
A secondary alternative treatment for the wastewater depuration of
the winery industry was evaluated. In order to determine their efciency,
oxygen chemical demands was chosen as reference parameter. The ex-
perimental work was performed in a tubular reactor consisting of a xed
bed of gravel, which analyzed the inuence of using different particle
sizes and ow of efuent to be treated. A decrease of oxygen chemical
demands value was observed (between the 16 and 54%). Better decrease
percentages of this parameter were obtained working with smaller ef-
uents ows to try and with a bed constituted by smaller particles too.
A mathematical model was developed, analyzing different kinetic of the
purication process according to the experimental obtained values. As a
result of this analysis, a good approach of the experimental values was
obtained using a kinetics order equal to six.
Keywords: Chemical oxygen demand; mathematical model, winery
wastewater.

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efluentes vinícolAs: modelAdo mAtemático
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INTRODUCCIÓN
El principio que debe regir en toda actividad económica es el desarrollo
sostenible. Dicho principio se fundamenta en encontrar el equilibrio ade-
cuado entre la protección al medio ambiente, el progreso económico y el
desarrollo social. El uso de los recursos del medio es sostenible cuando se
realiza por debajo de su capacidad de renovación. Su objetivo principal es
mejorar la calidad de vida y al mismo tiempo, proteger el medio ambiente
de forma tal que las futuras generaciones, independientemente de la zona
del planeta que habiten, logren su desarrollo. Este concepto de sostenibi-
lidad no implica obtener una baja producción, sino que se basa en produ-
cir un volumen de bienes de consumo elevado teniendo presente, en las
técnicas de producción y en todo momento, un destacado respeto hacia el
medio ambiente [1]. La producción de vino y mosto es uno de los pilares
más importantes de la economía en la región de Cuyo, Argentina. Uno de
los principales problemas que el conjunto del sector vitivinícola plantea al
medio ambiente es la contaminación originada por vertidos líquidos [2].
Con respecto a la generación de los euentes líquidos de esta industria, es
necesario destacar que en las bodegas, el agua es altamente utilizada en
los procesos auxiliares como son las operaciones de limpieza de equipos,
depósitos, conductos y pisos [3]. Esto provoca una fuerte contaminación
caracterizada por:
• Elevada carga orgánica como consecuencia de la presencia de materia
colorante, taninos, proteínas, ácidos orgánicos, glúcidos, microorga-
nismos vivos o muertos, etc.
• Residuo mineral por ejemplo bitartrato de potasio
• Altos valores de la Demanda Bioquímica de Oxígeno
(DBO) y DQO
pH ácido en bodega y básico en la zona de embotellado
• Sólidos en suspensión
• Alta biodegradabilidad
• Tierra procedente de la vendimia, que suele entrar en forma de polvo
o barro
• Agentes de limpieza
• Desinfectantes como el cloro y sus compuestos [4]

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Estos vertidos muestran una gran irregularidad en cuanto a caudales,
composición y concentración de contaminantes, dependiendo los mismos
de factores como la tecnología de vinicación utilizada, las variedades de
uvas procesadas, el tamaño de la bodega, la época del año, etc. [5].
En lo referente al consumo de agua por litro de vino producido existen
diferencias signicativas entre diversos autores [2]. En general, se pue-
de decir que la producción de 1 litro de vino genera entre 1-1,5 litros de
euente líquido, por lo que se puede ver la magnitud del problema [6].
Esta generación de grandes volúmenes de euente con un alto contenido
en materia orgánica requiere de procesos de depuración que permitan la
reutilización del recurso con otros propósitos, el vuelco a corrientes de agua
superciales o red cloacal.
Las diferentes combinaciones de procesos y operaciones unitarias de una
planta de tratamiento funcionan como un sistema, por lo que la elección del
tren de tratamiento a utilizar se debe abordar desde una perspectiva global.
La mayor parte de la selección de procesos se centra en la evaluación y va-
loración de diferentes combinaciones de procesos y operaciones unitarias
y sus interacciones. En general, se combinan tratamientos primarios (tales
como cribado, sedimentación, etc.) y tratamientos secundarios (lagunas de
estabilización, distintos reactores biológicos, evaporadores, etc.) [7].
Actualmente, en la provincia de San Juan, el tipo de tratamiento secunda-
rio aplicado con mayor frecuencia en la región es el sistema de lagunas de
aireación, el cual es utilizado por su bajo costo de construcción y operación
sencilla, aunque muchas veces la eciencia del tratamiento no es suciente
como para reducir las concentraciones de los contaminantes por debajo de
los límites establecidos por la legislación vigente en la provincia de San
Juan, es decir 125 mg/l para descarga aguas naturales y articiales y entre
250-500 mg/l para descarga a drenes y suelo, de acuerdo al Decreto N°
2107 de la Ley N° 5824/87. Esta baja eciencia en el tratamiento es debido
a que las lagunas de estabilización son muy sensibles a la variación de los
parámetros de operación. Por otra parte, el consumo energético para pro-
ducir la aireación es elevado y además, se generan lodos secundarios los
cuales deben ser gestionados en forma adecuada [8].

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Debido a los inconvenientes presentados por el proceso convencional, es
que se estudió otra alternativa de tratamiento secundario teniendo como
objetivo su viabilidad tanto técnica como económica, para el tratamiento
de aguas residuales proveniente de la industria vinícola, a n de disminuir
las concentraciones de contaminantes por debajo de los límites establecidos
por la legislación.
El sistema planteado para la depuración de euentes líquidos de bodegas es
una técnica capaz de tratar, de forma natural, aguas de alta carga orgánica,
con una instalación extremadamente simple en su construcción y mante-
nimiento, además de su bajo costo debido a la sencillez de los elementos
constructivos y a los bajos consumos energéticos.
A n de evaluar la eciencia del tratamiento planteado, se construyó un
reactor experimental para el análisis de la inuencia de las distintas varia-
bles de proceso sobre la eciencia del mismo, tales como la granulometría
del lecho y el caudal del euente líquido a depurar. Por otra parte, se ha
propuesto un modelo matemático del proceso de depuración empleado.
Dicho modelo fue validado con datos experimentales obteniendo una buena
aproximación de los mismos.
MATERIALES Y MÉTODOS
Euentes líquidos utilizados en los ensayos
experimentales del tratamiento
Para llevar a cabo este estudio se utilizaron euentes provenientes de una
pequeña bodega, situada en el departamento Chimbas de la provincia de
San Juan, Argentina. Se escogió esta bodega debido a que tiene una pro-
ducción promedio de las bodegas pequeñas de San Juan y está situada en
una localidad densamente poblada, alrededores de la capital provincial.
El clima es desértico y la principal actividad económica es la agricultura,
la cual se lleva a cabo en las afueras del departamento. Cabe destacar que
la Argentina es un país federal en el cual las provincias adhieren a la le-
gislación nacional y se dictan decretos reglamentarios, esta legislación es
válida para toda la provincia.

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El tratamiento primario de los euentes líquidos generados se realiza
mediante el uso de una criba de limpieza manual que remueve la mayor
parte de los sólidos gruesos, seguido por un decantador rectangular que
retiene los sólidos sedimentables disminuyendo también la carga orgánica
de los euentes.
El parámetro analizado en el proceso de depuración fue la
DQO, ya que
este parámetro es representativo de la contaminación orgánica del euente.
Dicho parámetro se determinó utilizando un Digestor Reactor Block 200
Hach y posteriormente usando un espectrofotómetro
DR2010 Hach [9].
Descripción del reactor utilizado
El estudio se realizó en un reactor a escala de laboratorio representado
en la gura 1. Éste consiste en un tubo vertical de acrílico transparente,
de 11cm de diámetro y 100 cm de altura de lecho. El euente a tratar se
coloca en un depósito y a través de un conducto el euente es distribuido
uniformemente en la parte superior del lecho. Por debajo del distribuidor
se encuentra la zona de depuración, consistente en un lecho de gravas de
100 cm de altura y de granulometría determinada. De esta forma, el euente
desciende a través del lecho de grava y es colectado por la parte inferior
del reactor para su posterior análisis.
En la parte superior del distribuidor se coloca un lecho de arena de 10 cm
cuya función es permitir la difusión del oxígeno a medida que el euente
desciende a través del lecho.
Las características del relleno son de fundamental importancia en la ecien-
cia del tratamiento por cuanto deberá proveer una adecuada supercie de
contacto, resistencia mecánica como así también ser inerte químicamente.
En todo momento, el lecho de gravas se mantiene no saturado de agua y
con oxígeno que entra, por difusión, desde la supercie, lo cual posibilita
que las aguas residuales se depuren en condiciones aerobias [10].
Experiencias realizadas
En este estudio se analizó la inuencia del caudal y granulometría del lecho
en la eciencia del sistema depurador.

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El parámetro seleccionado para cuanticar la eciencia del tratamiento bajo
distintas condiciones de operación es la
DQO. En los ensayos se utilizaron
dos granulometrías diferentes para la grava de la zona de depuración y
dos caudales diferentes del euente a tratar. Se usaron gravas (minerales
arenisca, cuarzo y cuarcita) de granulometrías: G1 (12.7-25.4 mm) y G2 (2.4
– 4.7 mm); y los caudales: C1 (1 l/h) yC2 (0,5 l/h).Se calculó la porosidad
utilizando la siguiente expresión [11]; [12]:
Arena
Grava
Arena
Efluente tratado
Efluente a tratar
Figura 1. EsquEma dEl rEactor
ɛ = 1 -
r
rs
(1)
ε: Porosidad
r: peso especíco absoluto, g/ml
rs: peso especíco aparente del material seco, g/ml

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Los pesos especícos introducidos en esta expresión se determinaron expe-
rimentalmente de acuerdo a la Norma
ASTM D7370 – 09 [9]. Los valores de
porosidad obtenidos fueron 0.550 y 0.487, para la grava de granulometría
G1 y G2 respectivamente.
Descripción del modelo adoptado
Teniendo en cuenta los valores obtenidos en la reducción del valor de
DQO del euente que pasó por el lecho del reactor, se pretende arribar a
un modelo que describa este proceso, para lo cual se plantearon distintas
alternativas con cinéticas de diferentes órdenes. Posteriormente, a través
de un análisis estadístico se determinó el modelo que mejor se ajusta a los
resultados obtenidos.
En términos generales la cinética de remoción del contaminante puede
escribirse como [13]:
= −k ∙ C
n
dC
dt
(2)
Donde C es el valor de DQO, t el tiempo, n es el orden de la reacción y k la
constante de velocidad de reacción.
Separando variables e integrando la ecuación 2 entre los valores de entrada
y salida al reactor se obtiene:
−k ∙ dt
=
∫ ∫
Ce tr
Co
0
dC
C
n
(3)
Donde C0 y Ce son los valores de
DQO a la entrada y a la salida del reactor,
respectivamente. En donde tr es el tiempo de retención hidráulico que
puede expresarse como:
=
tr
ɛ∙L∙A
Q
(4)

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ε: porosidad del lecho
L: longitud del lecho (m)
A: sección transversal del reactor (m2)
Q: caudal volumétrico del euente (m3/min)
Se empleó el software de cálculo Mathcad 14, para obtener las constantes de
velocidad de reacción para distintos órdenes. Con el objetivo de determinar
el orden de reacción, utilizando el modelo, se calculó la
DQO de salida del
reactor para cada una de las experiencias realizadas, utilizándose distintos
órdenes. Posteriormente, se calculó la función objetivo denida como:
F.0. = ∑ / C
e
calculado – C
e
experimental /
(5)
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La tabla 1 muestra los valores de
DQO obtenidos de entrada y salida del
reactor para los distintos caudales y granulometrías empleadas. A partir
de ellos se determinaron eciencias de remoción que varían entre el 16 y
54 %. Ésta se incrementa al disminuir el caudal y el tamaño de partícula de
la grava utilizada en el lecho del reactor.
Tabla 1. ValorEs dE dqo obtEnidos
DQO (mg/l)
Caudal 1 l/h (C1) Caudal 0.5 l/h (C2)
G1 G2 G1 G2
Entrada 238 282 240 353
Salida 199 162 177 163
La disminución en los valores de DQO es mayor a medida que aumenta
el tiempo de contacto entre el euente y el aire al disminuir el caudal y al
aumentar la supercie de contacto cuando se disminuye el tamaño de las
partículas de grava.

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En cuanto al modelo planteado, de acuerdo a los cálculos realizados, el
orden de reacción que minimiza la función objetivo utilizado fue 6. Si bien
la literatura existente generalmente, establece una cinética de primer orden
para este tipo de proceso, los resultados obtenidos en las desviaciones res-
pecto de los valores experimentales no fueron satisfactorios (Figuras 2 a 5).
Utilizando los distintos órdenes para calcular el valor de
DQO de salida
(Ce), se puede observar en las guras 2 y 3, que el orden tres aproxima más
a los valores experimentales obtenidos cuando el lecho estuvo constituido
por partículas de mayor tamaño (G1) [14].
.
Figura 2. ValorEs dE dqo obtEnidos con El modElo (G1c1)
Figura 3. ValorEs dE dqo obtEnidos con El modElo (G1c2)

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Sin embargo, cuando el lecho está constituido por partículas menores,
los valores calculados teniendo en cuenta una cinética de quinto y sexto
orden aproximan mejor a los valores experimentales (guras 4 y 5). Si se
compara el valor calculado con el experimental grácamente, considerando
una cinética de primer orden, se puede observar que los valores obtenidos
aplicando el modelo no aproximan el valor experimental obtenido.
Figura 4. ValorEs dE dqo obtEnidos con El modElo (G2c1)
Figura 5. ValorEs dE dqo obtEnidos con El modElo (G2c2)

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Empleando el software Mathcad 14 se obtuvieron los perles de DQO a lo
largo del lecho del reactor para los distintos órdenes de reacción propuestos
y los diferentes caudales y granulometrías. En las guras 6 y 7 se muestra
como varía la
DQO desde la entrada al lecho hasta la salida en la parte
inferior para el caso de la grava con granulometría
G1 y para el caudal C1
adoptando en el modelo la cinética de primer y sexto orden.
Figura 6. ValorEs dE dqo a lo larGo dEl rEactor para G1c1 y utilizando
En
El modElo una cinética dE ordEn 6.
CONCLUSIONES
Teniendo en cuenta los resultados experimentales, se observa que el pro-
ceso de depuración utilizado reduce apreciablemente los valores de DQO
del euente de bodega, variando entre 16 y 54 %. Se observó que si el lecho
está constituido por partículas de menor tamaño, para ambos caudales de
trabajo, la eciencia del sistema de depuración aumenta, obteniéndose los
mejores resultados para la granulometría
G2 (2.4 – 4.7 mm). La reducción
en los valores de
DQO fueron mayores para valores de caudal más chicos,
en nuestro caso, se obtuvieron mejores resultados para un caudal de 0.5 l/h.

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Figura 7. ValorEs dE dqo a lo larGo dEl rEactor para G1c1 y utilizando
En
El modElo una cinética dE primEr ordEn.
Para vuelcos en cursos naturales de agua, la DQO máxima permitida por
la reglamentación vigente en nuestro país es igual a 125 mg/l, teniendo
en cuenta sólo este parámetro, los euentes vitivinícolas sometidos a este
tratamiento no podrían tener esta disposición nal. Sin embargo, podrían
ser volcados a drenes o desagües, como así también podrían usarse para
riego, ya que en este caso la
DQO máxima permitida por la reglamentación
es de 250-500 mg/l. Este último destino, provee una alternativa de reutili-
zación para estos euentes líquidos.
En cuanto al modelo planteado, si bien la literatura existente establece una
cinética de primer orden para este tipo de proceso, los resultados obtenidos
en las desviaciones respecto de los valores experimentales, no fueron satis-
factorios [15]. La incapacidad de los modelos tradicionales de primer orden
para representar este fenómeno puede ser atribuido a suposiciones tales
como: a) la concentración del contaminante es limitada y los catalizadores
están en exceso, b) se supone que el ujo de contaminantes a través del
reactor es ujo pistón ideal [15]. La suposición básica de modelos de primer
orden a menudo no ajustan con las condiciones de operación complejas de

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este tipo de depurador debido a que este sistema involucra un gran número
de procesos físicos, químicos y biológicos [16]. Esto llevó a analizar en el
modelo cinéticas de diferente orden. Se obtuvo un buen ajuste de los valores
experimentales adoptando una cinética de reacción de orden 6.
Este estudio de investigación ha sido realizado teniendo en cuenta sólo
un contaminante de los euentes vitivinícolas, la
DQO. Con el objetivo de
asegurar que la tecnología planteada resulte adecuada para reducir la carga
contaminante de los euentes provenientes de esta industria, se deberá
ampliar dicha investigación considerando los demás contaminantes pre-
sentes en este tipo de euentes. Este trabajo es de fundamental importancia
debido a que la obtención de la cinética de depuración debe ser incluida en
el diseño del depurador, a n de obtener las dimensiones adecuadas del
mismo para alcanzar los límites establecidos por la ley.
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