Estanque multipro. un desarrollo innovativo en la producción de trucha - PhD. Javier Fernandez - U. Cauca

1. Estanque MULTIPRO. Un Desarrollo Innovativo en
la Producción de Trucha
J. E. Fernández Mera, Ph.D.
Departamento de Ingeniería Sanitaria y Ambiental, Facultad de Ingeniería
Civil, Universidad del Cauca, jefernandez@unicauca.edu.co
J.R. Caicedo Bejarano Ph.D.
Escuela de Recursos Naturales y del Ambiente (EIDENAR)-Facultad de
Ingeniería, Universidad del Valle, julia.caicedo@correounivalle.edu.co
Universidad
del Cauca

2. Introducción
• Necesidad creciente:
– Conservación del
recurso hídrico
– Demanda mundial de
proteína animal
• La piscicultura
responsable como
alternativa
0
10,000
20,000
30,000
40,000
50,000
60,000
70,000
Producción(Tonneladas)
Cachama Tilapia Trucha
Otras especies Total
Producción piscícola entre
los años 2002 a 2011

3. Introducción
• En Colombia la producción de trucha se
presenta en zonas de alta montaña
• La trucha es la tercer especie más
cultivada
• La producción de trucha es exigente:
– Calidad y cantidad de agua
– Requerimientos nutricionales

4. • La producción trucha exigente
– Calidad y cantidad de agua
• 36 a 150 m3/h. ton-pez se reportan en granjas
tecnificadas de Noruega y Estados Unidos
• Niveles de oxígeno disuelto >8.0 mg/L
• Baja concentración de sólidos en suspensión.
• Temperaturas entre 12-16o C, entre otras
características.
• Características que normalmente se presentan en
la cuenca alta de nuestros ríos
– Altos niveles de proteína en su alimentación
Introducción

5. Lodo : Consumo de oxígeno
disuelve Nitrógeno y Fósforo
incrementa presencia amonio
Heces
Orina
lodo
Alimento
no consumido
RHRH
Alimento
Sólidos
suspendidos
Sólidos
disueltos
Materia orgánica
Fósforo
Nitrógeno
Carne Subproductos

6. Fuente de los contaminantes
• Sobras de alimento.
– Algunos autores estiman que pude llegar hasta el
30%.
• Excreción metabólica
– Branquias del pez (NH4
+ )
– Heces fecales (30 - 40% del alimento)
– Alimento mal digerido (5%)
• Peces muertos
• Antibióticos
• Hormonas
Introducción

7. • Dos tipos de efluentes
se presentan:
– Normal
– De lavado
• En trucha
– El efluente normal 95
al 99% del flujo que
entra a la estación
– Efluente de lavado
sale con la
extracción del lodo
que se ha retenido
en el estanque
Introducción

8. Introducción
• Las altas demandas
de agua y los altos
requerimientos
alimenticios generan
efluentes con bajas
concentraciones de
contaminantes pero
cargas no
despreciables.
• Efluente con
limitaciones para su
tratamiento por
sistemas
convencionales
utilizados en aguas
residuales.
• Se requieren otras
visiones distintas al
tratamiento al final del
tubo.

9. Objetivo
• Desarrollar un esquema de producción
más limpia de trucha Arcoiris basado en el
diseño de un nuevo estanque piscícola

10. Estrategia metodológica
El estudio se realizó en el
departamento del Cauca
en Colombia, caracterizada
por:
• Zona indígena
• Tercer departamento en
producción de trucha
• Productores pequeños
Un gran impulso a la
piscicultura como
alternativa para el

11. Revisióndeliteratura
Fase I
•Condiciones de producción de trucha utilizadas
en departamento del Cauca,
•Determinar cargas contaminantes
•Evaluar aspectos específicos de los residuos.
Fase II Concepción del nuevo estanque
Fase IV
Construcción prototipo y
tiempo de extracción del lodo
Fase V
Comparación con estanque
convencional
Estrategia metodológica
Fases de la investigación
Estudios de componentes específicos:
•Angulo de inclinación de las paredes,
•Ancho y largo del estanque
•Pendiente de fondo del canal
Fase III
Fase V I Validación de la tecnología

12. RESULTADOS: Fase I
• Recurso hídrico
– Caudales en el rango
de 40 hasta 460 l/s.
– Cantidad promedio
utilizado por
producción 433
m3/h.ton-pez .
– En la literatura 36-150
m3/h.ton-pez por
Bergheim & Brinker
(2003) True et al.
(2004)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Pequeño Mediano Grande
Cantidaddeagua(m3/kg-pez)
Tamaño de Producción

13. • Se encontró que la no
extracción frecuente del
lodo retenido en el
estanque genera
mayores usos de recurso
hídrico
• Frecuencia de
mantenimiento
y = 0.0252x + 0.9797
R² = 0.8245
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
0 20 40 60 80 100
DescensoOxigeno(mg.L-1)
Número de Días sin Mantenimiento

14. Piscícola
Cargas Contaminantes (kg/mes)
DBO5
Sólidos
Susp.
Fósforo
Total
Nitrógeno
Total
Total 10
Piscícolas
7.890 17.708 768 1.896
Total Depto. 11.403 25.593 1.111 2.740
Población
Equivalente
9378 21853 34308 25670
Estas cargas indican que si bien las
concentraciones de materia orgánica y
nutrientes encontradas en los efluentes son
bajas, la contaminación generada no es
despreciable.

15. y = -22.25ln(x) + 157.58
R² = 0.979
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
PorcentajedeMasaAcumulado(%)
Tamaño de Partícula (µm)
y = 0.1484ln(x) - 0.3048
R² = 0.8275
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 500 1000 1500 2000 2500
FracciónRemanentede
SólidosSuspendidos
Velocidad de sedimentación (m/d)
Curva de sedimentabilidad de
partículas en la columna de
agua
Distribución de masa por
tamaño de partícula.
• El 77% de la masa presenta tamaños superior a 45 μm.
• Eficiencia remoción teórica en sólidos suspendidos superior al 80%, carga
superficial del orden de 30 m3.m-2.día-1
• Partículas con alta capacidad de sedimentar.

16. Fase II
Bases para la
propuesta de un
nuevo estanque
• Control de los sólidos
suspendidos
• Partículas
sedimentadas al interior
del estanque
• Estructuras debe
permitir que las
partículas
sedimentadas puedan
ser trasladadas a una
zona de
almacenamiento
• Extracción del lodo
debe ser realizada
antes que los procesos
de disolución y
degradación se inicien.
• El método de
extracción debe ser
simple y no requerir de
sistemas mecánicos
complejos.
• El lodo extraído debe
salir en forma separada
del efluente principal.

17. Válvula de lavado
v
Canal de
entrada
Pared inclinada
Canal de recolección de lodo
Tubería agua
de lavado
Malla de
Separación
Válvula de lavado
Salida
efluente
Tapón
roscado
Vista en Planta
Vista en corte lateral
Pared inclinada
Canal de recolección
de lodo
Pared
inclinada
Vista en Corte frontal
Malla de
Separación
Tapón
roscado
Esquema Generar
Estanque Propuesto
Esquema Sistema
Lavado

18. Estudio de la Inclinación de
las paredes.
Estanque
con peces
Tubería
Captación
de agua
Tanque de distribuciónTuberías
de
captació
n
Válvulas
Unidades de
Estudio
30o 45o 60o
1
332
Punto de
Muestreo
1
2
El agua se tomó de estanque con peces
de 150 g con una densidad de 11 kg/m3
con tres raciones en el día
Objetivo: evaluar el impacto del ángulo
de inclinación de la pared en la capacidad de
Transporte de sólidos producidos
durante la cría de trucha
Fase III

19. • Se determinó la
cantidad de sólidos
retenida en las
paredes y el fondo.
• Se determinó la
cantidad de sólidos de
entrada y salida de
cada unidad
1
2
• Los datos se
compararon con Anova
(α=0,05), en caso de
existir diferencias
significativas se uso
prueba de Tukey

20. • Estos resultados
están acordes con la
teoría sobre
desplazamiento del
lodo en una lámina
inclinada de un
sedimentador laminar
presentada por
Forsell & Hedström
(1975), Zioło(1996) y
Demi̇r (1995).
• Futuros estudios
ángulo de 45 °.
Los resultados indican
• La menor
acumulación de lodo
en la pared se da en
el ángulo de 60°, y la
mayor en el ángulo
de 30°.
• Angulo de 45°
presenta condiciones
intermedias entre
otros dos ángulos de
inclinación

21. Modelación hidrodinámica de las
características geométricas en el
transporte del sedimento durante el
lavado.
• Objetivo: estudiar el
efecto del característica
geométricas como ancho
y el largo del estanque y
la pendiente del canal de
fondo en el arrastre de
partículas sedimentadas.
• Modelo “Simulation of
sediment movements in
water intakes with
multiblock option– SSIIM”
Características a modelar
• Otras características
ángulo de inclinación 45° y
profundidad 1.1 m
• Se evaluaron tamaños de
partícula hasta 1500 μm,
con una media de 300 μm
Variable Valor
Longitud del Estanque (m) 11, 13, 15
Ancho del Estanque (m) 1.8 y 2.0
Pendiente de fondo (%) 0, 1.0, 1.4, 2.0

22. • Se estimó el flujo de
entrada por el fondo en
4L/s y el de salida del
estanque en 40 L/s.
• Se calcularon la
velocidades en
diferente puntos del
estanque de manera
particular en el canal de
recolección de lodo.
• Se determinaron los
esfuerzos cortantes
críticos
• Se calculó el esfuerzo
cortante adimensional
• Para determinar la
posibilidad de arrastre
el esfuerzo cortante
adimensional se
comparó con el valor
crítico determinado por
el diagrama de Shields
(0,035), si el esfuerzo
supera el valor crítico
del diagrama se
considera que la
partícula será
arrastrada

23. • El ancho no genera ningún efecto sobre la velocidad de flujo y
los esfuerzos cortantes
• Variables importantes la longitud y la pendiente de fondo del
canal
-0.02
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
0.22
0.24
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Velocidad(m/s)
Distancia (m)
Esc. 17 Esc. 18 Esc. 19 Esc. 20
Esc. 21 Esc. 22 Esc. 23 Esc. 24
Velocidades de flujo en estanque de 15
m
Para diferentes anchos y pendientes
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0 2 4 6 8 10 12 14 16
EsfuerzoCortanteN/m2
Distancia (m)
Esc 17 Esc 18 Esc 19 Esc 20
Esc 21 Esc 22 Esc 23 Esc 24
Esfuerzos cortantes en estanque de 15
m
Para diferentes anchos y pendientes

24. Esfuerzos cortantes adimencionales
Ancho (m)
Pendiente
(%)
Longitud (m)
11 13 15
Esfuerzo
cortante
(N/m2)
Esfuerzo
cortante
adimensional
Esfuerzo
cortante
(N/m2)
Esfuerzo
cortante
adimensional
Esfuerzo
cortante
(N/m2)
Esfuerzo
cortante
adimensional
1.8
0 0.0650 0.029 0.0400 0.018 0.0350 0.015
1 0.1000 0.044 0.0600 0.027 0.0550 0.024
1.4 0.1250 0.055 0.0775 0.034 0.0700 0.031
2 0.2000 0.088 0.1000 0.044 0.1000 0.044
2.0
0 0.0650 0.029 0.0400 0.018 0.0350 0.015
1 0.1000 0.044 0.0575 0.025 0.0550 0.024
1.4 0.1250 0.055 0.0775 0.034 0.0700 0.031
2 0.2000 0.088 0.1000 0.044 0.1000 0.044
Valor crítico determinado por el diagrama de Shields 0,031
La mejor opción para la limpieza hidráulica se presentan con la longitud de 11
m y una pendiente de fondo superior al 1%.
Es posible usar longitudes mayores como 13 y 15 m, si la pendiente del canal
de fondo es superior al 1.4%.

25. Fase IV.
Paralelamente se
realizaron dos
actividades:
• Construcción de un
prototipo
• Estudio de los
procesos de
disolución y
degradación
– A escala de laboratorio
– A escala real
Construcción del
prototipo de
estanque.
• Ubicado en la
estación piscícola de
Chiliglo.Largo (m) 14
Ancho (m) 2,05
Altura total (m) 1
Profundidad media (m) 0,85
Angulo de inclinación de la pared
(grados)
45
Pendiente de fondo (%) 1.4
Volumen de agua (m3) 12

27. Estudio de la disolución y degradación de los lodos
• Objetivo: Entender los fenómenos de
disolución y degradación, además de
establecer el momento más apropiado
para la extracción del lodo.

28. Disolución de los sólidos.
• El estudio se realizó en un estanque piloto
.
• Dos replicas fueron realizadas
• Seguimiento durante 144 horas
• Muestras compuestas por 12 horas

29. y = 4.8476x - 98.432
R² = 0.9746
y = 4.5424x - 64.249
R² = 0.9926
y = 8.2117x - 165.01
R² = 0.74
y = 7.1884x - 227.63
R² = 0.9959
0
200
400
600
800
1000
1200
0 50 100 150 200
SólidosDisueltosAcumulados
(gSDT)
Tiempo (h)
P1<90 h P2<90 h P1>90 h P2>90 h
y = 0.6351x - 10.323
R² = 0.9741
y = 0.4771x - 0.278
R² = 0.9083
y = 0.8427x - 36.564
R² = 0.9854
y = 1.0409x - 53.348
R² = 0.9609
0
20
40
60
80
100
120
0 50 100 150 200
NTKDisueltoacumulado(g
N-NTK)
P1 <84 h P2 <84 h P1>84 h P2>84 h
y = 0,632x - 8,7703
R² = 0,9927
y = 0.8164x - 27.011
R² = 0.9833
y = 0.7961x - 32.082
R² = 0.991
0
20
40
60
80
100
0 50 100 150 200
NitrogenoAmonicalAcum.
(g)
Tiempo (h)
P1 <84h P2 P1 >84h
y = 0.1336x - 5.3536
R² = 0.9679
y = 0.1295x - 1.3216
R² = 0.9695
y = 0.192x - 8.6457
R² = 0.9899
y = 0.331x - 18.243
R² = 0.9978
0
5
10
15
20
25
30
35
0 50 100 150 200
PTDisueltoAcum(gP)
Tiempo (h)
P1<84 h p2<84h P1>84h P2>84h

30. • El proceso de disolución de los
contaminantes tiende a incrementarse
después de la hora 84
hora
Parámetro
a controlar
Periodo I
(%)
Periodo II
(%)
Rango
dejado de
disolver o
generado (%)
48
NAT 28,7 8,4 71-92
NTK 26,8 20,5 73-80
PT 7,1 2,2 93-98
SDT 13,5 18,1 87-82
72
NAT 49,2 30,4 50-70
NTK 39,5 34,0 61-66
PT 34,3 12,5 66-88
SDT 25,4 34,5 75-66

31. Fase V Estudio comparativo
• Objetivo: Comparar el desempeño de
estanques en concreto tradicionalmente
utilizados con estanque prototipo, en
términos del control de la contaminación
generada por el cultivo y el crecimiento del
pez.

32. Metodología
• El agua de la Estación
es tomada del Río
Change, temperatura y
oxígeno disuelto
promedio de 11°C y 8,0
mg/L.
El estudio se realizó por
un periodo de 63 días.
Tiempo en que los peces
crecieron de 110 a 250 g.

33. Dimensión Estanque
Rectangular
Estanque
MULTIPRO
Largo (m) 15 14
Ancho (m) 2 2,05
Altura total (m) 1 1
Profundidad media (m) 0,7 0,85
Angulo de inclinación de
la pared (grados)
90 45
Pendiente de fondo (%) 1 1.4
Volumen de agua (m3) 21 12
• Dado que la geometría
de cada estanque
comparación se realizó
colocando igual densidad
de biomasa y tamaño de
pez al inicio del estudio.
• El caudal utilizado en
cada estanque se estimó
con base en los
requerimientos por el
tamaño de pez. En
ningún momento se
permitió menos de 5.5
mg/L O2
Geometría de los estanques

34. Evaluación del
Crecimiento
• El efecto del estanque
sobre el crecimiento del
pez se evaluó midiendo
el incremento en peso de
los peces en ambos
estanques.
• Muestras al azar cada 6
días, equivalente al 3%
de la cantidad de
individuos
• Comparación de las
pendientes, ajustadas a
un modelo estadístico
lineal (mínimos
cuadrados)
Donde
Yi,j= peso del pez
β0= peso promedio al inicio del
estudio
Tj = representa el día
β1 y β2 = son los coeficiente de
la regresión y representan el
incremento del peso en el
tiempo
WK= Tipo de estanque
ξi,j= es el error aleatorio del
modelo
𝑌𝑖,𝑗 = 𝛽0 + 𝛽1 𝑇𝑗 + 𝛽2 𝑊𝑘 + 𝜀𝑖,𝑗

35. Discusión de Resultados
y = 2,001x + 112,45
R² = 0,9744
Prototipo
y = 1,4774x + 116,54
R² = 0,9862
Convencional
0
50
100
150
200
250
300
0 20 40 60 80
Pesopez(g)
Tiempo (días)
MULTIPRO CONVENCIONAL
Fuente
Grados de
Libertad
Suma de
Cuadrados
Cuadrados
Medios
Valor F Valor-P
Día 1 27701,6 27701,6 637,91 0.0000
Pendiente 1 1551,36 1551,36 27,72 0.0000
Día•estanque 2 29253,0
Evaluación tasas de crecimiento

36. • Con base en las
ecuaciones de
ajustes presentadas
se estimó el tiempo
necesario para
alcanzar un peso
promedio de 300g,
iniciando con un peso
de 110g
Estanque Tiempo
requerido
(días)
Diferencia
(días)
PROTOTIPO 95.0
33.6CONVENCIONA
L
128.6
Reducción del 26.2% del tiempo

37. Impacto por el menor tiempo de producción
Parámetro
Cantidad producida o
utilizada
por Estanque Prototipo
Cantidad producida o
utilizada
por Estanque
Convencional
Carga no vertida o
volumen no utilizado por
Prototipo
Cantidad Porcentaje
SST (g) 208.8 563.6 354.7 62.9
NTK (g) 6.7 11.1 4.3 39.3
NAT (g) 6.1 8.0 1.9 23.4
PT (g) 4.9 10.8 5.9 54.4
Volumen
de agua
(m3)
21032 34528 13496 39.1

38. Conclusiones
Sobre la evaluación de componentes
• La utilización de un ángulo de inclinación
de 45° en la pared permite el
redireccionamiento del lodo sedimentado
hacia el canal de fondo del estanque.
• El ancho del estanque tiene un impacto
bajo o nulo sobre el incremento de las
velocidades de flujo y los esfuerzos
cortantes en el fondo del estanque.

39. • La longitud del estanque
hidrodinámicamente más apropiada para
el arrastre de las partículas durante el
lavado, corresponde a 11 m con una
pendiente de fondo superior o igual al 1%.
• Es posible usar una longitud de hasta 15
m con una pendiente de fondo 1.4%, bajo
estas condiciones se puede arrastrar
partículas hasta de 1500 µm.
Conclusiones

40. Conclusiones
Sobre la permanencia del lodo en el
estanque
• El periodo para extracción de lodo no
mayor a 48 h puede llegar a reducir hasta
el 92% del nitrógeno amoniacal, el 80%
del N- NTK y el 97% del P-PT.

41. Conclusiones
Sobre la comparación con estanques
convencionales
El estudio mostró que el estanque prototipo
presenta grandes ventajas respecto del estanque
convencional en concreto:
- genera menores cargas contaminantes en el
efluente en términos de sólidos suspendidos
totales (62,9%), nitrógeno total Kjeldahl (39,3%)
nitrógeno amoniacal (23,4%) y fósforo total
(54,4%).
- reducción en el uso del recurso hídrico (39.1%).
- Genera mayores tasas de crecimiento y por lo
tanto reducción en los tiempos de cultivo.

42. Conclusiones
• Por permitir realizar el control de la
contaminación generada por los sólidos
en suspensión, reducir los tiempos de
producción, además de optimizar el uso
de recurso hídrico, se le reconoce a este
tipo de estanque como multipropósito
(MULTIPRO)

43. Conclusión General
La implementación de la tecnología de
estanques MULTIPRO, conjuntamente con
sistemas de recuperación del lodo y
tratamiento de los efluentes de lavado, en
lugar de la tecnología tradicional de
estanques en tierra o en concreto permitirá
grandes avances en la producción
ambientalmente sostenible de la trucha.

44. Estación Piscícola Ambalo
Silvia, Cauca
Validación y transferencia de tecnología

45. Agradecimientos
A la Estación Piscícola “Chiliglo” en Coconuco Cauca,
por las instalaciones y los insumos (peces) en fase
experimental, al Ministerio de Agricultura y Desarrollo
Rural y la Universidad del Cauca por la financiación la
cual se obtuvo a través de los proyectos de
investigación: “ESTUDIO, DISEÑO Y EVALUACION
DE UN PROTOTIPO DE ESTANQUE PISCICOLA” y
“VALIDACIÓN DE UN PAQUETE TECNOLÓGICO
PARA LA PRODUCCIÓN DE TRUCHA
AMBIENTALMENTE SOSTENIBLE”, a la Universidad
del Valle por el apoyo académico en desarrollo de la
tecnología y facilitar los equipos para el trabajo de
campo, al Centro Regional de Productividad e
Innovación del Cauca (CREPIC) por el apoyo con la
Cadena Piscícola del Cauca.