TRATAMIENTO ANAEROBIO DE LAS AGUAS RESIDUALES DEL BENEFICIO DEL CAFE

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TRATAMIENTO ANAEROBIO DE LAS AGUAS RESIDUALES DEL BENEFICIO

DEL CAFE

BOGOTA

AGOSTO - 2009




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INDICE GENERAL

1. CONCEPTOS BASICOS SOBRE QUIMICA DEL AGUA 3

1.1 El Ciclo Hidrologico y las Aguas Naturales 3

1.2 El Agua Quimicamente Pura 4

1.2.1 Caracteristicas Fisicoquimicas 4

1.2.1.1 Turbiedad 4

1.2.1.2 Color 5

1.2.1.3 Olor y Sabor 6

1.2.1.4 Temperatura 6

1.2.2 Caracteristicas Quimicas 7

1.2.2.1 Potencial Hidrogeno (pH) 7

1.3 El Sistema Carbonatico 9

1.3.1 Alcalinidad 10

1.3.2 Acidez 10

1.3.3 Alcalinidad y Acidez de las Aguas Naturales 11

2. TRATAMIENTO ANAEROBIO 12

2.1 Oxidacion Biologica 12

2.2 Proceso Anaerobio 14

2.2.1 Hidrólisis 15

2.2.2 Acidogenesis 15

2.2.3 Acetogenesis 15

2.2.4 Metanogenesis 16

2.3 Parametros del Proceso Anaerobio 16

2.3.1 Temperatura 17

2.3.2 Nutrientes 17

2.3.3 pH 18

2.3.4 Alcalinidad al Bicarbonato 18

2.3.5 Acidos Grasos Volatiles (AGV) 19

3. TRATAMIENTO AEROBIO VERSUS TRATAMIENTO ANAEROBIO 20

4. TRATAMIENTO ANAEROBIO DE LAS AGUAS RESIDUALES DEL BENEFICIO DEL CAFE 24

4.1 Composicion del Agua Residual del Beneficio del Cafe 24

4.2 Programa experimental y resultados 26

4.3 Criterios de Diseño de Plantas Construidas en el Valle del Cauca 27

4.4 Arranque de los Sistemas Anaerobios 27




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1. CONCEPTOS BASICOS SOBRE QUIMICA DEL AGUA

1.1 El Ciclo Hidrologico y las Aguas Naturales

Las aguas naturales siempre contienen impurezas, a pesar de que

provengan de agua lluvia teoricamente pura. En el ciclo

hidrologico la evaporacion del agua hacia las nubes constituye un

proceso netamente purificador. Sin embargo, en su caida en forma

de lluvia, el agua inicia un proceso de contaminacion cuyo

resultado final dependera de las condiciones atmosfericas y

climaticas de la region en que caiga, de las caracteristicas

geologicas del terreno y de su distribucion como aguas

superficiales o subterraneas. El nivel de calidad del agua podra

ser modificado, ademas, como consecuencia de las actividades

humanas.

El agua lluvia esta saturada de oxigeno, nitrogeno y dioxido de

carbono y, en general, es ligeramente acida con un pH inferior a

6. La acidez puede verse incrementada por contaminantes

atmosfericos, principalmente oxidos de azufre y nitrogeno. Cuanto

mas acida sea el agua de lluvia, mas cfacilmente reaccionara con

los materiales geologicos con los que entra en contacto.

El agua lluvia infiltrada en el suelo puede aumentar su acidez

debido a los procesos biologicos, en particular la respiracion de

plantas y microorganismos que viven en la capa mas exterior. La

acidez tambien puede aumentar, aunque mas limitadamente, debido a

productos de descomposicion organica tales como acidos humico y

fulvico, captacion de nutrientes por raices y bacterias

nitrificantes.




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1.2 El Agua Quimicamente Pura

El agua pura, H2O, no existe en estado natural, sin embargo es

conveniente repasar algunas de sus propiedades fisicoquimicas para

comprender el complejo papel que juegan en muchos de los fenomenos

en que se manifiestan.

1.2.1 Caracteristicas Fisicoquimicas

Son aquellas que se pueden detectar con los sentidos, lo cual

implica que tienen incidencia directa sobre las condiciones

esteticas del agua. Las caracteristicas fisicas son la turbiedad,

el color, el olor y la temperatura.

1.2.1.1 Turbiedad

Es la propiedad optica de una muestra de agua para disipar y

absorver la luz en vez de transmitirla en linea recta. La

turbiedad es la expresion empleada para describir las particulas

no solubles de arcilla, limo, material mineral, basuras organicas,

plancton y otros organismos que impiden el paso de la luz a travez

del agua. La turbiedad es debida a particulas que estan en

suspensión o en estado coloidal (diametros menores a 10-3 mm) y que

comunicacn al agua la capacidad de diseminar un rayo de luz,

fenomeno optico que captamos como agua sucia o agua barrosa; como

la disemionacion es proporcional al tamaño de las particulas, se

dice que la turbiedad es una forma de medir la concentracion de

las particulas coloidales y suspendidas de un liquido.




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La turbiedad se expresa en unidades de turbiedad [UT]. La unidad

de turbiedad es una cantidad empirica que se basa en el

turbidimetro de bujia Jackson, y es la producida al agregar 1 mg

de silice (SiO2) a 1 Lt de agua destilada. En la actualidad se ha

generalizado al empleo de los turbidimetros basados en el

principio nefelometrico y la preparacion de patrones de turbiedad

con suspenciones de polimero de Formazina; en este caso, la

turbiedad se expresa en unidades nefelometricas [UNT], y el patron

es preparado con la mezcla de soluciones de sulfato de hidrazina y

hexametilentetramina. Desde el punto de vista fisico, la unidad de

turbiedad [UT] es equivalente a la unidad nefelometrica [UNT].

1.2.1.2 Color

A pesar de estar intimamente ligado a la turbiedad, puede

presentarse como una caracteristica independiente. El color incide

sobre el aspecto estetico del agua, quitandole transparencia.

Los colores mas comunes que se presentan en las aguas crudas, son

el amarillo y el café. A pesar de extensos estudios que se han

realizado, la estructura quimica fundamental de las moleculas

responsables del color es materia de contradiccion. Se mencionan

como causas del color los taninos, la lignina, el acido humico,

los polisacaridos y los acidos grasos, entre otros; no obstante lo

complejo del tema, se acepta quev el color del agua, excluyendo el

resultado de descargas industriales, proviene de la extraccion

acuosa de sustancias de origen vegetal vivo, de la solucion de

compuestos resultantes de la descomposicion de madera, de la

solucion de materia organica del suelo y de la presencia de

hierro, manganeso y otros compuestos metalicos; por esto, desde el

punto de vista de su naturaleza existen dos clases de color: el

organico y el inorganico.

Se reconocen ademas dos tipos de color: el color verdadero, es




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decir, el que presenta el agua despues de remover la turbiedad, y

que es resultado de la presencia de sustancias organicas,

disueltas o colidales; y el color aparente, debido a materia

suspendida.

El color se expresa en unidades de color [UC]. La unidad de color

es la que se optiene agregando 1 mg de Platino como cloroplatino

de potasio a 1 Lt de agua destilada.

1.2.1.3 Olor y Sabor

Se mencionan conjuntamente por estar intimamente relacionados.

Aunque ni el olor ni el sabor pueden ser directamente

correlacionados con la seguridad sanitaria de una fuente de

abastecimiento, su presencia puede causar rechazo por parte del

consumidor.

Los olores y sabores objetables se pueden deber al plancton, a

compuestos organicos generados por la actividad de bacterias y

algas, a vegetacion en putrefaccion y a desechos domesticos e

bindustriales.

1.2.1.4 Temperatura

El factor temperatura es importante porque actua como elemento que

retarda o acelera la actividad biologica, la absorcion de oxigeno

y bioxido de carbono de la atmosfera por el agua, e influye en la

proliferacion de algas y en la presipitacion de compuestos.

Ademas, afecta los procesos de tratamiento como la desinfeccion

con cloro, y por tener influencia sobre la viscosidad del agua,

incide tambien indirectamente en los procesos de mezcla rapida,

floculacion, sedimentacion y filtracion.




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1.2.2 Caracteristicas Quimicas

Por ser el agua un solvente universal, existe la posibilidad de

que una inmensa cantidad de elementos y compuestos esten presentes

en ella en forma de solucion; sin embargo, la gran mayoria de

estos no tienen mucho significado y es por esto que se consideran

algunos de ellos solamente, teniendo en cuenta su posible

prevalencia en el agua, los efectos adversos que pueden tener

sobre la salud, la influencia que tengan en los procesos de

tratamiento o las implicaciones de tipo economico.

1.2.2.1 Potencial Hidrogeno (pH)

Es un termino usado universalmente para expresar la intensidad de

las condiciones acidas o basicas de una solucion cualquiera, en

nuestro caso del agua, mediante la concentracion del ion

hidrogeno.

El agua se compone de dos atomos de hidrogeno y un atomo de

oxigeno, pero tiene la propiedad de ionizarse asi:

OHHOH 2

De acuerdo con la ley de accion de masas, la concentracion en

mil/lt de iones [OH-] y [H

+] con respecto a la concentracion de

[H2O] es igual a una constante para cada temperatura, de acuerdo

con la expresion:

KOH

HOH

2

.




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Como la concentracion de [H2O] es sumamente grande en comparacion

con la concentracion de [OH-]o[H

+], se puede considerar como

constante y la ecuacion anterior puede ser escrita asi:

KwHOH .

Donde:

Kw = Constante de ionizacion del agua

A 25ºC se determina por medion del electrodo de hidrogeno, que el

agua pura al ionizarse produce 10-7

mol/Lt de [OH-] y 10

-7 mol/Lt de

[H+].

1477 1010.10. HOH

La expresion de la concentracion de los iones [OH-] y [H

+] en

terminos de concentracion molar es escasamente utilizda. Para

obviar este problema se recurrio a la utilizacion de logaritmos, y

fue Sorenson en 1909, quien propuso expresar aquella concentracion

en terminos del logaritmo negativo.

pX = -logX

Al aplicarla a la ecuacion de la constante de disociacion del

agua, se optiene:

pH + pOH = pKw = 14

La escala de valores del pH mantiene cierta semejanza con un

termometro. La escala de un termometro mide la intensidad de

calor. La escala de valores de pH indica la intensidad de la




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acidez y de la alcalinidad y numericamente varia de 0 a 14.

Mientras mas fuerte es la intensidad de la acidez, menor es el

valor del pH. Un dato de pH da el correspondiente valor de la

concentracion del ion [H+] y por consiguiente el grado de acidez o

de alcalinidad que tiene el agua, pero no mide ni la acidez total

ni la alcaliniad total de la misma.

Cuando [H+] = [OH

-] se tiene:

pH = pOH

pH = pKw / 2 = 7

En una solucion acuosa donde [H+] = [OH

-] se dice que la solucion

es neutra. A 25 ºC la neutralidad se optiene a pH = 7. Valores de

pH por debajo de 7 significa que [H+] >>> [OH

-] y la solucion se

dice que es acida. Inversamente valores de pH por encima de 7

implica [OH-] >>> [H

+] y la solucion se dice que es basica o

alcalina. Es importante hacer notar sin embargo, que pH = 7

solamente representa neutralidad a 25ºC pues la escala de pH tiene

su origen en la ecuacion de Kw y esta depende de la temperatura.

1.3 El Sistema Carbonatico

El sistema carbonatico es el mas importante en las aguas

naturales. Las especies que constituyen dicho sistema son: el

dioxido de carbono CO2(g) gaseoso, el dioxido de carbono CO2(ac)

disuelto (acuoso), el acido carbonico H2CO3, el bicarbonato HCO3- y

el carbonato CO3=.




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1.3.1 Alcalinidad

Es la medida de la capacidad del agua para neutralizar acidez.

Puede considerarse tanbien como la presencia en el agua de iones

[OH-], [CO3

=] (carbonato) y [HCO3

-] (bicarbonato), los cuales tienen

la propiedad de reaccionar con los acidos neutralizandolos.

En forma natural, el agua puede adquirir alcalinidad al disolverse

el bioxido de carbono (CO2) en ella, el cual al disociarse produce

ion bicarbonato e ion carbonato, de acuerdo a las siguientes

ecuaciones:

3222 COHCOOH

332 HCOHCOH (primera disociacion)

33 COHHCO (segunda disociacio)

Se dice entonces que el agua tiene alcalinidad bicarbonacea o

alcalinidad carbonacea, según sea el caso.

1.3.2 Acidez

Es la capacidad que tiene el agua para neutralizar alcalinidad,

esto es iones del tipo [OH-], debido a la presencia de iones [H+].

El agua adquiere acidez en forma natural por la interaccion con la

atmosfera, desde la cual puede tomar bioxido de carbono (CO2),

dependiendo de ciertas condiciones de temperatura y presion, de la

siguiente manera:

322 )( COHoatmosfericCOOH




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1.3.3 Alcalinidad y Acidez de las Aguas Naturales

Con base en los conceptos anteriores se pueden definir los tres

tipos de alcalinidad del sistema carbonato. La alcalinidad

caustica (OH-) definida como:

323 2 COHHCOHOHOHdAlcalinida

Alcalinidad al carbonato:

32

2

3

2

3 2 COHHOHCOCOdAlcalinida

Y la alcalinidad total:

HOHCOHCOTotaldAlcalinida 2

33 2

Por otro lado, se pueden definir las tres definiciones

conceptuales de la acidez del sistema carbonato como:

Acidez mineral:

OHCOHCOHMineralAcidez 2

33 2

Acidez debida al dioxido de carbono:

OHCOHCOHCarbonodeDioxidoAcidez 2

332

Y la acidez total:

OHHHCOCOHTotalAcidez 3322




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2. TRATAMIENTO ANAEROBIO

El tratamiento biologico de aguas residuales supone la remocion de

contaminantes mediante actividad biologica. La actividad biologica

se aprovecha para remover principalmente sustancias organicas

biodegradables, coloidales o disueltas, del agua residual,

mediante su conversion en gases que escapan a la atmosfera y en

biomasa extraible mediante sedimentacion.

Existen cuatro grupos principales de procesos biologicos: procesos

aerobios, procesos anoxicos, procesos anaerobios y procesos

combinados.

2.1 Oxidacion Biologica

Al descargar residuos sobre un recurso hidrico o sobre el suelo se

crea, generalmente, un problema de control de calidad asociado con

las diferentes caracteristicas indeseables de los desechos, de las

cuales es muy importante la presencia de materia organica, la cual

OH-

CO3=

8.3 HCO3-

HCO3-

CO3=

1.5 H2CO3

Acidez Mineral




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es estabilizada biologicamente por los microorganismos en

condiciones aerobias o anaerobias.

La oxidacion biologica es la conversion bacterial de los elementos

de su forma organica a su forma inorganica altamente oxidada en un

proceso tambien conocido como mineralizacion.

La mineralizacion, o descomposicion microbiologica del material

organico de las aguas residuales en productos finales inorganicos

como dioxido de carbono, agua, nitrogeno amoniacal o nitratos,

ortofosfatos y sulfatos, es caracteristica de la oxidacion aerobia

de carbohidratos y lipidos; sin embargo, no se aplica mucho a

comp’uestos aromaticos que tienen alta masa molecular, alto estado

de oxidacion y son estables bioquimicamente como la lignina,

materia humica y muchos hidrocarburos aromaticos clorados.

Toda oxidacion supone la transferencia de electrones de una

sustancia reducida o donante de electrones a una sustancia

oxidante o aceptor de electrones.

La materia organica es el alimento o donante de electrones para

organismos vivos. Sin embargo, algunos materiales inorganicos

reducidos como el amoniaco, los sulfuros, el hierro ferroso y el

hidrogeno molecular pueden servir, para algunas bacterias, como

donantes de electrones, alimento o fuentes de energia.

La oxidacion organica puede visualizarse como una remocion de

electrones o atomos de hidrogeno de las moleculas organicas. En la

oxidacion aerobia, el oxigeno es el aceptor final de electrones y,

por tanto, es reducido, mientras que los donantes organicos e

inorganicos de electrones son oxidados. En la oxidacion anaerobia,

otros compuestos como los nitratos, los sulfuros y el CO2 pueden

servir como acptadores de electrones. El uso de sulfatos y el CO2




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como aceptadores de electrones requiere condiciones estrictamente

anaerobias.

Toda oxidacion requiere un agente oxidante o aceptador de

electrones y cualquier reduccion necesita un agente reductor o

donante de electrones. Las reacciones de oxidacion reduccion

biologica son reacciones de deshidrogenacion – hidrogenacion, en

las cuales el sustrato oxidable, materia organica, pierde

electrones en la forma de atomos de hidrogeno, es decir, es el

donante de hidrogenos y el agente oxidante es el aceptador de

hidrogeno o ganador de electrones.

La oxidacion de compuestos organicos involucra la remosion de

electrones del compuesto organico y su transferencia a un

aceptador de electrones, el cual sirve como agente oxidante y se

reduce en el proceso. En la mayor parte de los casos, cada paso

oxidante supone la perdida simultanea de dos electrones y de dos

protones del sustrato organico oxidable. O sea, la oxidacion de un

compuesto organico se realiza mediante la remosion de dos atomos

de hidrogeno, dos protones, y se llama, a veces, deshidrogenacion.

Por el contrario, la reduccion de un compuesto organico supone la

adicion de dos electrones, dos atomos de hidrogeno, dos protones,

y se denomina hidrogenacion.

2.2 Proceso Anaerobio

El proceso anaerobio o fermentacion lo definio Pasteur como la

vida sin aire. Es la descomposicion u oxidacion de compuestos

organicos, en ausencia de oxigeno libre, para obtener la energia

requerida para el crecimiento y mantenimiento de los organismos

anaerobios. El proceso anaerobio es menos eficiente en produccion

de energia que el aerobio, puesto que la mayoria de la energia

liberada en el catabolismo anaerobio proveniente de la sustancia




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descompuesta aun permanece en los productos finales organicos

reducidos como el metano, generandose una cantidad de biomasa

mucho menor que la producida en el proceso aerobio.

Para la digestión anaerobia de proteínas, carbohidratos y lípidos,

se distinguen cuatro etapas diferentes en el proceso global de

conversión:

2.2.1 Hidrólisis

Los sustratos complejos como celulosa, proteinas, lipidos, etc,

son hidrolizados en compuestos solubles como azucares, aminoacidos

y grasas por la accion de enzimas extracelulares de las bacterias

2.2.2 Acidogenesis

Los compuestos solubles son fermentados en Acidos Grasos Volatiles

(AGV) (Acido Acetico, Acido Propionico y Acido Butirico

principalmente), alcoholes, hidrogeno y CO2 , esta etapa se conoce

tambien como fermentativa.

2.2.3 Acetogenesis

Cuando se producen AGV distintos al acido acetico, se requiere la

conversion de aquellos ultimos, pues el entorno metabolico a

travez del cual se produce metano es muy limitado: acido acetico u

otros compuestos de un solo carbono (CO2 , formato, metilaminas,

metanol, CO). La conversion acetogenica del propionato es llevada

a cabo por la Syntrophobacter Wolinii. Los AGV con cuatro a siete

carbonos (C4 y C7) son degradados por la Syntrophomonas Wolfei.




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2.2.4 Metanogenesis

La reaccion terminal de la digestion anerobia es la Metanogenesis.

El acido acetico y el hidrogeno son tomados dentro de las celulas

bacteriales metanogenicas convirtiendolos en metano y excretandolo

fuera de la celula.

2.3 Parametros del Proceso Anaerobio

La masa de microorganismos responsables de la digestion anaerobica

necesita de condiciones favorables tanto ambientales como

nutricionales, ademas de las caracteristicas hidraulicas

Material orgánico en suspensiónMaterial orgánico en suspensión

proteínas, carbohidratos, lípidosproteínas, carbohidratos, lípidos

Aminoácidos, azúcares Acidos grasos

Productos intermedios

propionato, butirato, etc

Acetato Hidrógeno

Metano

HIDROLISISHIDROLISIS

ACIDOGENESISACIDOGENESIS

ACETOGENESISACETOGENESIS

METANOGENESISMETANOGENESIS

2140

39

34

5

20

66

11

34

23

35 128

20

11

7030

100% DQO




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apropiadas del reactor. Entre los parametros mas importantes

estan:

2.3.1 Temperatura

En el intervalo mesofilo (20-45ºC), la actividad y el crecimiento

de las bacterias disminuye en un 50% por cada 10ºC de descenso por

debajo de 35ºC, por ello cuando la temperatura desciende la carga

debe ser disminuida de acuerdo con el decremento en la actividad

esperada. No se debe aumentar la temperatura por envima de 45ºC,

pues ocurre un deterioro de las bacterias. La temperatura optima

para este intervalo se encuentra de 35 a 37ºC.

Tres rangos definidos de temperatura pueden ser distinguidos en el

tratamiento anaerobio:

Una digestión fría (psicrofílica), entre los 0ºC y 20ºC.

Una digestión mesófilica, entre 20ºC y 42ºC.

Una termofílica, por encima de los 42ºC hasta los 75ºC.

Los límites de estos rangos están definidos por la temperatura a

la cual la velocidad de decaimiento de la bacteria empieza a

exceder la velocidad de crecimiento. Si se tiene un agua residual

normal, el tratamiento termofílico podría consumir demasiada

energía y el psicrofílico podría consumir mucho espacio.

2.3.2 Nutrientes

La digestion anaerobia por ser un proceso biologico, requiere

ciertos nutrientes esenciales para el crecimiento. Se recomienda




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una relacion para los macronutrientes de DQO:N:P:S de 350:5:1:1

para sustratos no acidificados y de 1000:5:1:1 para sustratos

acidificados.

2.3.3 pH

Se recomienda mantenerlo en un intervalo de 6.5 a 7.5 unidades.

Cuando el pH es inferior a 6.0 ocurre una inhibicion de las

bacterias metanogenicas (pH 6.7-7.4), las bacterias fermentativas

se encuentran activas hasta pH 4.5, acumulandose los AGV, si no

hay suficiente alcalinidad, se produce un colapso del sistema. Un

pH alto es menos peligroso que un pH bajo, se ha encontrado que a

un pH = 10.6 ocurre una recuperacion rapida en la produccion de

metano.

Al producirse la acidificacion del agua miel, la proporcion entre

los AGV producidos depende del pH e operación. A pH bajo, la mayor

parte de los AGV son C3 y C4 , mientras que en condiciones de pH

neutros predomina el C2 facilitandose la fase metanogenica.

pH (%)C2 (%)C3 (%)C4

4.0 9 35 56

7.4 81 17 2

2.3.4 Alcalinidad al Bicarbonato

Es el sistema amortiguador mas importante en el proceso

anaerobico. Se recomienda que se halle entre 1500-4000 mg/lt de

CaCO3, para lograr amortiguar apropiadamente los incrementos en la

concentracion de los acidos grasos volatiles con una minima

reduccion en el pH.




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El nitrogeno amoniacal en concentraciones de 600-900 mg/lt

contribuye a la alcalinidad y por lo tanto a la estabilidad del

proceso, por encima de 1500 mg/lt, lo inhibe a altos valores de

pH.

2.3.5 Acidos Grasos Volatiles (AGV)

En condiciones normales la concentracion debe ser muy baja, su

incremento brusco en el efluente debe ser tenido en cuenta como

una señal de alarma, pues indica un desequilibrio en el sistema.

Debe mantenerse la concentracion de acido acetico por debajo de

200 gr HAc/m3 (3 meq/lt), por encima de 800 gr/m

3 significa falla

inminente del proceso.

En forma ionizada los acidos organicos no son toxicos para la

metanogenesis, pero al disminuir el pH estan menos ionizados

causando inhibicion de la actividad metanogenica, pues atraviesan

la membrana celular. La relacion AGV/Alcalinidad debe mantenerse

menor que 0.4, ademas si la relacion Acido Propionico/Acido

Acetico > 1.4 significa fallo inminente del sistema.




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3. TRATAMIENTO AEROBIO VERSUS TRATAMIENTO ANAEROBIO

A diferencia de los sistemas de tratamiento aerobio, las cargas de

los reactores anaerobios no están limitadas por el suministro de

ningún reactivo. Entre más lodo esté siendo retenido en el reactor

bajo condiciones operacionales, más altas son las cargas

potenciales del sistema, siempre y cuando un tiempo de contacto

suficiente entre el lodo y el agua residual pueda ser mantenido.

En la Figura siguiente se observa la representación esquemática de

los procesos de descomposición aerobios y anaerobios.

PROCESO

MATERIA ORGANICA

+

BACTERIAS

AEROBICAS

+

OTROS

MICROORGANISMOS

CALOR

O2 MICROORGANISMOS

NUEVOS

(sintetizados)

LODO

CO2 +

H2O

AEROBIA

MATERIA ORGANICA

+

BACTERIAS

ANAEROBICAS

+

OTROS

MICROORGANISMOS

(protozoarios y hongos)CALOR

ACIDOS

VOLATILES

90 %

CO2

+

CH4

etc

95 %

CELULAS NUEVAS

(sintetizadas)

10 %

CELULAS

NUEVAS

(lodo)

ANAEROBIA

El objetivo del tratamiento de las aguas residuales es la

prevención de la contaminación ambiental. Este fin debe ser

logrado con sistemas confiables y con los costos más bajos

posibles. Existe un número de razones para emplear sistemas de

tratamiento anaerobio de aguas residuales, entre otras:




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Con respecto al tratamiento de aguas residuales de mediana a

alta concentración (DQO> 1500 mg/l) el uso del tratamiento

anaerobio es significativamente más barato que el tratamiento

aerobio. La situación con respecto a desechos de baja

concentración, como desechos domésticos, depende mucho de la

temperatura del agua, a temperaturas bajo 12ºC la actividad

metanogénica puede hacerse tan baja que hace el tratamiento

anaerobio competitivo con el tratamiento aerobio para

aplicaciones a gran escala.

Se produce energía, esto es especialmente interesante con el

tratamiento de desechos altamente concentrados.

Se requiere menos área para la planta anaerobia en

comparación con la unidad de tratamiento aerobio. Importante

argumento para la aplicación en zonas urbanas.

La tecnología del tratamiento anaerobio es relativamente de

bajo costo en términos de equipos.

Los procesos anaerobios presentan las ventajas de no requerir

equipos para la aireación, tener limitada producción de lodos

de desecho y producir metano.




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Tratamiento aerobio versus tratamiento anaerobio

AEROBIO ANAEROBIO

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O

Gº = -2840 Kj/mol gluc

Mayor eficiencia de remoción.

Operatividad comprobada.

50% de C es convertido en CO2, 40-

50% es incorporado dentro de la

masa microbiana.

60% de la energía es almacenada en

la nueva biomasa, 40% es perdido

como calor.

Ingreso de elevada energía para

aireación.

Limitación de cargas orgánicas.

Se requiere adición de nutrientes.

Requerimiento de grandes áreas.

Sensible a economía de escala.

Periodos de arranque cortos.

Tecnología establecida.

C6H12O6 3 CO2 + 3 CH4

Gº = -393 Kj/mol gluc

Menor producción de lodos.

Menores costos de operación.

95% de C es convertido en biogas;

5% es transformado en biomasa

microbiana.

90% de la energía es retenida como

CH4, 3-5% es perdido como calor,

5-7% es almacenada en la biomasa.

No requiere de energía.

Acepta altas cargas orgánicas.

Degrada compuestos policlorados.

Requerimiento bajo de nutrientes.

Se requiere pequeña área

superficial.

Largos periodos de arranque.

Recientemente establecida, todavía

bajo desarrollo para aplicaciones

específicas.

Aunque los sistemas anaerobios de tratamiento de aguas residuales

son conocidos desde el siglo pasado, fueron considerados

ineficientes y lentos para la necesidad de tratamiento de los

crecientes volúmenes de aguas residuales, especialmente en áreas

industriales y densamente pobladas. Sin embargo recientes

desarrollos han demostrado que los procesos anaerobios son una




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alternativa económicamente atractiva para el tratamiento de

diferentes tipos de ARI y ARD en zonas semi-tropicales y

tropicales.

Beneficios y limitaciones del tratamiento anaerobio

BENEFICIOS LIMITACIONES

Baja producción de exceso de lodo

(estable).

Bajo requerimiento de nutrientes.

Sin requerimiento de energía para

aereación.

Producción de metano.

El proceso puede manejar

frecuentemente altas cargas de

alimentación.

El lodo anaerobio puede ser

preservado (inactivo) por muchos

meses sin serios deterioros.

Compuestos valiosos, como el

amonio, son conservados, lo que en

casos específicos puede

representar un beneficio (si la

irrigación puede ser aplicada).

Las bacterias anaerobias

(particularmente las

metanogénicas) son muy suceptibles

de inhibición por un gran número

de compuestos.

Si no se cuenta con lodo adaptado,

el proceso de puesta en marcha es

relativamente lento.

La digestión anaerobia normalmente

requiere de un adecuado post-

tratamiento para la remoción de la

DBO remanente, amonio y compuestos

de mal olor.

Existe poca experiencia práctica,

sin embargo la situación a este

respecto está cambiando

rápidamente.




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4. TRATAMIENTO ANAEROBIO DE LAS AGUAS RESIDUALES DEL BENEFICIO DEL

CAFE

4.1 Composicion del Agua Residual del Beneficio del Cafe

En la tabla No 1, se presentan los valores promedio de la

composicion del agua residual del beneficio del café.

Tabla No 1

Composicion del Agua Residual del Beneficio del Café

PARAMETRO VALOR UNIDAD

Temperatura 23 ºC

Color 137.5 Unidades

Turbiedad 1000 FTU

pH 4.7 Unidades

Conductividad 578.4 Mmhos/cm

Residuo total 741 mg/lt

Residuo no filtrable total 410 mg/lt

Residuo no filtrable

volatil

345 mg/lt

DQO 15450 mg/lt

DBO 6083 mg/lt

AGV 118.7 mg/lt

Carbono Organico Total 310

Durante el proceso de beneficio humedo del café, se efectuan tres

operaciones basicas que generan aguas residuales:

1. Despulpe




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2. Fermentacion

3. Lavado y clasificacion

Aproximadamente un 60% de la carga expresada como Kg DQO/dia

proviene del agua de despulpado y drenaje de la pulpa y un 40% de

la fermentacion, lavado y clasificacion del café.

En cuanto al consumo de agua, se usan en promedio 20 lt/Kg cps en

las operaciones de lavado y clasificacion y un volumen casi igual

en el despulpado, transporte de la pulpa y del café en baba.

La composicion quimica del agua residual y su alto contenido de

solidos solubles la hacen apropiada como sustrato de los sistemas

anaerobios de alta tasa. Es un agua residual biodegradable en casi

su totalidad durante la digestion anaerobia, mas del 80% de la DQO

se convierte rapidamente en metano, contiene basicamente acidos

organicos simples de pectina y azucares provenientes del mucilago.

Al producirse la acidificacion del agua miel, la proporcion entre

los AGV producidos depende del pH e operación. A pH bajo, la mayor

parte de los AGV son C3 y C4 , mientras que en condiciones de pH

neutros predomina el C2 facilitandose la fase metanogenica.

Tabla No 2

Porcentaje de AGV según el pH

pH (%)C2 (%)C3 (%)C4

4.0 9 35 56

7.4 81 17 2




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4.2 Programa experimental y resultados

En la tabla No 3, aparecen resumidos los resultados obtenidos

durante las investigaciones realizadas en un reactor anaerobio de

flujo ascendente, a nivel de laboratorio y a nivel de

beneficiadero.

Tabla No 3

Resumen de Estudio de Factibilidad FAFA

ITEM CARGA ORGANICA

(Kg DQO/m3/dia)

TRH

(Dias)

REMOCION DQO

(%)

Filtro Anaerobio

Laboratorio

0.07-12.5 6.7-1.4 68.3-97.9

Escala Real 1.00-3.50 2.8-1.8 38.0-86.9

En la tabla No 4, aparecen resumidos los resultados obtenidos

durante las investigaciones realizadas en un reactor UASB, a nivel

de laboratorio y a nivel de beneficiadero.

Tabla No 4

Resumen de Estudio de Factibilidad UASB

ITEM CARGA ORGANICA

(Kg DQO/m3/dia)

PRODUCCION

DE METANO

(m3/Kg DQO)

TRH

(Horas)

REMOCION DQO

(%)

UASB Laboratorio 0.20-17.0 0.30 96.0-4.0 93.1-81.0

Escala Real 3.35-8.60 0.30 17.0-8.0 90.3-71.6




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4.3 Criterios de Diseño de Plantas Construidas en el Valle del

Cauca

Tabla No 5

Criterios de Diseño con Costos

PREDIO LOCALIZACION PRODUCCION

CPS/año (@)

TANQUE

HOMOGENIZACION

(m3)

REACTOR

UASB

(m3)

FAFA

(m3)

COSTO

MILLONE

S ($)

AÑO

Ambichinte Dagua 4000 10 24 - 1.2 1985

Los Seis Timbio 2400 22 17 - 2.0 1989

La Camelia Sevilla 7500 37.5 19 19 2.7 1991

Altagracia Ansermanuevo 4000 20 10 8 1.8 1991

Cider Trujillo 700 3.5 4 2 0.7 1991

El Cipres El Dovio 300 2 - 3.5 0.3 1991

4.4 Arranque de los Sistemas Anaerobios

El proceso anaerobio necesita de un periodo de arranque antes de

llegar a su capacidad de diseño. Las bacterias metanogenicas

tienen que adaptarse al nuevo ambiente y su concentracion debe

aumentar progresivamente.

Deben tenerse en cuenta las siguientes observaciones:

La cantidad de inoculo en el reactor debera tener minimo

entre 10-15 Kg SSV por m3 de reactor. Este volumen incluye

todo el reactor.

La capacidad oorganica inicial, debe ser baja dada la baja

capacidad metanogenica de los inoculos normailmente

disponibles. Se recomienda usar no mas de 0.1 Kg DQO/Kg SSV-

dia (0.20 Kg DQO/m3-dia) o un tiempo minimo de retencion de

24 horas.




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La calidad del inoculo es muy importante, este debe tener

buenas caracteristicas de sedimentacion para evitar arrastre

y una actividad metanogenica lo mas alta posible.

Tabla No 6

Valores caracteristicos de Diferentes Lodos

CARACTERISTICAS ESTIERCOL

DIGERIDO

LODO

TANQUE

SEPTICO

LAGUNA

ANAEROBIA

ESTIERCOL

VACUNO

Actividad

metanogenica (Kg

DQO/Kg SSV-dia)

0.02-0.08 0.01-0.07 0.04-0.07 0.12

Sedimentabilidad +/- Buena +/- +/-

Flotacion Problema Problema +/- Problema

Arrastre Si No +/- Si

Disponibilidad +/- +/- +/- Buena

SSV (gr/lt) 20-80 10-50 20-50 30-100

La carga organica no debe aumentar hasta tanto los acidos

grasos volatiles esten desagregados en mas del 80%. El valor

maximo recomendado de AGV en el efluente es de 200 mg/lt como

acido acetico (3 meq/lt).

La alcalinidad al bicarbonato en el reactor debe estar entre

1500-4000 mg/lt de CaCO3 por ello es necesario agregarla ya

que el agua residual del beneficio del café posee valores

muy bajos, pues el agua esta parcialmente acidificada en

forma natural debido a las bacterias fermentativas presentes

en la pulpa, por lo tanto el pH de la solucion es bajo

debiendo neutralizarse el agua antes de entrar al reactor. Se

puede usar para ello soda comercial, supercal, ure, etc,




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adicionando la solucion basica en el tanque de homogenizacion

hasta alcanzar un pH superior a 6.5 unidades. La tabla No 7

presenta la cantidad de Soda (NaOH) que debe ser agregada

según su concentracion de DQO.

Tabla No 7

Consumo de Soda

CANTIDAD SODA (Kg) DQO (gr/lt) mgNaOH/grDQO

0.3 0.571 52.5

0.5 0.789 63.3

0.7 0.960 72.9

1.2 1.580 75.9

1.4 1.813 77.2

1.7 2.030 83.7

2.3 2.604 88.3

3.1 3.375 91.8

3.7 3.960 93.4

*Se prepara una solucion de Soda al 10%

La relacion carbono, nitrogeno, fosforo debe ser minima de

350:5:1 .

Se debe aumentar la carga organica de una manera escalonada,

tratando de mantener una remocion de DQO entre 80-90%. No se

debe usar remociones inferiores al 50% para incrementar su

carga.




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El aumento de la carga organica debe hacerse tan rapido como

sea posible con el objeto de lograr una buena selectividad

del lodo, al aumentar la carga organica durante el arranque

los SSV dentro del reactor van disminuyendo.

El arranque si se lleva con cuidado utilizando un inoculo de buena

actividad y dependiendo de la carga organica que se quiera

alcanzar lleva de uno a tres meses.

TRATAMIENTO ANAEROBIO DE LAS AGUAS RESIDUALES DEL BENEFICIO DEL CAFE

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