MEJORAMIENTO DEL DISEÑO DE UN SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES PROVENIENTES DEL BENEFICIO HÚMEDO DEL CAFÉ

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TRABAJO PROFESIONAL

COMO REQUISITO PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERA BIOQUÍMICA

QUE PRESENTA:

ELIAM ZURISADAI ESCOBAR RAMÍREZ

CON EL TEMA:

“MEJORAMIENTO DEL DISEÑO DE UN

SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS

RESIDUALES PROVENIENTES DEL

BENEFICIO HÚMEDO DEL CAFÉ”

MEDIANTE :

OPCION I

(TESIS PROFESIONAL)

(2)

I

CONTENIDO

Pág.

INDICE DE FIGURAS ... IV INDICE DE TABLAS ... VI AGRADECIMIENTOS ... VIII

RESUMEN ... 1

CAPÍTULO 1 . INTRODUCCIÓN... 2

CAPÍTULO 2 . OBJETIVOS ... 6

2.1 Objetivo general ... 6

2.2 Objetivos específicos ... 6

CAPÍTULO 3 . JUSTIFICACIÓN ... 7

CAPÍTULO 4 . HIPÓTESIS ... 8

CAPÍTULO 5 . FUNDAMENTO TEÓRICO ... 9

5.1 Generalidades del café (Coffea arabica) ... 9

5.2 Estructura del café cereza ... 10

5.3 Transformación del fruto ... 11

5.3.1 Beneficio húmedo ... 12

5.3.2 Beneficio seco ... 14

5.3.3 Industrialización ... 14

5.4 Impacto ambiental de las aguas residuales del beneficio húmedo del café 15 5.5 Constituyentes del agua residual ... 16

5.5.1 Características físicas de las aguas residuales ... 16

5.5.1.1 Sólidos ... 16

5.5.1.2 Tamaño de la partícula ... 17

5.5.1.3 Turbiedad ... 17

5.5.1.4 Color ... 18

5.5.1.5 Olor... 18

5.5.1.6 Temperatura ... 18

5.5.1.7 Densidad ... 19

5.5.2 Características químicas inorgánicas ... 19

5.5.3 Características químicas de compuestos orgánicos agregados ... 20

(3)

II

5.5.3.2 Demanda Química de Oxígeno (DQO)... 22

5.5.3.3 Relaciones entre DBO y DQO ... 23

5.6 Normas oficiales mexicanas referentes a las aguas residuales ... 24

5.7 Clasificación de los tratamientos de aguas residuales ... 24

5.7.1 Pretratamiento y tratamiento primario ... 25

5.7.2 Tratamiento secundario ... 25

5.7.3 Tratamiento terciario ... 26

5.8 Operaciones y procesos unitarios que constituyen el sistema de tratamiento propuesto ... 27

5.8.1 Sedimentación ... 27

5.8.2 Filtración ... 30

5.8.3 Adsorción ... 32

5.8.3.1 Isotermas de adsorción ... 34

5.8.3.2 Curva de ruptura ... 35

5.8.4 Procesos biológicos anaerobios ... 36

5.8.4.1 Reactor anaerobio de placas horizontales ... 37

5.8.5 Neutralización ... 39

5.9 Algunas investigaciones de importancia en el tratamiento de aguas residuales ... 40

CAPÍTULO 6 . METODOLOGÍA ... 42

6.1 Criterios de diseño de sedimentador de placas inclinadas... 42

6.2 Sistema de neutralización ... 48

6.3 Estabilización de lodos ... 48

6.4 Diseño del reactor ... 50

6.5 Criterios de diseño del filtro lento de arena modificado ... 53

6.6 Isotermas de adsorción ... 56

6.7 Curva de ruptura ... 56

6.8 Recolección de las aguas residuales del beneficio húmedo del café ... 57

6.9 Caracterización de las aguas residuales del beneficio húmedo del café y análisis de efluentes ... 58

CAPÍTULO 7 . RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 59

7.1 Caracterización del agua residual del beneficio húmedo del café ... 59

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III

7.3 Remoción de DQO y sólidos dentro del sedimentador de placas inclinadas 63

7.4 Remoción de DQO y sólidos dentro del filtro lento de arena modificado . 69

7.5 Isotermas de adsorción ... 73

7.6 Curva de ruptura ... 76

7.7 Neutralización del pH de las aguas residuales del beneficio húmedo del café 78 7.8 Operación de sistema continuo ... 80

CAPÍTULO 8 . CONCLUSIONES ... 85

CAPÍTULO 9 . RECOMENDACIONES ... 87

CAPÍTULO 10 . REFERENCIAS ... 88

CAPÍTULO 11 . ANEXOS ... 95

11.1 Técnicas analíticas empleadas en el presente estudio ... 95

11.1.1 Determinación de DQO ... 95

11.1.2 Determinación de sólidos totales, disueltos y suspendidos totales.... 96

11.1.3 Determinación de sólidos sedimentables ... 98

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IV

INDICE DE FIGURAS

Pág.

Figura 5.1 Composición del café cereza ... 11

Figura 5.2 Procesamiento del café vía beneficiado húmedo ... 13

Figura 5.3 Subproductos del fruto de café ... 15

Figura 5.4 Procesos propios de cada etapa de tratamiento ... 27

Figura 5.5 Comparación del área superficial de un sedimentador laminar y uno convencional ... 30

Figura 5.6 Diagrama de un filtro lento de arena ... 32

Figura 5.7 Acción de las fuerzas de dispersión de London ... 34

Figura 5.8 Forma característica de una curva de ruptura ... 36

Figura 5.9 Esquema de un reactor ABR para la digestión anaerobia ... 39

Figura 6.1 Gráfica de sedimentación de acuerdo al tamaño de partícula ... 42

Figura 6.2 Esquema en alzado del sedimentador con placas inclinadas ... 46

Figura 6.3 Esquema transversal del sedimentador de placas inclinadas ... 47

Figura 6.4 Lodos colectados ... 49

Figura 6.5 Reactor anaerobio para estandarización de inóculo ... 50

Figura 6.6 Esquema en alzado del reactor anaerobio con placas horizontales .... 52

Figura 6.7 Esquema transversal del reactor ... 53

Figura 6.8 Esquema en alzado del filtro lento de arena ... 55

Figura 6.9 Esquema transversal del filtro lento construido ... 55

Figura 6.10 Columna empacada con carbón activado ... 57

Figura 6.11 Ubicación del beneficio ... 58

Figura 7.1 Análisis estadístico del porcentaje de remoción de DQO en función de separación de placas ... 63

Figura 7.2 Efecto del ángulo de inclinación y TRH sobre el porcentaje de remoción de la DQO ... 64

Figura 7.3 Análisis estadístico del porcentaje de remoción de DQO en función del ángulo de inclinación ... 66

Figura 7.4 Análisis estadístico del porcentaje de remoción de DQO en función del ángulo de inclinación ... 67

Figura 7.5 Agua de salida del sedimentador ... 68

Figura 7.6 Análisis estadístico del porcentaje de remoción de DQO para la concentración de 15% de carbón activado ... 69

Figura 7.7 Porcentaje de remoción de DQO en el filtro variando cantidad de carbón activado ... 70

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V

Figura 7.9 Agua de salida del filtro ... 73

Figura 7.10 Isoterma de adsorción de Freundlich ... 74

Figura 7.11 Isoterma de adsorción de Langmuir ... 74

Figura 7.12 Curva de ruptura de carbón activado ... 77

Figura 7.13 Gráfica de variación pH de las ARBHC a diferentes tiempos con carbón activado ... 78

Figura 7.14 Neutralización del ARBHC ... 80

Figura 7.15 Sistema continuo para tratamiento de las ARBHC ... 81

Figura 7.16 Características visuales del agua residual en cada proceso de tratamiento ... 82

Figura 11.1 Curva de calibración DQO ... 95

Figura 11.2 Preparación de tubos para DQO ... 96

Figura 11.3 Secado de muestras en una estufa al vacío ... 97

Figura 11.4 Calcinación de muestras en mufla ... 97

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VI

INDICE DE TABLAS

Pág.

Tabla 5.1 Comparación de varios parámetros utilizados para caracterizar aguas

residuales. ... 23

Tabla 5.2 Composición química de la concha de ostión. ... 39

Tabla 6.1 Relación del diámetro de partícula con la velocidad de sedimentación. 43 Tabla 6.2 Constantes empíricas para la ecuación de porcentaje de remoción aproximado... 45

Tabla 7.1 Composición de las aguas residuales del beneficio húmedo de café estudiadas ... 59

Tabla 7.2 Características de los sistemas diseñados ... 62

Tabla 7.3 Condiciones de operación en sistema continuo ... 80

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VII

DEDICATORIA

A Dios, por la vida que me diste y guiar todos mis pasos.

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VIII

AGRADECIMIENTOS

A Dios: Porque todo lo que tengo te pertenece a ti, y este logro no es la excepción. Eres el centro de mi vida Señor y si yo he llegado hasta aquí es porque tú así me lo has permitido. El conocerte ha sido lo mejor que me ha pasado y la mayor aventura de vida. Mi amor por ti es muy grande porque tú me amaste primero.

A mis papás: Por siempre brindarme su apoyo, por alentarme a seguir adelante, por su amor, por cada consejo y también cada regaño, pero especialmente por enseñarme a siempre dar gracias a Dios por cada momento. Los quiero mucho.

A mis hermanas: Ingrid y Lissette, por ser mis ejemplos a seguir (aveces jajaja), mis amigas y consejeras. Gracias por demostrarme su cariño, por siempre estar al pendiente de mí y estar dispuestas a ayudarme. Las quiero mucho.

A Damiancito: Mi chaparrito te quiero con todo el corazón, y aunque muchas veces me haces enojar con tus travesuras no me imagino la vida sin ti. Tu linda sonrisita me llena de alegría. Tal vez aún no eres lo suficientemente grande para leer esto, pero espero algún día puedas hacerlo y te des cuenta de cuanto significas para mí.

A Dorian: Por ser como un hermano para mí, siempre has sabido ser un gran apoyo para mí y mi familia, tanto en las buenas como en las malas.

A Carlos: Gracias por todo tu apoyo incondicional, por levantarme cuando quiero darme por vencida, por alentarme a tomar nuevos retos. Tal vez no todo es perfecto pero me siento feliz de tenerte a mi lado y aunque no sabemos lo que sucederá en el futuro, quiero que sepas que eres muy importante para mí. Te amo.

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IX Al M.C José Humberto Castañón González: Por su dirección en esta investigación y la confianza brindada. Ha sido un privilegio trabajar con usted. Es una persona estupenda y es un ejemplo de que una persona puede tener muchos conocimientos y aún así ser humilde.

Al Dr. Arnulfo Rosales Quintero y la Dra. Rocío Meza Gordillo: Por sus valiosas recomendaciones que contribuyeron a la mejora de este proyecto

Al COCyTECH: Por la beca otorgada para la conclusión de esta investigación.

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RESUMEN

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2

CAPÍTULO 1 . INTRODUCCIÓN

La derrama económica y los beneficios sociales que produce el café en Chiapas son de gran relevancia, tanto por la captación de divisas que se obtienen a partir de las exportaciones, como por los miles de empleos que se generan con su cultivo, procesamiento y comercialización. De acuerdo con el Servicio de Información Agroalimentaria y Pesquera, de los 15 estados productores1, Chiapas ocupa primer lugar nacional (SIAP, 2013).

La variedad de café que más se produce en el estado (y en México) es la denominada “arábica” (Coffea arabica), la cual se cultiva casi en su totalidad en pendientes escarpadas, bajo árboles de sombra y con un uso muy limitado de agroquímicos (Barrera y Parra, 2000), además, cabe mencionar que su calidad ha sido apreciada y reconocida por los consumidores de café en el mundo como una de las mejores.

En Chiapas, generalmente el café se procesa por vía húmeda (Siu et al.,

2007), ya que se considera que le confiere características moderadas en amargo, cuerpo, acidez y aroma pronunciado,que son cualidades importantes dentro de la cata del ramo cafetalero, brindando así un alto valor comercial comparado con el proceso desarrollado por la vía seca.

El proceso del café por la vía húmeda, cuya característica principal es el uso de agua como medio facilitador, consiste en que, el fruto después de ser cosechado se eliminan los componentes externos, después son depositados en despulpadoras para eliminar el epicarpio o pulpa, seguidamente se utilizan tanques de fermentación para obtener la hidrólisis del mucílago mediante la acción de enzimas propias del grano y de microorganismos presentes en el agua, posteriormente pasa a la etapa de lavado y finalmente se realiza el secado (Cervantes, 1998; Bello et al., 1993).

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3

Cabe destacar que la parte aprovechable para el proceso representa sólo el 20% del volumen total de la fruta, de manera tal que, el procesamiento de extracción del fruto (beneficio) genera un 80% del volumen procesado en calidad de desechos (Orozco et al., 2005). En el procesamiento del café por vía húmeda se generan residuos líquidos altamente contaminantes por sus valores de acidez, contenido de sólidos y Demanda Química de Oxígeno (DQO), lo cual genera graves desequilibrios en el ecosistema receptor.

De acuerdo a lo señalado anteriormente, al ser Chiapas el primer productor nacional de café, de la misma manera será la cantidad de aguas residuales generadas, las cuales comúnmente se descargan a los cuerpos receptores sin ningún tratamiento, ocasionando, por consiguiente, un terrible deterioro. Esta situación se agrava si tenemos en cuenta que los centros de despulpe de café se encuentran ubicados en zonas de montañas donde están los ecosistemas más frágiles, y que el proceso de beneficio se realiza en los meses de sequía, durante los cuales los ríos disminuyen el caudal aumentando la concentración de las sustancias contaminantes (Sotolongo et al., 2000).

A manera de hacer un dimensionamiento del problema cabe mencionar que, el proceso de despulpado y lavado de 1 kg café genera una cantidad de agua y material contaminante equivalente a aquella producida por seis personas en un día (Pujol et al., 2001; Hernández et al., 2000) y una contaminación equivalente a la de 45,5 L de aguas residuales domésticas (Bermúdez et al., 1999). No obstante, dicha problemática no es propia del estado de Chiapas, sino que es similar en los países productores de café donde se utiliza como proceso de beneficio la vía húmeda.

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NOM-001-4

SEMARNAT-1996 reguladas por SEMARNAT; para ello es necesario llevar a cabo un proceso de tratamiento.

Actualmente existen ciertas investigaciones en las que se han desarrollado sistemas de tratamiento enfocados a este tipo de aguas de naturaleza muy compleja, no obstante, es importante diseñar nuevas alternativas para sistemas tratamiento en los que, además de ser eficientes no representen costos excesivos para los productores de café y cuyo mantenimiento e instalación también sean de bajo costo.

En un trabajo previo realizado por Tacias (2012) en el Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez se diseñó un sistema para tratar aguas residuales de esta índole, constituido por un sedimentador, 3 digestores anaerobios y un filtro, el cual demostró ser eficiente, puesto que removió hasta 81.08% de la DQO inicial de las aguas residuales del beneficio húmedo del café (Tacias, 2012). A pesar de los resultados obtenidos en dicha investigación Tacias señala ciertas modificaciones que podrían llevarse a cabo para lograr mayor eficiencia en el sistema.

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CAPÍTULO 2 . OBJETIVOS

2.1 Objetivo general

Diseñar un sistema de tratamiento de aguas residuales provenientes del beneficio húmedo del café

2.2 Objetivos específicos

 Diseñar un sedimentador basado en tecnología de baffles inclinados para incrementar la eficiencia del sistema.

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CAPÍTULO 3 . JUSTIFICACIÓN

La cafeticultura trae grandes beneficios económicos al estado de Chiapas; sin embargo esta actividad se ve opacada por sus efectos adversos al medio ambiente. Las aguas residuales que se generan en el proceso de despulpado y lavado del café se consideran como una de las mayores contaminaciones orgánicas en el sector cafetalero debido a que la oxidación de la materia orgánica, que es llevada a cabo por la microflora bacteriana contenida en ellas, consume todo el oxígeno disuelto en el agua creando una situación de ausencia de oxigeno que perjudica la flora y fauna acuática (Hernández et al., 2000), aunado a esto, representan un riesgo a la salud para las personas que habitan en zonas cercanas a los sitios de descarga del agua residual (Haddis y Devi, 2008) ya que pueden convertirse en áreas de reproducción de vectores de enfermedades (Mburu, 1994).

Se estima que durante la cosecha de café se utilizan anualmente entre 14 y 15 millones de metros cúbicos de agua, esto aunado a las descargas de la pequeña y gran industria, así como los centros urbanos, provoca que los cuerpos de agua del país sufran un alto grado de contaminación (Algeciras et al., 2002)

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CAPÍTULO 4 . HIPÓTESIS

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CAPÍTULO 5 . FUNDAMENTO TEÓRICO

5.1 Generalidades del café (

Coffea arabica

)

Café es el nombre común de un género de árboles de la familia de las Rubiáceas y también de sus semillas y de la bebida que con ellas se prepara. De la treintena de especies que comprende el género Coffea sólo son importantes tres: arábica, canephora y libérica.

El arbusto o arbolillo, de 4.6 a 6 m de altura en la madurez tiene hojas aovadas, lustrosas, verdes, que se mantienen durante 3 a 5 años y flores blancas, fragantes, que sólo permanecen abiertas durante unos pocos días. El fruto se desarrolla en el curso de los seis o siete meses siguientes a la aparición de la flor; cambia desde el verde claro al rojo y, cuando está totalmente maduro y listo para la recolección, al carmesí.

El fruto maduro, que se parece a la cereza, se forma en racimos unidos a las ramas por tallos muy cortos, suele encerrar dos semillas rodeadas de una pulpa dulce. Al fruto se le dice cereza, uva o capulín y está recubierto en una instancia de una película o cascarilla muy delgada que se llama pergamino. La semilla del café contiene una compleja mezcla de componentes químicos; algunos de ellos no se ven afectados por el tueste, pero otros, en particular aquellos de los que depende el aroma, son producto de la destrucción parcial del grano verde por la torrefacción.

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Las plantas de café producen la primera cosecha de rendimiento pleno cuando tienen en torno a 5 años de edad. A continuación mantienen una producción constante durante 15 a 20 años. Algunas plantas rinden entre 900 g y 1.3 kg de semillas de valor comercial al año.

El cafeto requiere para su cultivo un clima cálido pero con alto nivel de humedad; el sol no debe llegar directamente a la planta, por ello se ven plantados junto a los cafetos árboles de diferente especie cuyas hojas protegen y dan sombra; su altitud debe ser entre los 1,000 a 1,300 msnm. El Café necesita para crecer un suelo rico y húmedo, que absorba bien el agua y drene con rapidez el exceso de precipitación. Los mejores suelos son los formados por un pequeño manto de hojas, materia orgánica de otra clase y roca volcánica desintegrada (SIAP, 2012).

5.2 Estructura del café cereza

Las partes que componen al grano y fruto del café son las siguientes (Figura 5.1) (Ortega, 2010):

Epicarpio o piel: Los colores que va tomando desde su etapa juvenil hasta su maduración, son los siguientes: verde, amarillo, rosado y rojo (algunas veces amarillo) sucesivamente. Tomando una coloración castaño oscuro cuando el grano empieza a secarse.

Mesocarpio: Es la parte carnosa del grano, la cual está compuesta por substancias pectinas y azúcares, comúnmente se les denomina mucílago o baba.

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Perisperma o película plateada: Es un tejido delgado que cubre a la semilla, su color es gris plateado, rojizo o negro.

Endospermo o semilla: Es el grano desprovisto de todas sus capas (cubiertas); es denominada café verde u oro cuando éste ya ha sido procesado.

Embrión o germen: Es la planta en estado latente la cual se encuentra alojada en una de las extremidades de la semilla.

5.3 Transformación del fruto

Tras la maduración total, los frutos entran en una fase de degradación. En esta fase intervienen las enzimas que favorecen la fermentación, producción de alcoholes y ácidos indeseables, destrucción de la parénquima, ruptura de la estructura de la pared celular debido a modificaciones de las proteínas, celulosas, hemicelulosas y ligninas, oscurecimiento de la pulpa debido a oxidaciones de pigmentos y pudrición. Por ello, la cereza madura luego de ser cosechada debe ser procesada lo más rápidamente posible (Wintgens, 1992; Zuluanga, 1990).

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Las etapas de transformación son un proceso de beneficiado del café, el cual se podría definir como el proceso mediante el cual se transforma el fruto (café en fruta) en producto comercial (café oro). Existen dos métodos para beneficiar el café, la vía seca y la vía húmeda. En la vía seca no se utiliza agua, consiste en secar los frutos maduros o cerezas al sol para obtener el café bola o capulín. La vía húmeda se describe a continuación:

5.3.1 Beneficio húmedo

Consiste en la transformación del café cereza en café pergamino (Ortega, 2010) (Figura 5.2).

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una corriente de agua limpia, con el fin de eliminar los productos que resultan de la degradación del mucílago en la fase de fermentación. El secado consiste en reducir el contenido de humedad presente (55% aproximadamente) en el pergamino húmedo hasta un 12% (UNCAFE, 2002) con el fin de asegurar la conservación, ya que impide el desarrollo de hongos, mohos y bacterias durante el almacenamiento (Zarco, 2003), dicho proceso se puede llevar a cabo en patios de cemento en los que se tiende el café por un período de cinco días aproximadamente. Una vez que se obtiene el café pergamino, es decir el grano seco, se realiza el beneficio seco.

Figura 5.2 Procesamiento del café vía beneficiado húmedo (Coto, 1992)

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5.3.2 Beneficio seco

Es la transformación del café pergamino en oro. Inicia cuando el café pergamino es morteado, y consiste en quitar el mucílago seco por medio de máquinas trilladoras, de donde se obtiene el café oro o verde. Un porcentaje de humedad del 12% es indicado para su almacenamiento, puesto que así se evita la formación de hongos y decoloraciones en el grano para poder continuar con el proceso.

Una vez que el café ha sido morteado se procede a clasificarlo. La finalidad de su clasificación es para separar y seleccionar los granos buenos de los malos, los que tienen algún defecto o han sido mordidos o quebrados en alguna de las operaciones anteriores, además de que un café clasificado alcanza un mayor precio en el mercado. Luego de la obtención del café oro se procede a la industrialización.

5.3.3 Industrialización

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5.4 Impacto ambiental de las aguas residuales del beneficio

húmedo del café

En el beneficio húmedo del café se utiliza agua como medio facilitador o como medio de transporte, por lo tanto, el proceso de separación de los granos de café a partir del fruto durante el beneficio húmedo genera enormes volúmenes de material de desecho. Estos subproductos de la elaboración del café (pulpa de café y efluentes del proceso) se traducen en malos olores a las zonas aledañas, áreas de reproducción de vectores de enfermedades cuando son arrojados alrededor de las plantas de procesamiento y cuando en época de lluvia las lagunas se desbordan, escapándose la carga contaminante, afectando a las aguas superficiales y del subsuelo, respectivamente (Mburu et al., 1994).

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 extracción del fruto (beneficiado) genera un 80% del volumen procesado en calidad de desechos (Figura 5.3) (Orozco, 2005).

La importancia de darle un correcto tratamiento a las aguas de desecho es consecuencia de que la oxidación de la materia orgánica contenida en ellas es llevada a cabo por la microflora bacteriana, que alimentándose de dicha materia, consume todo el oxígeno disuelto en el agua creando así una situación de ausencia de oxigeno que perjudica la flora y fauna acuática (Hernández et al.,

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2000; Kassahun et al., 2010). Cuando la demanda de oxígeno por parte de las bacterias es superior a la cantidad de oxígeno disuelto naturalmente en el agua, los microorganismos utilizan el oxígeno contenido en los nitratos (NO-3) y en los

sulfatos (SO-4) originando moléculas de sulfuro de hidrógeno (H2S) responsables

de olores desagradables. La turbidez incrementa a causa de la presencia de polifenoles presentes en los sólidos suspendidos.

En el estado de Chiapas, para beneficiar un quintal de café (245 kg de café cereza) se gastan aproximadamente 1400-1500 L de agua (Tacias, 2012). Esto quiere decir que si en la cosecha 2012-2013, se produjeron 341,978 toneladas de café cereza, durante su beneficio se generaron aproximadamente 2’023,951 m3

de agua residual, que fueron descargadas a los cuerpos de aguas superficiales sin recibir un tratamiento previo, lo que hace evidente un sistema de tratamiento para dichas aguas residuales.

5.5 Constituyentes del agua residual

Los constituyentes encontrados en las aguas residuales pueden ser clasificados como físicos, químicos y biológicos. De los constituyentes del agua residual, los sólidos suspendidos, los compuestos orgánicos biodegradables y los organismos patógenos son de mayor importancia.

5.5.1 Características físicas de las aguas residuales

Las principales son su contenido de sólidos, distribución de partículas por tamaño, turbiedad, color, transmitancia/absorbancia, olor, temperatura, densidad y conductividad (Crites y Tchobanoglus, 2000).

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Los sólidos comúnmente se clasifican en suspendidos, disueltos y totales. Los sólidos totales representan la suma de los SDT (Sólidos Disueltos Totales) y SST (Sólidos Suspendidos Totales), a su vez, los sólidos totales poseen fracciones de sólidos fijos (SFT) y volátiles (SVT); la concentración de sólidos volátiles (SV) se suele considerar como una medida aproximada del contenido de materia orgánica. Los sólidos suspendidos totales (SST) son aquellos que son visibles y flotan, se dividen a su vez en sólidos sedimentables y coloides. Se consideran sedimentables aquellos que en el lapso de una hora pueden sedimentar en el cono Imhoff. Los sólidos disueltos totales (SDT) son sustancias orgánicas e inorgánicas solubles en agua y que no son retenidas en el material filtrante, generalmente un filtro de fibra de vidrio con una porosidad de 2µm o menor, según la NMX-AA-034-SCFI-2001.

5.5.1.2 Tamaño de la partícula

La medida del tamaño de partícula es un análisis que permite establecer la distribución de partículas según su tamaño. La información del tamaño de partículas orgánicas biodegradables es de importancia desde el punto de vista de tratamiento, debido a que la velocidad de degradación biológica de estas partículas depende de su tamaño.

5.5.1.3 Turbiedad

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5.5.1.4 Color

El color en aguas residuales es causado por sólidos suspendidos, material coloidal y sustancias en solución. El color causado por sólidos suspendidos se llama color aparente, mientras que el color debido a sustancias disueltas y coloidales se denomina color verdadero. El color verdadero se obtiene sobre una muestra filtrada. Dado que la medida depende del tamaño del poro del filtro, se debe especificar el tipo de filtro usado y tamaño del poro. Cualitativamente, el color puede ser usado para estimar la condición general del agua residual. Si el color es café claro, el agua residual lleva aproximadamente seis horas después de su descarga. Un color gris claro es característico de aguas que han sufrido algún grado de descomposición o que han permanecido un tiempo corto en los sistemas de recolección. Si el color es gris oscuro o negro, se trata en general de aguas sépticas que han sufrido una fuerte descomposición bacteriana bajo condiciones anaerobias (Crites y Tchobanoglous, 2000).

5.5.1.5 Olor

El olor del agua residual fresca es en general inofensivo, pero una gran variedad de compuestos malolientes son liberados cuando se produce la degradación biológica, bajo condiciones anaerobias, de las aguas residuales. El principal compuesto de olor indeseable es el sulfuro de hidrógeno. Otros compuestos como indol, eskatol y mercaptanos, formados bajo condiciones anaerobias, pueden causar olores mucho más inofensivos que el sulfuro de hidrógeno.

5.5.1.6 Temperatura

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incluyen procesos biológicos que dependen de la temperatura. La temperatura del agua es un parámetro muy importante porque afecta directamente las reacciones químicas y las velocidades de reacción, la vida acuática y la adecuación del agua para fines benéficos. Un incremento en la temperatura puede causar cambios en las especies que existan en un cuerpo receptor.

5.5.1.7 Densidad

La densidad es una característica física de gran importancia a la hora de establecer la formación potencial de corrientes de densidad en sedimentadores, humedales artificiales y otras unidades de tratamiento. La densidad del agua residual doméstica que no contiene cantidades significativas de desecho es prácticamente igual a la del agua a una misma temperatura (Crites y Tchobanoglous, 2000).La densidad depende de la temperatura y varía en función de la concentración total de sólidos en el agua residual.

5.5.2 Características químicas inorgánicas

Los constituyentes químicos de las aguas residuales son con frecuencia clasificados en inorgánicos y orgánicos. Los constituyentes inorgánicos incluyen elementos individuales como calcio (Ca), cloruro (Cl), hierro (Fe), cromo (Cr) y zinc (Zn); también incluyen una amplia variedad de compuestos como nitratos (NO-3) y

sulfatos (SO-4).

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Otras pruebas, como pH, alcalinidad, cloruros y sulfatos son realizados para estimar la capacidad de reutilización de aguas residuales tratadas y también como pruebas para el control de varios procesos de tratamiento. Las pruebas para metales y para otros constituyentes son usadas para estimar la capacidad de digestión de biosólidos y el compostaje de lodos en aplicaciones sobre el suelo (Crites y Tchobanoglous, 2000).

5.5.3 Características químicas de compuestos orgánicos agregados

En el caso de las aguas residuales del beneficio húmedo del café, el agua empleada se contamina al entrar en contacto con el fruto, ya sea para el transporte de la pulpa o el fruto, o para lavar el mucílago del pergamino.

El agua de despulpado, que se origina del contacto entre pulpa y agua (Figura 5.2) contiene azúcares, proteínas y otras sustancias que se encuentran en pequeñas cantidades como taninos (que provocan un color oscuro al disolver en agua), alcaloides (cafeína), polifenoles (von Enden y Calvert, 2004) y celulosa (Acuña, 2002). El agua de lavado de café (Figura 5.2) contiene principalmente pectina, celulosa, azúcares y ácidos orgánicos (Wasser, 1996).

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alcanzando un pH tan bajo como 3.8 (Murthy et. al., 2003; Orozco et. al., 2005; Sotolongo et. al., 2000). A un pH de 7 o un pH mayor, los flavonoides convierten las aguas residuales de color verde oscuro a negras en los ríos localizados aguas abajo de las fincas de café.

La diferencia que existe entre un agua residual tratada y otra no tratada, es la cantidad de compuestos orgánicos agregados presentes en las muestras. Este parámetro es de mucha ayuda cuando se trata de analizar el desempeño de los procesos de tratamiento y estudiar su comportamiento en las fuentes receptoras.

En la actualidad, los métodos de laboratorio comúnmente usados para medir cantidades de materia orgánica en aguas residuales incluyen: la demanda bioquímica de oxígeno a los cinco días (DBO5), la demanda química de oxígeno

(DQO) y el carbono orgánico total (COT).

5.5.3.1 Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO)

La demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) es un indicador de la cantidad de

sustancias orgánicas de origen biológico (proteínas, carbohidratos, grasas y aceites) y de productos químicos orgánicos sintéticos y biodegradables en las aguas residuales. Si existe suficiente oxígeno disponible, la descomposición biológica aerobia de un desecho orgánico continuará hasta que el desecho se haya consumido.

(32)

22

empiezan a consumir su propio tejido celular con el fin de obtener energía para el mantenimiento celular, este tercer proceso es llamado respiración endógena (ecuación 5.3).

El término usado para representar los desechos orgánicos es COHNS (el cual representa los elementos carbono, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno y azufre), y para el tejido celular es C5H7NO2; los tres procesos se definen por las siguientes

reacciones químicas: Oxidación

COHNS+O2+bacterias CO2+ H2O+ NH3+energía (5.1)

Síntesis

COHNS+O2+bacteria+energía C5H7NO2 (5.2)

Respiración endógena

C5H7NO2+5O2 5CO2+NH3+2H2O (5.3)

5.5.3.2 Demanda Química de Oxígeno (DQO)

La prueba de la DQO es usada para medir el material orgánico presente en las aguas residuales, susceptible de ser oxidado químicamente con una solución de Dicromato en medio ácido (ecuación 5.4) (Mackenzie y Masten, 2005).

(5.4)

Aunque se podría esperar que el valor de la DBO última fuera similar al de la DQO, éste sería un caso poco común. Algunas razones para explicar tal diferencia se enumeran a continuación:

(33)

23

2. Las sustancias inorgánicas que se oxidan con dicromato aumentan evidentemente el contenido orgánico de la muestra.

3. Algunas sustancias orgánicas pueden ser tóxicas para los microorganismos usados en la prueba de la DBO

4. Valores altos de DQO se pueden obtener por la presencia de sustancias inorgánicas con las cuales el dicromato puede reaccionar.

Sin embargo, es posible calcular la cantidad de orgánicos biodegradables presentes en el agua, esto se puede lograr restando el valor de la DBO al valor de la DQO.

5.5.3.3 Relaciones entre DBO y DQO

Dependiendo de la relación existente entre estos dos parámetros se puede hacer un análisis del tipo de tratamiento que se puede llevar a cabo en el agua residual. Así, por ejemplo tenemos que si la relación DBO5/DQO para aguas no tratadas es

mayor que 0.5, los residuos se consideran fácilmente tratables mediante procesos biológicos; para las aguas residuales provenientes del beneficio húmedo del café se han reportado índices de biodegradabilidad DQO/DBO de 1.5 a 2 (Rodríguez et al., 2000). Si la relación DBO/DQO es menor de 0.3, el residuo puede contener constituyentes tóxicos o se pueden requerir microorganismos aclimatados para su estabilización. A continuación se muestra una tabla de las relaciones anteriormente mencionadas:

Tabla 5.1 Comparación de varios parámetros utilizados para caracterizar aguas residuales

(Modificado de Crites y Tchobanoglous, 2000).

. TIPO DE AGUA RESIDUAL DBO/DQO

No tratada 0.3-0.8

Después de Sedimentación primaria 0.4-0.6

(34)

24

5.6 Normas oficiales mexicanas referentes a las aguas residuales

Básicamente consta de dos más importantes, la NOM-001-SEMARNAT-1996 y la NOM-003-SEMARNAT-1997. La primera establece que para uso en riego agrícola los límites máximos permisibles son como promedio diario 2 ml/L de sólidos sedimentables, 200 mg/L de SST y 200 mg/L de DBO5. Para protección de vida

acuática como promedio diario 2 ml/L de sólidos sedimentables, 60 mg/L de SST y 60 mg/L de DBO5. La segunda establece en el apartado de aguas de reúso con

servicios al público con contacto directo u ocasional como promedios mensuales en grasas y aceites 15 mg/L, 30 mg/L de DBO5 y 30 mg/L de SST.

5.7 Clasificación de los tratamientos de aguas residuales

En ingeniería ambiental el término tratamiento de aguas es el conjunto de operaciones unitarias de tipo físico, químico o biológico cuya finalidad es la eliminación o reducción de la contaminación así como la eliminación de las características no deseables de las aguas, bien sean naturales, de abastecimiento, de proceso o residuales (Muñoz, 2008).

El objetivo del tratamiento es producir agua residual ya limpia (o efluente tratado) sustituido por descargas o reutilizables hacia el ambiente; otro propósito de tratamiento implícito es el de cumplir con los reglamentos vigentes.

El grado de tratamiento requerido para un agua residual depende fundamentalmente de los límites de vertido para el efluente y es función de la capacidad de auto purificación natural del cuerpo receptor (Ramalho, 1993).

(35)

25

entre sí para constituir los así llamados tratamiento primario, secundario y terciario (o tratamiento avanzado).

5.7.1 Pretratamiento y tratamiento primario

Generalmente los pretratamientos implican el acondicionamiento de las aguas residuales para su descarga bien en los receptores o para pasar a un tratamiento secundario a través de una neutralización u homogeneización, que consiste en mezclar las corrientes, algunas de las cuales son ácidas y otras alcalinas, disponibles en la planta.

En el tratamiento primario predomina la acción de fuerzas físicas, estas operaciones se conocen como operaciones físicas unitarias. Los tratamientos primarios son los siguientes: el desbaste, mezclado, floculación-coagulación, sedimentación, flotación, transferencia de gases, desarenado, filtración, cribado y desaceitado. Estas operaciones tienen por objeto la eliminación de sólidos en suspensión, coloides, metales pesados y aceites y grasas.

5.7.2 Tratamiento secundario

(36)

26

5.7.3 Tratamiento terciario

El tratamiento avanzado se define como el nivel de tratamiento necesario, más allá del tratamiento secundario convencional, para la eliminación de constituyentes de las aguas residuales que merecen especial atención, como los nutrientes los compuestos tóxicos y los excesos de materia orgánica o de sólidos en suspensión. También se emplea el tratamiento avanzado para diversas posibilidades de reutilización de las aguas residuales para las cuales es preciso conseguir efluentes de alta calidad.

Algunos ejemplos incluyen procesos de oxidación (destrucción o transformación de materia orgánica y compuestos inorgánicos oxidables) y de reducción, procesos de precipitación química (eliminación de metales y aniones inorgánicos), arrastre con aire o vapor (stripping) para la eliminación de compuestos volátiles.

(37)

27

5.8 Operaciones y procesos unitarios que constituyen el sistema

de tratamiento propuesto

Las operaciones y procesos unitarios dentro del sistema de tratamiento de aguas residuales propuesto son: sedimentación, neutralización de pH, digestión anaerobia mediante un reactor metanogénico con placas horizontales y filtración.

5.8.1 Sedimentación

Operación física en la que se aprovecha la fuerza de la gravedad que hace que una partícula más densa que el agua tenga una trayectoria descendente,

Figura 5.4 Procesos propios de cada etapa de tratamiento (Analiza Calidad, 2013)

Sales disueltas Microcontaminantes Afino depuración Sólidos suspensión Coloides Aceites y grasas Metales Materia orgánica biodegradable TRATAMIENTO SECUNDARIO PRETRATAMIENTO Y TRATAMIENTO PRIMARIO TRATAMIENTO TERCIARIO Homogenización Neutralización Ajuste de pH Coagulación Floculación Sedimentación Flotación Desarenado Tratamientos biológicos Lodos activados Filtros biológicos Lagunaje Digestión anaerobia Procesos membrana Microfiltración Ultrafiltración Ósmosis inversa Electrodiálisis Pervaporación Intercambio iónico

Adsorción en carbón activado Procesos Redox

(38)

28

depositándose en el fondo del sedimentador. Se considera que una partícula ha sedimentado cuando llega a la superficie de sedimentación (fondo o placa paralela inclinada), en donde la velocidad de sedimentación no depende de la altura del sedimentador, sino del área superficial del equipo (Espinosa, 2012). Esta operación será más eficaz cuanto mayor sea el tamaño y la densidad de las partículas a separar del agua.

Si el agua no está en movimiento, la partícula en su descenso está sometida a las siguientes fuerzas: la gravedad que es proporcional al diámetro y peso de la partícula, el empuje del agua que es en sentido contrario a la gravedad, una fricción entre la partícula y el agua, que es en sentido contrario al movimiento de la partícula; el resultante de estas tres fuerzas determina la velocidad de sedimentación. En un equipo de sedimentación donde el agua entra y sale a una determinada velocidad, la partícula sólida en el interior del líquido está sometida a otra fuerza adicional, la de la bomba que la impulsa, por lo que la velocidad de sedimentación sigue siendo la resultante de esas diversas fuerzas, pero la trayectoria ya no es vertical hacia abajo, sino inclinada (Espinosa, 2012).

La forma de los equipos donde llevar a cabo la sedimentación es variable, en función de las características de las partículas a sedimentar (tamaño, forma, concentración, densidad, etc.). Se clasifican en sedimentadores rectangulares, circulares y lamelares.

(39)

29

Sedimentadores circulares: Son más habituales. En ellos el flujo de agua suele ser radial desde el centro hacia el exterior, por lo que la velocidad de desplazamiento del agua disminuye al alejarnos del centro del sedimentador. Esta forma de operar es adecuada cuando la sedimentación va acompañada de una floculación de las partículas, en las que el tamaño de flóculo aumenta al descender las partículas, y por lo tanto aumenta su velocidad de sedimentación.

Sedimentadores lamelares: Han surgido como alternativa a los sedimentadores poco profundos, al conseguirse una mayor área de sedimentación en el mismo espacio, puesto que Hazen propuso en 1909 que la acción de un tanque sedimentador depende de su área superficial y no de su profundidad. Consisten en tanques de poca profundidad que contienen paquetes de placas (lamelas) o tubos inclinados respecto a la base, y por cuyo interior se hace fluir el agua. En la superficie inferior se van acumulando las partículas, desplazándose de forma descendente y recogiéndose en el fondo del sedimentador.

Para tener una idea clara de cuál es el ahorro de espacio que se obtiene mediante el uso de este tipo de unidades con respecto a los convencionales cabe señalar que el área superficial del sedimentador de placas inclinadas es igual a la suma del área de cada placa inclinada proyectada sobre la horizontal (Figura 5.5), que es el área que necesitaría un sedimentador convencional para tener la misma eficiencia en la remoción de la turbidez.

(40)

30

un porcentaje de remoción de entre 70% a una separación entre platos de 50-50 mm a 100-100 mm con una inclinación de 60º.

Los sedimentadores laminares soportan de mejor manera el aumento de la carga superficial que los sedimentadores convencionales, teniendo menores perdidas de eficiencia cuando la carga superficial para la cual fueron diseñados aumenta (Martínez y Estrada, 2011).

5.8.2 Filtración

La filtración es una operación en la que se hace pasar el agua a través de un medio poroso, con el objetivo de retener la mayor cantidad posible de materia en suspensión. El medio poroso tradicionalmente utilizado es un lecho de arena, de altura variable, dispuesta en distintas capas de distinto tamaño de partícula, siendo la superior la más pequeña y de entre 0.15 y 0.3 mm. En aguas residuales se utilizan casi exclusivamente filtros de lechos porosos (grava, arena, tierra de diatomeas, carbón activado, antracita). Los filtros pueden ser de un solo lecho o combinados de varios lechos. El flujo del agua puede ser tanto de arriba hacia abajo como viceversa (Espinosa, 2012). Es una operación muy utilizada en el tratamiento de aguas potables, así como en el tratamiento de aguas para reutilización, para eliminar la materia en suspensión que no se ha eliminado en anteriores operaciones (sedimentación).

Figura 5.5 Comparación del área superficial de un sedimentador laminar y uno

(41)

31

La filtración es usualmente considerada como el resultado de dos mecanismos distintos, pero complementarios: Transporte y adherencia.

Los mecanismos que pueden realizar transporte son los siguientes:

 Cernido

 Sedimentación

 Intercepción

 Difusión

 Impacto inercial

 Acción hidrodinámica

Los mecanismos de adherencia son los siguientes:

 Interacción de las Fuerzas Electrostáticas y de Van der Waals

 Enlace químico entre las partículas y la superficie de los granos

Existen muchas maneras de clasificar los sistemas de filtración: Por gravedad o a presión, lenta o rápida, de torta o de profundidad. En este apartado se hablará de filtros lentos y rápidos de arena.

Filtros rápidos de arena. El principal carácter distintivo estos filtros, consiste en la eliminación de partículas en suspensión, relativamente grandes por procesos físicos, durante esta operación estos sólidos son acumulados en la parte superior del medio filtrante.

Filtros lentos de arena. El agua pasa por gravedad a través de la arena a baja velocidad, la separación de los materiales sólidos se efectúa al pasar el agua por los poros de la capa filtrante y adherirse las partículas a los granos de arena.

(42)

32

Depósito de agua sobrenadante. La principal función es mantener una constante columna de agua sobre el medio filtrante, esta columna de agua provee la presión que lleva el agua a través del filtro.

Cama de medio filtrante (usualmente arena). Dentro y sobre la cual los varios procesos de purificación tienen lugar.

Sistema de sub-drenaje. Tiene el doble propósito de soportar el medio filtrante mientras presenta la mínima obstrucción posible para que el agua emerja de la parte de abajo del lecho filtrante.

5.8.3 Adsorción

El proceso de adsorción consiste en la captación de sustancias solubles en la superficie de un sólido. Un parámetro fundamental es este caso será la superficie específica del sólido, dado que el compuesto soluble a eliminar se ha de concentrar en la superficie del mismo. Es considerado como un tratamiento de refino, y por lo tanto se ubica al final de los sistemas de tratamientos más usuales, especialmente con posterioridad a un tratamiento biológico. El sólido comúnmente utilizado en el tratamiento de aguas es el carbón activado.

(43)

33

Los factores que afectan el proceso de adsorción se presentan a continuación:

 Solubilidad Menor solubilidad, mejor adsorción

 Estructura molecular Más ramificada, mejor adsorción

 Peso molecular Grandes moléculas, mejor adsorción

 Polaridad Menor polaridad, mejor adsorción

 Grado de saturación Insaturados, mejor adsorción

Existen dos formas clásicas de utilización de carbón activo, con propiedades diferentes y utilizadas en diferentes aplicaciones:

Carbón activado granular (GAC). Se suele utilizar una columna como medio de contacto entre el agua a tratar y el carbón activado. El tamaño de partícula en este caso es mayor que en el otro. Se suele utilizar para eliminar elementos traza, especialmente orgánicos, que pueden estar presentes en el agua, y que habitualmente han resistido un tratamiento biológico, ya que son elementos, que a pesar de su pequeña concentración, en muchas ocasiones proporcionan mal olor, color o sabor al agua.

Carbón activo en polvo (CAP). Este tipo de carbón se suele utilizar en procesos biológicos, cuando el agua contiene elementos orgánicos que pueden resultar tóxicos. También se suele añadir al agua a tratar, y pasado un tiempo de contacto, normalmente con agitación, se deja sedimentar las partículas para su separación previa.

(44)

34

Las fuerzas de dispersión de London (Figura 5.7)son de muy corto alcance y, por tanto, sensibles a la distancia entre la superficie de carbono y la molécula adsorbida.

5.8.3.1 Isotermas de adsorción

Las relaciones de equilibrio entre adsorbente y adsorbato se describen mediante las isotermas de adsorción. Se establece el equilibrio de adsorción cuando la concentración de contaminante remanente en la solución se haya en equilibrio dinámico con la que hay presente en la superficie del sólido. Usualmente se emplean las isotermas de Langmuir y Freundlich.

La isoterma de Langmuir es un modelo teórico, el cual describe los datos experimentales producidos en el equilibrio en las superficies homogéneas, se utiliza para estimar la capacidad máxima de adsorción en la que se considera: a) la superficie del adsorbente que presenta sitios energéticos homogéneos, b) solamente una molécula puede ser adsorbida en un sitio y la adsorción sucede en una monocapa, c) no existen interacciones entre las moléculas adsorbidas.

La isoterma está representada por la ecuación 5.5, sin embargo usualmente se utiliza en su forma lineal (ecuación 5.6):

(5.5)

Figura 5.7 Acción de las fuerzas de dispersión

(45)

35

(

) (

)

(5.6)

Siendo:

 qm , la capacidad máxima de adsorción (mg/g)

 C, la concentración del adsorbato en el equilibrio (mg/L)

 K, constante de Langmuir de afinidad o energética (L/mg)

Isoterma de Freundlich es un modelo empírico, que representa el proceso de adsorción no ideal de formación de multicapas en superficies heterogéneas; considerando que los sitios de adsorción son ocupados primero por enlaces fuertes y que la fuerza del enlace decrece al incrementar la ocupación de sitios de adsorción; el modelo se expresa mediante la siguiente ecuación (5.7), sin embargo es común utilizar la forma lineal (ecuación 5.8):

(5.7)

(

)

(5.8)

Dónde:

 qe, es la cantidad de soluto adsorbido por unidad de peso del adsorbente en

el equilibrio (mg/g)

 Ce, concentración en equilibrio de la fase líquida (mg/L)

 k,indica la capacidad de adsorción en la fase de la solución (L/g)

 n, medición de la magnitud acumulativa y de la energía asociada con una reacción de adsorción particular.

5.8.3.2 Curva de ruptura

(46)

36

columna se utilizan gráficas de la variación de la concentración del soluto a la salida con el tiempo, estas gráficas son llamada curvas de ruptura (Figura 5.8) y su forma es característica, según el comportamiento de la adsorción (Tejeda et al., 1995).

Dentro de una columna de adsorción pueden distinguirse tres zonas: la zona de equilibrio (ZE) donde el adsorbente se encuentra en equilibrio con la concentración de soluto de la solución de entrada, la zona de transferencia de masa (ZTM) donde la concentración de soluto en el adsorbente varía a lo largo de la zona y la zona no utilizada (ZNU). Conforme transcurre la adsorción la ZE va ocupando toda la columna, la ZTM se acerca a la salida y la ZNU tiende a desaparecer (Tejeda et al., 1995).

5.8.4 Procesos biológicos anaerobios

El tratamiento anaerobio es un proceso biológico ampliamente utilizado en el tratamiento de aguas residuales y se considera apropiado cuando éstas tienen una alta carga orgánica, se presenta como única alternativa frente al que sería un costoso tratamiento aerobio puesto que se requeriría alto suministro de oxígeno. El tratamiento anaerobio se caracteriza por la producción del denominado “biogás”, formado fundamentalmente por metano (60-80%) y dióxido de carbono

(47)

37

(40-20%) el cual es susceptible de ser utilizado como combustible para la generación de energía térmica y/o eléctrica, otra característica importante es que solo una pequeña parte de la DQO tratada (5-10%) se utiliza para formar nuevas bacterias, frente al 50-70% de un proceso aerobio (Rodríguez et al., 2006). Sin embargo, la lentitud del proceso anaerobio obliga a trabajar con altos tiempos de residencia, por lo que es necesario diseñar reactores o digestores con una alta concentración de microorganismos. A todos estos reactores se les denomina de alta carga, dado que son los únicos que pueden tratar aguas con elevada carga orgánica de una forma viable.

5.8.4.1 Reactor anaerobio de placas horizontales

El reactor anaeróbico de placas horizontales o Anaerobic baffled reactor (ABR) es un digestor anaeróbico de alta velocidad que se ha utilizado para pretratamiento o como co-digestor de alta resistencia de efluentes industriales tóxicos. Su aplicación en el tratamiento de aguas residuales de baja intensidad ha sido probada en una escala de laboratorio y existen dos aplicaciones a gran escala para el tratamiento primario de las aguas residuales domésticas en Columbia.

Dicho reactor es similar en diseño y aplicación al reactor anaerobio de flujo ascendente de manto de lodos (RAFA), pero no requiere la formación de gránulos especiales para su funcionamiento (Barber y Stuckey, 1999).

(48)

38

Un buen contacto entre el flujo de las aguas residuales y la biomasa activa está asegurada por este diseño. En principio, todas las fases del proceso de degradación anaeróbica pueden proceder simultáneamente en cada compartimiento, sin embargo, el lodo en cada compartimiento será diferente dependiendo de las condiciones específicas del medio ambiente y sobre los compuestos o productos intermedios a degradarse.

La hidrodinámica y grado de mezcla que se producen dentro de un reactor de este diseño puede influir fuertemente en el grado de contacto entre el sustrato y las bacterias, por lo tanto es importante controlar la transferencia de masa y el rendimiento potencial del reactor. Los microorganismos en el reactor pueden elevarse suavemente y depositarse posteriomente debido a las características del flujo y de la producción de gas, sin embargo, su tasa de movimiento a lo largo del reactor es lento (Nguyen et al., 2010). La principal fuerza impulsora detrás del diseño del reactor ha sido la de mejorar la capacidad de retención de sólidos.

El diseño del reactor es simple, sin partes móviles o mecánicas mezclando, por lo que es relativamente económico de construir. No hay ningún requisito para la biomasa. La generación de lodos es baja y el tiempo de retención de sólidos (TRS) es alta, mientras que los tiempos de retención hidráulica (TRH) son bajos. Tampoco requiere la separación de gas.

Se ha encontrado que el reactor es estable a altas cargas orgánicas y al choque hidráulico ya que la configuración del reactor proporciona una protección de la biomasa a los compuestos tóxicos presentes en el afluente (Foxon et. al.,

2006).

(49)

39

5.8.5 Neutralización

La ostra como producto dominante de las explotaciones de moluscos es notable desde el punto de vista en el desarrollo económico, sin embargo, esta industria tiene un grave problema sobre la eliminación de conchas como residuos. Si estos residuos son dejados sin tratamiento durante mucho tiempo, puede ser una fuente de olor desagradable como consecuencia de la descomposición de la carne remanente unida a las ostras o la descomposición microbiana de sales en gases tales como NH3, H2S y aminas.

El contenido de la salinidad en conchas de ostras es de aproximadamente 0.35%, derivado de la proporción del peso total de la ostra con relación a la cantidad total de iones cloruro (Cl-). La concha de ostra está totalmente compuesta de CaCO3 (aproximadamente 96%) (Tabla 5.2) y otros minerales en menor

cantidad (Gil-Lim et al., 2003).

Tabla 5.2 Composición química de la concha de ostión (Gil-Lim et al., 2003).

CaCO3 SiO2(%) MgO(%) Al2O3(%) SrO(%) P2O5(%) Na2O(%) SO3(%)

Total

(%)

95.994 0.696 0.694 0.419 0.33 0.204 0.984 0.724 100.0

(50)

40

Debido al alto contenido de CaCO3 y un porcentaje de porosidad del 54.99

(Gil-Lim et al., 2003), puede ser utilizado para elevar el pH del agua cuando contengan valores bajos, o en su defecto neutralizarla, ya que tiene una superficie de contacto similar a la del carbón activado.

Ya que en su mayoría las conchas de ostión están constituidas de carbonato de calcio, dan lugar a la amortiguación automática de las aguas residuales del beneficio húmedo del café, ya que al reaccionar el carbonato de calcio con el ácido acético lo convierte en acetato de calcio elevando el pH de 3.8 a 6 (von Enden y Calvert, 2004); la reacción que se lleva a cabo es la siguiente:

(5.9)

5.9 Algunas investigaciones de importancia en el tratamiento de

aguas residuales

Tomando en cuenta algunas investigaciones referentes a tratamiento de aguas residuales, las que se mencionan a continuación sirvieron como antecedentes de este proyecto.

Abou-Elela et al. (2013). Diseño de un sistema para tratamiento de aguas residuales domésticas enfocado a pequeñas comunidades; combinaron el uso de un reactor HUASB (hybrid up-flow anaerobic sludge blanked), sedimentador de placas inclinadas y filtro lento de arena, la capacidad de la planta es de 7 m3 por día. Lograron una remoción de DBO del 86.6%, DQO 90.3% y SST del 96.8%. El agua de entrada tenía una DQO de 350 mg O2/L.

(51)

41

tiempo prolongado de inactividad. Evaluaron el proceso a 26 °C y dos tiempos de retención hidráulica de 24 y 12 horas, logrando remociones del 87.2% y 91% de DQO, respectivamente; así también alcanzaron una producción de biogás para metano (CH4) de 0.184 y 0.102 m3 CH4/Kg DQO, respectivamente. La reactivación

del proceso se hizo luego de 2 años alcanzando una remoción del 85.3%.

Orozco et al. (2005). Diseño de un sistema de tratamiento para aguas residuales domésticas y agua proveniente del beneficio húmedo del café de la Finca Argovia en Tapachula, Chiapas. La planta de tratamiento consistió en tres tanques de sedimentación, un tanque de amortiguamiento y dos reactores secuenciales por lotes (SBR); capacidad de carga contaminante de 15 000 mg O2/L y 10 m3 por día. Alcanzaron una remoción de 99 % de DQO y coliformes

fecales.

Fasinrimin y Olufayo (2009). Diseñaron una planta de tratamiento de aguas residuales domésticas de bajo costo, empleando una laguna facultativa y filtración con arena, grava y carbón activado. Lograron una reducción en cuenta viable en placa de 18 x 102 a 16 x 102 por 100 ml después de los primeros 28 días de tratamiento, y una reducción drástica 6.4 x 104 a 2.1 x 103 ufc/mL después de filtrar con arena grava y carbón activado.

(52)

42

CAPÍTULO 6 . METODOLOGÍA

6.1 Criterios de diseño de sedimentador de placas inclinadas

Dado que se buscaba optimizar el sistema desarrollado por Tacias (2012) que reportó la remoción de DQO en un sedimentador del 48±3.3%, se propuso el rediseño empleando placas inclinadas, esto debido a que, Cheng et al. (2009) reportaron un porcentaje de remoción de entre 50-70% a una separación entre placas de 50-50 mm a 100-100 mm con una inclinación de 60º, señalaron también que, el espacio entre las placas inclinadas afecta la eficiencia de remoción de sólidos suspendidos, puesto que cuanto menor sea el espacio entre placas, menor será la distancia de sedimentación de sólidos en suspensión, y la remoción de partículas suspendidas podría ser mejor. Yaksic y Ramírez (2005) también señalaron que las placas inclinadas aumentan el porcentaje de eliminación de sólidos en suspensión y que las placas inclinadas podrían acortar la distancia de la sedimentación e incrementar la velocidad de sedimentación.

Figura 6.1 Gráfica de sedimentación de acuerdo al tamaño de partícula (Kubesch et

(53)

43

El sedimentador tiene por objeto separar del agua cruda partículas inferiores a 0.2 mm y superiores a 0.05 mm, en un régimen laminar, tal y como se refleja en la Figura 6.1 y la ecuación que lo gobierna es la Ley de Stokes (ecuación 6.1).

(6.1)

Dónde:

 Vs: velocidad de sedimentación (m/s)

 G: Gravedad (m/s2)

 ρS: Densidad de la partícula (kg/m3)

 η: Viscosidad de la partícula (kg/m*s)

 d: Diámetro de la partícula (m)

Dado que estos tipos de datos, principalmente la densidad, viscosidad y diámetro promedio no son conocidos por su variabilidad, los datos de la Tabla 6.1 son ideales para obtener la velocidad de sedimentación, en base a lo expresado con anterioridad sobre los diámetros de partícula deseables a ser removidos en esta etapa.

Tabla 6.1 Relación del diámetro de partícula con la velocidad de sedimentación.

Diámetro partícula (mm) Velocidad de sedimentación (m/h)

0.15 40-50

0.20 65-75

0.25 85-95

0.30 105-120

(54)

44

Con el área superficial se propone el ancho del sedimentador (B), y con esto se establecen las relaciones para obtener las dimensiones del sistema; longitud (L) (ecuación 6.3) y altura (H) (ecuación 6.4). Con lo anterior se puede calcular el volumen total ocupado por las aguas (V) (ecuación 6.5):

(6.2)

Dónde:

 As: Área de sedimentación (m2)

 Q: Caudal (m3/s)

 Vs: Velocidad de sedimentación (m/s)

(6.3)

(6.4)

(6.5)

Esto representa las tres cuartas partes del volumen total del sistema (VT) de acuerdo a reglas heurísticas, y debe de ser aumentado un 25% para obtener el volumen total del sistema, este volumen corresponde a la altura del sistema.

Para conocer el tiempo de retención hidráulica del sistema (TRH) se lleva a cabo un análisis sobre la siguiente ecuación:

(55)

45

Dónde:

 TRH: Tiempo de retención hidráulica (h)

 V: Volumen del sedimentador (m3)

 Q: Flujo volumétrico (m3/h)

Con base a la ecuación 6.7 y los datos de la Tabla 6.2 se puede conocer el porcentaje de remoción aproximado:

(6.7)

Dónde:

 R: Porcentaje de remoción esperado DBO5 o STT (%)

 t: Tiempo de retención hidráulica (h)

 a y b: Constantes empíricas

Tabla 6.2 Constantes empíricas para la ecuación de porcentaje de remoción aproximado

R a b

DBO5 0.018 0.020

SST 0.0075 0.014

El dimensionamiento del sedimentador, se llevó a cabo a partir de la Ley de Stokes, se determinó una velocidad de sedimentación (Vs) de 2.7x10-4 cm/s, así también se tomó en cuenta el flujo de alimentación más elevado propuesto (0.34 L/h).

Se procedió al cálculo del área superficial a partir de la ecuación 6.2, dando como resultado:

 

 

2

3 3 4 0344 . 0 10 77 . 9 10 36 . 3 m hr m x hr m x

As

(56)

46

Con el área superficial se propuso un ancho del sedimentador (B) de 8.2 cm, y en base a las relaciones L/B = 4 se obtuvo una longitud (L) de 40.6 cm. Con la longitud anterior se calculó la altura (H) en base a la relación L/H = 5, obteniéndose una altura de 10.2 cm, siendo el volumen total ocupado por las aguas residuales (V) de 3.4 L. Se debe de tener un volumen de seguridad del 75%, obteniéndose un volumen final de 4.6 L con las siguientes dimensiones:

- Longitud: 43 cm - Ancho: 8.9 cm - Altura: 12 cm

El ancho de las 8 placas es de 8.9 cm de ancho x 8.3 cm de largo. En la Figura 6.2 se presenta el esquema en alzado del sistema.

En la Figura 6.3 se presenta el esquema transversal del sedimentador con placas inclinadas.

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Las variables a evaluar dentro del sedimentador fueron los siguientes:

 Variación de flujos: 0.34, 0.23 y 0.17 L/h para cumplir con los tiempos de retención hidráulica (TRH) de 10, 15 y 20 h respectivamente.

 Ángulos de inclinación de los deflectores: 55, 60 y 65 º

 Distancia de la separación entre deflectores: 5 y 10 cm.

Dando un total de 54 unidades experimentales contando las tres repeticiones. Se tuvo como variable de respuesta el porcentaje de remoción de la demanda química de oxígeno (DQO) a la salida del sistema. Se realizó un ANOVA simple para hacer una comparación de medias con el programa STATGRAPHICS CENTURION XVI.II.

Se realizó una estimación del porcentaje de la DBO5 y los sólidos

suspendidos totales (SST) que serán removidos en base a la ecuación 6.7 y la Tabla 6.2 con los tiempos de retenciones hidráulicas obtenidas con anterioridad:

 TRH 10 h: DBO5 = 45.87 %, SST = 67.80 %

 TRH 15 h: DBO5 = 47.16 %, SST = 68.97 %

 TRH 20 h: DBO5 = 47.85 %, SST = 69.57 %

Figure

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