Evaluación de la planta piloto de tratamiento de aguas residuales del café: características químicas

1. Resumen
3. Metodología
4. Materiales y métodos
5. Resultados y discusión
6. Conclusiones
7. Bibliografía
8. Anexos

RESUMEN

Las aguas residuales del procesamiento o beneficiado húmedo del café son consideradas como una de las fuentes de mayor contaminación orgánica en la zona cafetalera del soconusco. Se han realizado diversos trabajos antecedentes sobre el impacto ambiental de la descarga de estas aguas en los ríos o cuerpos receptores en la región.

El objetivo de este trabajo es el de evaluar la eficiencia del sistema de tratamiento compuesta por: tratamiento primario (sedimentadores y amortiguador); tratamiento secundario (reactores secuenciales por lotes) y; tratamiento terciario (humedales artificiales). En la disminución de la contaminación química, del agua miel proveniente del beneficiado húmedo, así como las descargas de uso domestico de la población de la finca (300- 450 habitantes) para cumplir con los límites permisibles exigido por Normas Oficial. Los principales resultados se obtuvieron para el periodo de septiembre a diciembre del 2003. Las determinaciones se realizaron en el laboratorio de la Facultad de Ciencias Químicas de la UNACH y fueron: Parámetros Químicos: pH, demanda química de oxigeno (DQO), cianuros, cadmio, zinc, níquel, cobre, cromo hexavalente, plomo. Los parámetros anteriores se determinaron utilizando los métodos de análisis de acuerdo a las Normas Oficiales Mexicanas y el Standard Methods 20th Edition.

Se evaluaron el agua del beneficio húmedo del café y las aguas servidas que ingresan a la planta por separado en determinados parámetros.

Los resultados establecen la eficiencia de la planta según los limites permisibles por la Norma Oficial Mexicana, obteniéndose rendimientos de depuración de carga orgánica altos (94-99.9 %), no se encontraron metales tóxicos arriba de lo permisible e inclusive en algunas muestras no se presentaron evidencia de ellos.

De acuerdo al análisis de la información obtenida se puede concluir que este sistema puede ser aplicable en toda la región tomando en cuenta las mejores condiciones de operación y mantenimiento.

Palabras Claves: Sistema de tratamiento, Reactores secuenciales por lotes, Humedales artificiales, Proceso del café.

EVALUATION OF THE PILOT PLANT SYSTEM TREATMENT RESIDUAL WATERS OF COFFEE.

ABSTRACT

Residual waters of coffee processing are considered as one of the more important polluting organic sources. Many efforts have been carried out to reduce the negative environmental impact to release into rivers and creeks which environmental damage.

The objective of this investigation was to evaluate the efficient treatment system by primary system (Sedimentations and buffer), secondary system (Sequential batch reactor) and system tertiary (Constructed wetland). Chemical pollution removal in effluent of the processing coffee and residual water from 300-450 peoples this accords limits permissible Norms Officials.

The results principals were getting from September to December 2003. These experiments were carrying out at the laboratory of Faculty of Science Chemistry from UNACH and were:

Parameters chemicals: pH, Chemical oxygen demand (COD), Cianuro, Cd, Zn, Ni, Cu, Cr+6, Pb.

The parameters were determined by standard methods 20th edition and Officials Mexicans Norms (OMN). We are choice to evaluate both the residual water of process coffee and wastewaters of population in parameters different.

The results obtained show a high affectivity treatment system in the permissible limits by OMN, we getting high depuration of matter organic (94-99.9 %) Not found toxics metals.

Based on this study the pilot plant can be ideal technologies for this area taking condition of cost, operation and maintenance.

Key words: treatments system, searching batch reactor, artificial wetlands, process coffee.

INTRODUCCION

La costa de Chiapas es un estado sustentado históricamente en la agricultura y dentro de esta encontramos al café, que ha sido el cultivo de mayor importancia social y económica. La crisis en los precios internacionales y la fuerte diversificación productiva en los últimos años lo han relegado como la fuente del sustento económico de la entidad aun así, la producción de café sigue vigente (Pohlan et al., 2002).

El café maduro presenta una composición en la cual el grano, que es la parte aprovechable para el proceso, representa el 20% del volumen total de la fruta, de manera tal que, el procesamiento de beneficiado genera un 80% del volumen procesado en calidad de desechos, cada uno en un grado diferente constituyendo un riesgo para el medio ambiente si no se reutiliza de una manera inteligente para otros propósitos utilizando los principios de producción más limpia. Existen dos tipos de proceso de beneficiado: seco y húmedo, en la finca Argovia se utiliza ambos beneficiados, por lo cual se consumen grandes cantidades de agua en el proceso, el cual al final se convierte en desechos (Pujol, et al., 2001).

El beneficiado húmedo del café genera tres diferentes contaminantes: aguas de despulpado, aguas de lavado y la pulpa cuando es vertida a los ríos. El beneficiado de un kilogramo de café verde provoca mediante la generación de las aguas de lavado y despulpado, una contaminación equivalente a la generada por 5.6 personas adultas durante un día (Pujol et al., 2001; Hernández et al., 2000). La concentración de la materia orgánica en las aguas procedente del fermento del café depende del volumen utilizado por el beneficio, y en particular si hay recirculación de agua o no.

Estudios realizados por Claass (en el 2002) en esta planta, muestran que la concentración se ubica entre 7000 y 12000 mg/l de DQO y con un pH de 3.8 para este beneficio; como comparación un agua negra urbana tiene generalmente entre 500 a 1000 mg/l de DQO (Metcalf-eddy., 1985).

Un beneficio generalmente no esta solo, en ocasiones en una cuenca hidrológica vierten sus aguas varias agro-industria

s o una sucesión de fincas cafetaleras; en el mismo río se juntan también las aguas negras de localidades cercanas. La importancia de tratar las aguas de los beneficios radica en que la oxidación de la materia orgánica contenida en el agua se efectúa por medio de la microflora de bacterias que se alimentan de la materia consumiendo el oxígeno disuelto en el agua. En caso de descarga importante de materia como es el caso del vertido del Fermento, se agota el oxígeno (anaerobiosis), y se destruye por asfixia la fauna y flora acuática (Hernández et al., 2000).

METODOLOGIA

Sistema De Tratamiento De Aguas Residuales

El sistema combinado para el tratamiento de las aguas residuales se encuentra ubicado en la finca Argovia y se localiza entre los 15° 02' de latitud norte y 92° 18' de longitud oeste a 620 msnm. En el municipio de Tapachula Chiapas. Este sistema se instalo de acuerdo al programa Public Private Partnership (PPP) de la Sociedad Alemana para Inversión y Desarrollo (DEG), las empresas AquaPlan y ATB tecnologías Ambientales planearon y construyeron mutuamente con la Comisión Nacional del Agua (CNA) de México.

La planta consiste en tres tanques de sedimentación, un amortiguador y dos taques de tratamiento de reactores secuénciales por lotes (SBR), de diferentes capacidades (ver figura 1).

En el cual el SBR1 trabaja todo el año y el SBR2 trabaja durante la temporada de la cosecha, al agua tratada se le da un tratamiento terciario pasándolo a través del humedal de flujo vertical y los lodos que se generan son estabilizados por humificación a través de un humedal de composteo. (Baumann et al., 2003)

El funcionamiento pleno de la planta empezó a partir del día 20 de septiembre del 2003 y término el día 15 de diciembre del 2003. Durante el mes de octubre se le realizo un mantenimiento correctivo al sistema en general y, además se considero colocar una reja para separar los sólidos no biodegradables y elementos extraños provenientes de las aguas del influente a la planta.

MATERIALES Y METODOS

Materiales

Los puntos de muestreo fueron: del influente de agua servida, efluente de salida general, de los sedimentadores, el amortiguador, los reactores (SBR1 Y SBR2) y del agua de fermento procedente del beneficio húmedo. La planta tiene capacidad para una carga contaminante de 15,000 mg/l de DQO y un volumen diario de 10 m3, según la norma técnica europea se cuenta en promedio con una carga contaminante por habitante de 40 g de DBO (aprox. 60 g de DQO) a partir de esto se calculo una carga contaminante total para la finca equivalente a 2500 habitantes (U.S.E.P.A., 1993). La planta trata 7000 lts/día en época de cosecha del café (septiembre-diciembre, 2003).

Método de Muestreo

Las muestras se extrajeron en recipientes de plástico limpio y frascos de vidrio de diferentes capacidades de acuerdo al parámetro a ensayar, de modo puntual se les determino pH, conductividad y temperatura.; se les etiqueto, conservo y se remitió inmediatamente al laboratorio el mismo día del muestreo.

El protocolo de muestreo fue similar en todas las tomas. Las muestras fueron tomadas en intervalos de tiempo y espacio en la hora de llegada del agua del fermento a la planta (11:00 a.m.- 13:00 p.m.). La cantidad de muestra colectada en cada punto muestreo dependía del parámetro a determinar. Las pruebas se repitieron en dos diferentes días por 14 semanas; las muestras se tomaron los miércoles y viernes a través de todo el periodo de estudio, pero en algunos casos las inclemencias del tiempo no permitieron el acceso para las tomas de muestra en ese día. Se eligió evaluar el agua de fermento del beneficio húmedo del café y las aguas servidas que ingresan a la planta por separado en ciertos parámetros.

Las determinaciones realizadas en el laboratorio fueron: Parámetros Químicos: pH, demanda química de oxigeno (DQO), cianuro, cadmio, zinc, níquel, cobre, cromo hexavalente, plomo.

Métodos de análisis.

La Demanda Química de oxigeno (DQO) fue medido por el método colorimétrico (5220-D), de digestión de reflujo cerrado de acuerdo al Standard Methods (APHA, 1998). El pH fue medido con un Multiparametro Modelo Multilab5 de WTW. Cianuro, cadmio, zinc, níquel, cobre, cromo hexavalente, plomo fueron medidos con un Espectrofotómetro DR/2500 Odissey de Hach. Los resultados fueron expresados de acuerdo al ensayo realizado.

Análisis estadístico.

Para estudiar la variación en la concentración en todo el periodo de los parámetros ensayados se realizo análisis estadístico por grupos pareados con el estadístico de prueba "t" de student y análisis de varianza (ANVA) con el estadístico de prueba "f" para determinar la variación entre grupos y dentro de grupos (error α≤ 5 %)

RESULTADOS Y DISCUSIÓN.

Se discuten los resultados obtenidos durante la evaluación del funcionamiento de la planta de tratamientos de aguas residuales del beneficio húmedo de café.

Variación de la Demanda Química de Oxígeno (mg/l).

La tabla 1 presenta el análisis estadísticos; para el agua servida vs salida general no se encontró diferencia significativa (p=0.509); para el agua de fermento vs salida general se encontró diferencia altamente significativa (p= 0). El comportamiento de la concentración, flujo y conducta de la Demanda Química de Oxigeno (DQO) del agua servida esta en función de la densidad de población en la finca a través del tiempo, siendo el agua de fermento la mayor cantidad de carga orgánica que aporta a la planta y depende de la cantidad de café beneficiado diariamente (fig.1); los resultados de DQO presentados por Claass en el 2002 presentan similitudes (7000-12000 mg/l), para el mismo beneficio. La concentración de DQO de la salida general presenta estabilización a partir de la primera semana de octubre siendo el tratamiento efectivo y depende de factores propios de la planta.

El análisis estadístico entre el SBR1 vs SBR2 (ver tabla 1) se encontró diferencia significativa (p=0.029) , la variación entre ambos reactores es debido principalmente al tiempo de adaptación que requieren los microorganismos a la alta carga orgánica que ingresa a los reactores(ver fig.2); en el SBR1 se observa que la biomasa no se adaptó a los componentes del agua residual, este efecto se puede atribuir a diferentes causas: a) Una de que no existe la suficiente homogenización del caudal de alta carga orgánica que entra y afecta a la biomasa; b) fallas en los ciclos de trabajo debido a que la planta funciona de manera automática y, c) variaciones de voltaje que pueden afectar la eficiencia de la planta. La figura 2 presenta el comportamiento de DQO obtenidos de los reactores SBR1 y SBR2.

Variación de pH.

La tabla 2 presenta el análisis estadístico entre el agua servida vs salida, el SBR1 vs SBR2 y el agua de salida vs agua de fermento presentando diferencias altamente significativas durante todo el periodo de trabajo. La concentración de pH de las aguas servidas existe variación pero no es la causa principal de la acidez encontrada, esto se debe principalmente a los ácidos orgánicos que se generan en el fermento y es uno de los factores limitantes para el desempeño de las bacterias y el buen funcionamiento de la planta (ver fig.4). La concentración de acidez de los reactores se presenta en el promedio en que las bacterias pueden sostener su trabajo, la diferencia entre ellos se debe a la homogenización de los inyectores de oxigeno y los lodos activados como consecuencia del volumen de agua a tratar y el periodo de trabajo ya que el SBR1 trabaja durante todo el año y el SBR2 durante la época de cosecha, para posteriormente encontrar su punto de adaptación a las condiciones ambientales, observándose un aumento significativo de pH (ver fig. 5). El pH de las aguas de fermento se encuentra en los rangos de acidez reportados por Claass (2003). La importancia en el aumento del pH de la descarga general es benéfico por lo que es posible la reutilización del agua e o depositarlos en los cuerpos de agua.

Metales.

La tabla 3 presenta el análisis estadístico níquel, cromo hexavalente y cobre (mg/l) entre agua servida y en la salida de la planta. En la cual no existe diferencia significativa y las concentraciones obtenidas están por debajo de los límites de la Norma Oficial Mexicana La presencia de estos metales puede deberse a trabajos propios de la finca ya que cuentan con talleres de mecánica, soldadura, carpintería etc.

Parámetros de plomo, cadmio, cianuro, solo se determinaron en la descarga de la salida principal, mismos que no se presentaron durante el monitoreo.

CONCLUSIONES.

Con la información obtenida del monitoreo para la evaluación de la planta de tratamiento, se puede concluir que la planta piloto está dentro de los límites permisibles establecidas por la Norma Mexicana NOM-003-SEMARNAT-1997. Los porcentajes de reducción de la DQO y coliformes fecales obtenidos en el tratamiento de las aguas residuales en la planta son del 99%, mismo que se considera como altamente significativo, considerando tanto las aguas residuales de origen doméstico como el agua de fermento. La temperatura del agua está directamente relacionada con la temperatura ambiental y los aireadores de los reactores secuenciales.

Con los resultados obtenidos en este trabajo, se hace necesario estudiar por separado los tanques sedimentadores y los humedales artificiales con el fin de extender esta tecnología de tratamiento de aguas residuales para el beneficio húmedo de café en la Zona Cafetalera del Soconusco.

BIBLIOGRAFIA.

Baumann, J., Claass, m., Galatos, H., Giessemann, B., Baumann, D. (2003) La planta piloto de tratamiento de aguas residuales del café, Finca Argovia. Segundo diplomado sobre desarrollo de zonas cafetaleras. ECOSUR, Tapachula, Chiapas, México.

Baumann, J., (2003) Logros del Programa de Expertos Integrados CIM-CNA 197-2003. Conservación de Suelos y Agua para la costa de Chiapas.

Claass, M., (2003) Realización de una planta piloto de tratamiento descentralizada. Documentación e investigación de una pequeña planta técnica-biológica para aguas residuales de la producción del café, desde la planeación hasta la optimización, Tesis. Facultad de Técnicas Ambientales y de Biotécnica. Fachhochschule Huyesen Friedberg, Alemania.

Folleto informativo de tegnologia de aguas residuales (1999) "reactores secuenciales por tandas"

united states environmental protection agency. Office of water Washington D.C.

EPA 832-F-99-073

HERNÁNDEZ, J; HIDALGO, G. 2000. Evaluación de 3 metodologías para reducir los niveles de

Contaminantes en efluentes de tratamiento primario de las aguas residuales del procesamiento del café en costa rica. Trabajo de Graduación. Universidad EARTH. Guácimo, Costa Rica, 85

Lara, J., Salgot, M., (1999) Tesis: Depuración de aguas residuales municipales con humedales

artificiales. Instituto catalán de tecnología, Universidad politécnica de Cataluña Master en ingeniería y Gestión ambiental. Barcelona, España.

Metcalf-Eddy (1985). Ingeniería sanitaria tratamiento evacuación y reutilización de las aguas

residuales. Editorial Labor; Barcelona, España,

NORMA Oficial Mexicana NOM-003-SEMARNAT-1997 Que establece los límites máximos

permisibles de contaminantes para las aguas residuales tratadas que se reusen en servicios

al publico.

Pujol, R., Zamora, L., Sanarrusia, M., Bonilla, F. (2000) Estudio de Impacto Ambiental del Cultivo y Procesamiento del Café. Programa de desarrollo urbano sostenible. Universidad de Costa Rica. San José, costa rica.

Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater 20th Edition (1998) prepared and published jointly by American Public Health Association, American Water Works Association and Water Environment Federation.

USEPA (2000). Constructed Wetlands treatment of Municipal Wastewaters US.EPA

625/R99/010, Cincinnati, Ohio, USA.

ANEXOS

Tabla 1. Análisis de grupos pareados de los valores obtenidos de DQO en el agua servida vs

salida, fermento vs salida y SBR1vs SBR2.

Tabla 2. Análisis de grupos pareados de los valores obtenidos de pH.

Tabla 3. Análisis de grupos pareados para especies de metales

Para ver la tabla seleccione la opción "Descargar" del menú superior

 Fig. 1 Esquema de la Planta Piloto de Tratamiento de Aguas Residuales.

Fig.2 Evolución de de la Materia Organica(DQO) en agua servida, salida y fermento.

Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superior

Fig.3 Evolución de de la Materia Organica(DQO) en los reactores secueniales por lotes (SBR1 ySBR2).

Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superior

Fig.4 Evolución del Potencial de Hidrogeno(pH) en agua servida, salida y fermento.

Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superior

Fig.5 Evolución del potencial de Hidrogeno(pH) en los Reactores Secuencuales por Lotes (SBR1 y SBR2).

AGRADECIMIENTOS Este proyecto fue financiado bajo el convenio de colaboración CNA-UNACH No. SGIH-FS-CHS-03-TT-068-RF-CC. "Programa de Monitoreo de Erosión Hídrica, manejo del agua y preservación del suelo en sitios representativos de la Cuenca del Río Huehuetán, Chiapas." Se agradece la colaboración en el análisis estadístico al MC. Miguel Ángel Rodríguez Feliciano.

Orozco, C. (1)

Barrientos, H. (1)

Lopezlena A. (1)

Cruz J. (1)

Selvas C. (1)

Osorio El. (1)

Osorio Ed. (1)

Chávez R. (1)

Miranda, J.

Arellano J. (2)

Giesseman, B. (3)

Facultad de Ciencias Químicas-UNACH (1)

Comisión Nacional del Agua-GRFS (2)

Finca Argovia (3)