tratamiento anaerobio de las aguas residuales del beneficio del cafe
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TRATAMIENTO ANAEROBIO, AGUAS RESIDUALES,TRANSCRIPT
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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.