Tesis Menor Gieljam Schutgens

Transcripción

TRATAMIENTO ANAERÓBICO DE AGUAS MIELES
UN ESTUDIO DEL MONITOREO Y POSIBILIDADES DE APLICACIÓN DE BIOGÁS EN LA FINCA EL
SOCORRO, MATAGALPA, NICARAGUA
Gieljam Schutgens
Agosto 2010
2
UN ESTUDIO DEL MONITOREO Y POSIBILIDADES DE APLICACIÓN DE BIOGÁS EN LA FINCA EL SOCORRO, MATAGALPA, NICARAGUA
3
COLOFÓN
Lugar y fecha:
Periodo:
Institución:
Teléfono:
E-mail:
Universidad:
Facultad:
Supervisor de Tesis:
Teléfono:
E-mail:
Supervisor de institución:
Teléfono:
E-mail:
Estudiante de maestría:
Student nr.
E-mail:
Teléfono:
Delft, Agosto 2010
Noviembre 2009 - Marzo 2010
DIMGARENA, Dirección Municipal de Gestión Ambiental y Recursos
Naturales de la Alcaldía de Matagalpa
+505 27720162
[email protected]
Universidad Tecnológica de Delft
Facultad de Ingeniería Civil y Ciencias geológicas
Stevinweg 1,
2628 CN Delft, Países Bajos
Dr. PhD. Ir. Jules van Lier
+31 (0)15 278 1615
[email protected]
Ir. Roger Iván Rodriguez
+505 2772 8175 / 8618 3875
[email protected]
Gieljam Schutgens
1227866
[email protected] or [email protected]
+31 (0) 626038430
Proveedor de tesis:
Aqua for all (A4A)
En cooperación con:
Alcaldía de Matagalpa (Secretaria Ambiental), Matagalpa, NI
Lettinga Associates Foundation (LeAF), Wageningen, NL
Waterschap De Dommel, Boxtel, NL
Waterschap De Stichtse Rijnlanden, Houten, NL
© Copyright by Gieljam Schutgens, 2010
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5
PREFACIO
Después de terminar el grado de Ingeniería Civil mi interés en la purificación de agua aumentó. Esta fue la
razón por la cual decidí unirme a las clases de maestría de ingeniería Sanitaria. Esta maestría forma parte de la
rama de especialidades: Manejo Integral de Aguas, en la Universidad Tecnológica de Delft, Países Bajos. Luego
de haber hecho una pasantilla en una planta potabilizadora en Panamá, me llamó la atención explorar el aérea
de tratamiento de aguas residuales. De esta manera se dio una oportunidad de participar en una
pasantilla/tesis menor en Nicaragua. De particular interés me pareció el objetivo del proyecto, que es el de
mejorar la calidad y cantidad de agua disponible para la ciudad de Matagalpa, Nicaragua.
El estudio conducido en Matagalpa es parte del programa Agua para Todos, Agua para Siempre, iniciativa de
Aqua for All. El programa es financiado por parte de Stichting Nederlandse Waterschap Bank (NWB), DGIS y la
municipalidad de Matagalpa. Soporte técnico es impartido por parte de las autoridades de agua Waterschap de
Dommel y Hoogheemraadschap Stichtse Rijnlanden, de Lettinga Associates Foundation (LeAF), por parte de
estudiantes de diferentes universidades holandesas y permanentemente por parte de ingenieros nicaragüenses
de la Dirección de Gestión Ambiental y Recursos Naturales (DIMGARENA) durante un periodo de
aproximadamente 4 años (2007-2011). El programa se enfoca en tres aéreas, que son: “Agua Potable y
Saneamiento”, “Manejo integrado de Cuencas” y “Tratamiento de aguas mieles”.
Esta tesis tiene como propósito dar una respuesta a la interrogante que se da muchas veces en la ingeniería
sanitaria: ¿Es posible implementar con éxito sistemas anaeróbicos para tratamiento de aguas negras, en este
caso específicamente aguas mieles del café en países en vías de desarrollo? Esta tesis se elabora dando una
pequeña explicación de la manera en que se procesa el café desde la uva hasta el grano oro. Después se explica
cual es la manera en la cual las aguas mieles son tratadas a fin de que las consecuencias negativas de las
mismas puedan ser reducidas en la finca El Socorro, Matagalpa, Nicaragua. El monitoreo de un tratamiento
anaeróbico es descrito en esta tesis y forma la base para dar recomendaciones y sacar conclusiones de la
pregunta principal. Además, también se menciona la producción esperada de biogás en esta planta y cuáles
podrían ser algunas aplicaciones beneficiosas para la finca.
El trabajo presentado a continuación no hubiera sido posible sin la noble amabilidad de varias personas: entre
otras el ingeniero Roger Iván Rodríguez quien fue de principal ayuda durante mi investigación. Juana María
García y pasantes: Ana Luquez y Katia Linarte quienes me ayudaron en el laboratorio y en el campo. A los
trabajadores de la finca Constantino Rodríguez, Pedrito y José y a Don Raúl, propietario de la finca donde se
tomaron los datos. Además, amigos de la Iglesia Adventista de Matagalpa y muchos otros quienes hicieron de
mi estadía en Nicaragua una etapa alegre y amena. A todos ellos les estoy muy agradecido porque con su
experiencia, paciencia y espíritu motivador contribuyeron en mayor o menor grado a mi investigación.
Igualmente quiero expresar mi aprecio hacia los doctores Joost Jacobi, Oscar van Zanten y Tonny Oosterhof
quienes siempre estuvieron prestos a ayudarme. Al doctor Jules van Lier también le agradezco por sus consejos
en la parte teórica de la investigación.
6
7
RESUMEN
Con el fin de alcanzar los objetivos de desarrollo del Milenio de las Naciones Unidas diferentes iniciativas han
sido establecidas a nivel mundial. Una de estas iniciativas ha sido desarrollada en Matagalpa, Nicaragua. En el
programa Agua para Todos – Agua para Siempre diferentes instituciones han unido sus fuerzas con el objetivo
común de proveer agua potable y saneamiento a una gran parte de la población de Matagalpa y sus zonas
aledañas. Une de las maneras en cómo este objetivo espera lograrse es por medio de la instalación de plantas
de tratamiento de aguas residuales demostrativas con el fin de reducir la contaminación producida por la
industria cafetalera. Esta industria es, en la actualidad, la mayor causa de contaminación de fuentes de aguas
en la provincia de Matagalpa. Por lo mismo un nuevo tratamiento anaeróbico hibrido ha sido diseñado: la
Laguna Anaeróbica Mejorada (LAM).
Uno de los principales objetivos de esta tesis es dar conocimiento de la manera en la cual un sistema tal trabaja
y también recomendar a cafetaleros desde que tamaño de configuración tiene beneficios instalar sistemas
LAM. Además las posibilidades de integrar el uso del biogás producido localmente es una pregunta que es
discutida en esta tesis menor. Con este fin un sistema LAM ha sido instalado en una finca mediana-pequeña en
la finca El Socorro.
En el periodo de Noviembre 2009 a Enero 2010, mediciones fueron hechas de parámetros claves en El Socorro
que indican el funcionamiento de la LAM. Así también del pre tratamiento como del post tratamiento. En
cosechas anteriores estudiantes han trabajado, entre otras cosas, en la caracterización de las aguas mieles del
café. Estos datos, juntos con los datos obtenidos durante la última cosecha, ayudarán en proveer respuestas a
las preguntas planteadas con anterioridad.
Durante el trabajo de campo se encontraron unas restricciones que disminuyeron la cantidad de datos que se
habían anticipado anteriormente. Sin embargo, con la información recolectada fue obvio que en la última
cosecha la falta de cal afectó seriamente el proceso de funcionamiento en la biomasa en el sistema LAM.
Debido a este hecho probablemente no hubo ninguna producción de biogás. La producción de biogás que
debió ser medida durante este trabajo de campo no se pudo medir debido a prolongados retrasos que no
permitieron la construcción de la captación del biogás. Por esta razón muchos cálculos y supuestos son
necesarios con el fin de dar solución a las preguntas planteadas al comienzo de la tesis.
A partir de las mediciones se vio que el pH de las aguas mieles tenían un valor medio de 4.9. Para poder elevar
este valor se necesita una base que pueda neutralizar la acidez de las aguas mieles. En esta tesis dos bases se
analizaron: hidróxido de calcio y carbonato de calcio. De estas dos bases se puede extraer la conclusión que
carbonato de calcio, aun cuando este tiene que ser aplicado en mayor cantidad, tiene la preferencia debido a
los bajos costos (US$ 0.49 más barato por quintal oro producido).
La producción estimada de biogás, la cual en gran manera había sido basada en supuestos de las aguas mieles,
es mucho menor cuando las mediciones realizadas en la última cosecha son usados para calcular la producción
de biogás. Por lo mismo en vez de 17.5 m3/d CH4 anticipado, solo 2.4 m3/d pudieron haberse producido en la
última cosecha. Esta producción no es suficiente para usar motores y en el mejor de los casos es sólo suficiente
para cocinar. En caso la aplicación de cocina no está disponible entonces la única opción que queda es la de
quemar el biogás.
Al fin de esta tesis una gráfica es presentada en la cual cafetaleros pueden obtener una impresión de qué tan
exitosa puede ser la aplicación de un sistema LAM en sus fincas, no solo para prever multas (dándole
tratamiento a las aguas mieles), sino también al revertir ganancias por medio de la producción de biogás.
8
9
LISTA DE ABREVIATURAS
A4A
APT-APS
DIMGARENA
FAO
INE
INEC
LeAF
MARENA
MIFIC
MINSA
OMS
Aqua for all
Proyecto Agua para Todos – Agua para Siempre
Dirección Municipal de Gestión Ambiental y Recursos Naturales (Nicaragua)
Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación
Instituto Nicaragüense de Energía
Instituto Nacional de Estadísticas y Censos
Lettinga Associates Foundation (ONG)
Ministerio de Ambiente y de Recursos Naturales (Nicaragua)
Ministerio de Fomento, Industria y Comercio (Nicaragua)
Ministerio de Salud (Nicaragua)
Organización Mundial de la Salud
AGV
DA
DBO
DQO
DQOrem
Lata
LAM
LAR
Manzana
Mc
m.s.n.m.
PPT
Q
QQ
QQoro
QQper
Repela
TAAR
TAR
TCAR
Vm
Ácidos Grasos Volátiles (mg/l)
Digestión Anaeróbica
Demanda biológica de oxígeno (mg/l)
Demanda química de oxígeno (mg/l)
DQO removido (mg/l)
Unidad de medida (20 latas = 1 QQoro)
Laguna anaeróbica mejorada
Laguna anaeróbica rústica
≈ 0.7 hectáreas
Muestra compuesta
Metros sobre el nivel del mar
Pila de pre tratamiento
Flujo o corriente
Quintal (45.3 kg)
Quintal oro
Quintal pergamino
Cortada de los últimos granos en la cosecha que no se maduraron completamente
Tratamiento anaeróbico de aguas residuales
Tratamiento de aguas residuales
Tratamiento convencional de aguas residuales
Volumen molar de gas
10
11
ÍNDICE
1.
2.
3.
4.
5.
Introducción .................................................................................................................................................. 13
1.1
Información general ............................................................................................................................ 13
1.2
Definición del problema ...................................................................................................................... 14
1.3
Objetivos de la investigación ............................................................................................................... 15
1.4
Preguntas de la investigación .............................................................................................................. 15
1.5
Área de estudio.................................................................................................................................... 15
1.6
Restricciones del estudio ..................................................................................................................... 16
1.7
Estructura del informe......................................................................................................................... 16
Proceso del café ............................................................................................................................................ 17
2.1
Importancia del café ............................................................................................................................ 17
2.2
Arbusto del café................................................................................................................................... 18
2.3
Fruto del café....................................................................................................................................... 18
2.4
Beneficios ............................................................................................................................................ 19
2.4.1 Beneficio seco ................................................................................................................................. 19
2.4.2 Beneficio húmedo ........................................................................................................................... 19
2.4.3 Uso de agua en el beneficio húmedo .............................................................................................. 20
2.4.4 Deshechos del procesado húmedo de café..................................................................................... 21
2.4.5 Caracterización de aguas mieles ..................................................................................................... 22
2.5
Normas para aguas residuales de café en Nicaragua .......................................................................... 22
2.6
Impactos de la industria cafetalera en los ecosistemas ...................................................................... 23
Sistemas de tratamiento de aguas residuales............................................................................................... 24
3.1
Tipos de tratamientos de aguas residuales ......................................................................................... 24
3.2
Tratamiento físico - químico................................................................................................................ 24
3.3
Tratamiento biológico ......................................................................................................................... 25
3.3.1 Lagunas aeróbicas ........................................................................................................................... 25
3.3.2 Lagunas facultativas ........................................................................................................................ 25
3.3.3 Lagunas anaeróbicas ....................................................................................................................... 26
3.4
Importancia de sistemas anaeróbicos ................................................................................................. 26
3.5
Principios generales de digestión anaeróbica ..................................................................................... 26
3.6
Aplicación de sistemas anaeróbicos .................................................................................................... 27
3.6.1 Aplicaciones generales .................................................................................................................... 27
3.6.2 Reactor anaeróbico de flujo ascendente (UASB) ............................................................................ 28
3.6.3 Filtro anaeróbico de flujo ascendente (FAFA) ................................................................................. 29
3.6.4 Reactor anaeróbico de lechos fluidizados (RALF) ........................................................................... 29
Laguna Anaeróbica Mejorada (LAM)............................................................................................................. 30
4.1
Desarrollo del Sistema LAM................................................................................................................. 30
4.2
El Sistema LAM .................................................................................................................................... 30
4.2.1 Medidas del Sistema LAM ............................................................................................................... 30
4.2.2 Sistema de Tratamiento en Finca El Socorro................................................................................... 31
4.3
Trabajo de la LAM................................................................................................................................ 31
4.3.1 Parámetros Necesarios para Monitorear Sistemas de DA .............................................................. 31
4.3.2 Características del Agua Miel que Afectan los Sistemas de DA....................................................... 33
4.3.3 Corrección de pH............................................................................................................................. 34
4.3.4 Producción de Biogás (teoría) ......................................................................................................... 36
4.4
Biogás .................................................................................................................................................. 37
4.4.1 General ............................................................................................................................................ 37
4.4.2 Captura del Biogás y su Sistema de Transporte .............................................................................. 37
4.4.3 Utilización del Biogás....................................................................................................................... 38
4.4.4 Efecto Perjudicial de H2S ................................................................................................................. 38
4.4.5 Desulfuración .................................................................................................................................. 38
4.4.6 Impactos en la Cultura, Salud y la Educación .................................................................................. 39
4.5
Post Tratamiento de las Aguas Mieles................................................................................................. 40
Laguna Anaeróbica Mejorada (LAM)............................................................................................................. 41
12
5.1
Cosecha 2009/2010 ............................................................................................................................. 41
5.2
Muestreo de Agua Miel ....................................................................................................................... 42
5.2.1 Resultados del Muestreo de Agua Miel .......................................................................................... 42
5.3
Eficiencia del Sistema LAM .................................................................................................................. 43
5.3.1 Remoción de DQO........................................................................................................................... 43
5.3.2 Valores de pH .................................................................................................................................. 44
5.3.3 Nitrógeno ........................................................................................................................................ 44
5.3.4 Fósforo ............................................................................................................................................ 45
5.3.5 Requerimiento de Nutrientes ......................................................................................................... 45
5.3.6 Carbono Orgánico Total (COT) ........................................................................................................ 45
5.3.7 Factores que Contribuyeron a un Mal Funcionamiento del Sistema LAM...................................... 45
5.4
Eficiencia del Sistema LAR ................................................................................................................... 46
5.4.1 Remoción de DQO........................................................................................................................... 46
5.4.2 Remoción de Nitrógeno .................................................................................................................. 47
5.4.3 Remoción de Fósforo ...................................................................................................................... 47
5.4.4 Remoción de COT ............................................................................................................................ 47
5.5
Biofiltro ................................................................................................................................................ 48
5.6
Eficiencia de Distintos Parámetros ...................................................................................................... 48
5.7
Producción de Biogás .......................................................................................................................... 48
5.7.1 Posibilidades para Aprovechar el Biogás en la Finca El Socorro...................................................... 50
5.8
Economía de Escalas............................................................................................................................ 52
5.8.1 Costos de Inversión ......................................................................................................................... 52
5.8.2 Costos de Operación ....................................................................................................................... 53
5.8.3 Ganancias por el Biogás .................................................................................................................. 53
5.8.4 Punto de Equilibrio.......................................................................................................................... 54
6. Conclusiones ................................................................................................................................................. 56
7. Recomendaciones ......................................................................................................................................... 57
13
1. INTRODUCCIÓN
En este capítulo se presenta primeramente información general de Nicaragua y más específicamente de
Matagalpa. Luego los objetivos de la investigación son presentados. Seguidamente las preguntas de la
investigación son hechas. Además, el área de estudio es delineado junto con el alcance de la investigación.
Finalmente la estructura de la tesis es presentada.
1.1 INFORMACIÓN GENERAL
El estudio realizado en esta tesis menor se llevo a cabo en la ciudad de Matagalpa, Nicaragua (véase figura 1.1).
Esta ciudad está localizada en la zona septentrional de Nicaragua en el así mismo llamado departamento de
Matagalpa que se encuentra en la zona más montañosa
del país. La altura oficial de la ciudad de Matagalpa es
de 681 m.s.n.m. La temperatura en Matagalpa oscila
I
entre los 16° y los 25° centígrados . Su clima se
caracteriza
como
subtropical
teniendo
una
precipitación promedio anual de 1469 mm mientras
que la mayor parte de la precipitación cae en los meses
de Mayo a DiciembreII.
El departamento de Matagalpa es el segundo
departamento del país en términos poblacionales y
productivos. La población del departamento alcanzaba
en el censo del año 2005 los 469 172 habitantes,
mientras que en la ciudad se contabilizaron 133 416
III
habitantes . La principal fuente de ingresos para el
departamento es la producción del café. Debido a su
zona montañosa, se puede cultivar un buen tipo de
Figura 1.1, Nicaragua (Fuente: http://maps.google.nl)
café. El 80% de la producción total de café, proviene de
los departamentos de Jinotega y Matagalpa. Además, la producción de maíz y frijol vienen a complementar la
economía de la región.
Al noreste de la ciudad se encuentran dos sub-cuencas: la de Molino Norte y la de San Francisco (véase fig. 1.2).
Figure 1.2 Localización de las cuencas de Molino Norte y San Francisco
I
II
Alcaldía de Matagalpa
IRENA, 1992
INEC, 2006
III
14
Los ríos que drenan estas dos sub-cuencas confluyen en lo que da a llamarse el Rio Grande de Matagalpa que
pasa por la ciudad y que finalmente va a desembocar en la costa Atlántica del país a unos 20 kilómetros al
norte de Laguna de Perlas.
1.2 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
El agua potable para la ciudad de Matagalpa era extraída anteriormente de los ríos San Francisco y Molino
Norte. Dada la alta contaminación en el rio San Francisco esta fuente de agua dejo de utilizarse. En gran parte
la contaminación se debe a las aguas mieles del café (aguas residuales del lavado y despulpado de café),
mientras que también aguas residuales domésticas no tratadas y la cría de ganado contribuyen a la
contaminación.
En el año 2003 se terminó de construir el proyecto MaJiCo que provee agua potable para Matagalpa y Jinotega
usando como fuente el agua subterránea del valle de Sébaco (por medio de pozos)IV. Actualmente el agua
potable que consume la población Matagalpina viene en un 58% de Sébaco y en un 42% del rio Molino Norte.
El hecho de que el agua potable tenga que ser transportada unos 23 km de distancia y bombeada a unos 200 á
300 metros de altura hace que el agua de Matagalpa tenga una de las tarifas más altas del país. Además, se
estima que con el actual sistema de bombeo, y el balance hídrico de la zona (recarga natural – extracción),
dentro de unos 10 años (2020) el agua no podrá ser extraído en las mismas cantidades. A esto se suma un
deterioro en la calidad del agua por actividades agrícolas en la zona. Esto implica un problema serio para la
ciudad de Matagalpa que posee una tasa de crecimiento poblacional de aproximadamente un 4% anual de
acuerdo con Heller (2008). También hay indicios de una reducción en los caudales de los ríos aguas arriba de
Matagalpa, de particular interés en este sentido en el rio Molino NorteV. Esto último a consecuencia de
deforestación, muchas veces motivados para hacer lugar para el ganado, que a su vez también causa erosión
en los suelos. Al haberse dado la erosión de los suelos el agua ya no puede ser retenida en el subsuelo por
mucho tiempo y pasa como correntia al rio, provocando a su vez, en tiempos de invierno, grandes crecidas y
peligro para las personas que viven en las riberas del rio.
Como una respuesta a los objetivos planteados en marzo del año 2000 en las Naciones Unidas de reducir la
extrema pobreza a nivel mundial para el año 2015 en Matagalpa se inició el programa Agua para Todos – Agua
para Siempre (APT-APS). Este programa se lleva a cabo con la cooperativa de Autoridades del Agua,
Universidades y una ONG de los Países Bajos. Los fondos provienen en gran parte de los Países Bajos y la parte
restante se hace con fondos Nicaragüenses.
Dentro del programa APT-APS, se definen tres líneas de trabajo con el fin de incrementar la disponibilidad de
agua potable y saneamiento. Y, por lo tanto, mejorar las condiciones de vida de los habitantes de las cuencas
Molino Norte y San Francisco, incluyendo de esta manera la ciudad de Matagalpa. Consecutivamente estas son:
• agua potable y saneamiento (provisión de agua en al menos 6 micro sistemas, deposición segura de
excretas con letrinas y sistemas rústicos para tratar agua gris doméstica de forma individual por
familia o casa),
• manejo integral de cuencas (para asegurar la continuidad de agua potable para Matagalpa),
• y el tratamiento de agua miel en al menos 6 sistemas demostrativos.
Esta tesis menor se enfoca en la última línea de trabajo de APT-APS. En el año 2006 se realizo un estudio por
Marko Sas sobre los diferentes tipos de fincas que existen en Matagalpa y sus zonas aledañas. En este estudio
VI
se hizo una distinción entre fincas grandes, fincas medianas y fincas pequeñas . Luego se hicieron dos estudios
por Boudewijn Zuijderhout en los que se respondía a las preguntas: ¿Cuáles son las fincas más apropiadas para
VII
instalar los sistemas de tratamiento demostrativos? y, ¿Qué tipo de sistemas de tratamiento ecológicos
VIII
podían ser empleados en estas fincas?
IV
EDDY KÜHL, 2000
COMUNICACIÓN PERSONAL ING. JUANA MARÍA GARCÍA
VI
SAS (2), P. 17-19, 2006
VII
ZUIJDERHOUT (2), P. 71, 2008
VIII
V
15
1.3 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
El objetivo principal de la investigación es: “probar si tecnologías básicas de sistemas anaeróbicos pueden
aplicarse con buenos resultados en los así llamados países en vías de desarrollo para el tratamiento de aguas
mieles del café”.
Del objetivo principal se derivan otros dos objetivos conjuntos:
• Proporcionar a cafetaleros información sobre la operación y mantenimiento de sistemas anaeróbicos,
• Proporcionar al programa APT-APS un estudio de caso del primer sistema demostrativo en Matagalpa y
a personas interesadas mas información acerca del tratamiento de aguas mieles en la finca el
Socorro.
1.4 PREGUNTAS DE LA INVESTIGACIÓN
Del objetivo principal, y como guía para esta tesis se derivan las siguientes preguntas:
• ¿Qué parámetros de monitoreo son necesarios a fin de garantizar una operación y un control seguro de
TAAR?
• ¿Desde qué tamaño una finca puede instalar una planta de tratamiento anaeróbica que sea rentable en
la producción de energía?
• ¿Qué posibilidades existen para tratar el biogás producido localmente?
• ¿Qué eficiencia deberían tener los distintos procesos en la finca el Socorro con el fin de llegar a una
calidad aceptable de efluente?
• ¿Qué tan robustamente están los distintos sistemas ligados entre ellos?
1.5 ÁREA DE ESTUDIO
Después de los estudios de Zuijderhout a mediados del año 2008 se inició con la construcción del primer
sistema demostrativo para el tratamiento de agua miel. Esto se llevó a cabo en la finca El Socorro, propiedad
del Señor Raúl Blandón, habitante de Matagalpa. Usando la categorización iniciada por Sas, se puede decir que
su finca se cataloga entre las fincas medianas. El área total de la finca es de 60 manzanas, de las cuales 40
manzanas están sembradas con la clase coffea arabica. Otra gran parte de la finca es una pedrera de donde se
sacó la piedra para revestir el camino que conecta la carretera con el beneficio húmedo de la finca y la otra
parte está todavía cubierta de bosque. La ubicación de la finca se da con las coordenadas: 14°32’83” Norte y
IX
62°18’04” Este . La altura de la finca varía entre los 850 y 930 m.s.n.m. En la figura 1.2 se observa la forma de
la finca y su posición geográfica.
Figura 1.3, Finca el Socorro con el beneficio húmedo en el medio, Fuente: http://maps.google.nl
IX
HELLER, M. P. 15, 2008
16
En la parte norte, sur y este la finca colinda con la propiedad del señor César Calero propietario de la finca
Cueva del Tigre. En la parte oeste la propiedad colinda con la finca del señor Salomón Carillo y al noroeste se
encuentra la cooperativa San José. La finca está ubicada a unos 25 minutos (15 km) de la oficina de
DIMGARENA, institución en donde se realizó el estudio parcialmente.
1.6 RESTRICCIONES DEL ESTUDIO
Algunas restricciones que limitaron este estudio se encuentran en el proyecto mismo, mientras que otras son
restricciones locales. En las primeras tomando en cuenta el modo de analizar la eficiencia del sistema
anaeróbico y los sistemas subsiguientes (a través de muestras de agua) se puede lamentar que no todos los
parámetros pudieron ser medidos de forma continua. La falta de disponibilidad de los reactivos en el momento
preciso afectó bastante los resultados. También la falta de vehículo hizo que la investigación no fuera tan
extensa como previamente se previó. Restricciones locales tuvieron que ver con la variación en el clima que
hizo que la cosecha cafetalera 2009/2010 fuera una cosecha muy corta, la dilatación de constructores por lo
cual al momento de escribir esta tesis menor, todavía no se ha instalado la captación del biogás. Además por
cuestiones de tiempo el informe se enfoca específicamente en aguas residuales, dejando la influencia de los
desechos sólidos momentáneamente de por lado.
1.7 ESTRUCTURA DEL INFORME
Esta tesis consiste de siete capítulos. En el primer capítulo información general sobre Nicaragua es presentada
junto con las motivaciones que indujeron a construir sistemas de tratamiento de aguas residuales para fincas
do
cafetaleras. A la vez algunas restricciones son mencionadas que limitaron el estudio. El 2 capítulo está
dedicado al café, desde la fruta hasta la exportación, el proceso es explicado y los distintos tipos de aguas
residuales son discutidos. Además, los efectos perjudiciales de estas aguas residuales son presentados así como
las normas establecidas que tratan de contrarrestar estos efectos perjudiciales son mostradas. El capítulo 3 se
enfoca en los diferentes tipos de TAR que han sido empleados para la depuración de las aguas mieles.
Finalmente el tercer capítulo deja ver las ventajas obtenidas al tratar estas aguas con sistemas anaerobios de
tratamiento. El capítulo 4 da las bases teoréticas de la aplicación de un sistema híbrido diseñado en la última
década (el sistema de la Laguna Anaeróbica Mejorada: LAM). En el capítulo 5 los resultados obtenidos en el
trabajo de campo de Noviembre 2009 a Febrero 2010 son presentados. En este capítulo la producción de
biogás es discutida y calculada para la finca el Socorro. El capítulo 6 saca conclusiones respecto a los últimos
capítulos y finalmente el capítulo 7 da recomendaciones a las personas que tienen un sistema LAM como a
aquellas que están desarrollando este tipo de sistemas.
17
2. PROCESO DEL CAFÉ
En este capítulo una breve reseña del proceso del café es dada, desde que el grano está maduro en la
plantación hasta que está listo para la exportación. Además, especial atención se presta al consumo de agua y a
la contaminación que esta causa. Al final se da un informe de las leyes que rigen en Nicaragua para poder
verter aguas mieles en cursos de agua superficiales.
2.1 IMPORTANCIA DEL CAFÉ
El café es uno de los cultivos mas comercializados a nivel mundial, de acuerdo con la FAO el café se sitúa entre
los 20 productos que más dinero produjeron en el año 2007. En total se exportaron 5,8 millones de toneladas a
X
nivel mundial, sumando así un valor de 13,7 mil millones de dólares . Para Centro América la producción de
café es de vital importancia para la economía de los países. Así como se puede observar en la tabla 2.1.
Tabla 2.1 Dependencia de los países centro americanos al caféXI
País
México
Guatemala
El Salvador
Honduras
Nicaragua
Costa Rica
Total
Café como % de las
exportaciones
2,4
32,4
59,6
21,2
30,4
20,7
Cuota del mercado como %
de las exportaciones totales
5,8
3,6
3,6
2,1
0,8
2,9
18,8
El cultivo de café significa una fuente de ingresos para una gran parte de la población rural. Durante la época
de la zafra (corte) miles de familias van a las plantaciones de café para prestar sus servicios y de esa manera
poder ganar un poco de dinero.
La producción de café en Nicaragua no representa mucho a nivel mundial. Como se puede observar en la tabla
2.1 representa el 0.8% del mercado mundial. La producción depende en gran manera del clima. Véase la figura
2.1. Debido a que el café es un producto comercializado en la bolsa de valores sus precios fluctúan bastante.
Figura 2.1, Producción de café en toneladas por año en Nicaragua (FAO)
En la figura 2.2 se muestran los precios que se han obtenido en los años 1997 a 2007. Los precios son dados en
US$ x 1000. Las regiones principales a donde se exporta el café producido en Nicaragua están mostradas en la
figura 2.3.
X
XI
ESTADÍSTICAS FAO, 2010
ADAMS, M.A. P. 88. 2006
18
Figura 2.2 Ingresos anuales en Nicaragua por venta de café verde (FAO)
Figura 2.3 Regiones del mundo a donde Nicaragua exporta el café (FAO)
2.2 ARBUSTO DEL CAFÉ
Existe una variedad grande de arbustos de café, aunque son solamente dos tipos de café los que más se han
comercializado, estos son los géneros coffea Arabica y coffea Canephora (comúnmente conocido como
Robusta). El primer género se caracteriza por su crecimiento lento, delicado y menos productivo que el
Robusta, se cultiva en regiones altas, entre los 900 y 2000 m.s.n.m. El género Robusta es más productivo y se
puede cultivar en lugares más bajos que el Arabica. Este último se caracteriza por producir un café fino y
aromáticoXII. En Nicaragua el café Arabica es el que se exporta.
2.3 FRUTO DEL CAFÉ
Figura 2.4 Estructura del fruto del café
XII
COFFEE REASEARCH (INTERNET)
El fruto o cereza del café, como lo muestra la figura a la izquierda
(fig. 2.4), consiste de dos granos que están dirigidos hacia si del lado
plano. Ambos granos están cubiertos por la pulpa (6) o mesocarpio y
la piel exterior (7) o epicarpio. Cada grano de café está cubierto por
3 capas, del exterior al interior están son: una capa de pectina (5),
pergamino (4) o endocarpio y piel plateada (3) o tagumento. Debajo
de estas capas se encuentra el grano de café propio (2) así como este
es exportado. En este estado se lo vende como café verde (FAO),
también se lo vende en este estado como QQoro (quintal oro). En
Nicaragua también se suele vender el café como QQper (quintal
pergamino), que es cuando todavía el grano posee el pergamino. En
el grano del café todavía se distingue el corte central (1).
19
2.4 BENEFICIOS
La época de la cosecha dura aproximadamente 90 días. Durante este tiempo, los trabajadores (cortadores)
pasan varios días por el mismo arbusto cortando a su vez los granos que ya estén maduros (rojos). Al llenar un
canasto de granos lo ponen en un saco que luego se lleva al beneficio para ser procesado. Existen dos métodos
para procesar el café: el método seco y el método húmedo.
2.4.1 BENEFICIO SECO
En el procesado con el método seco, que se aplica casi exclusivamente al género Robusta, se deja que los
granos se sequen al sol y luego se muelen para eliminar el mucílago ya deshidratado, la capa exterior y el
pergamino.
En Nicaragua y Centro América existe cierta ambigüedad respecto al uso de la frase “beneficio seco”. Mientras
que en otros países esta frase es empleada para el modo descrito anteriormente, en Nicaragua esta frase se
usa mas como la segunda parte en el proceso del café, esto es, luego del beneficio húmedo.
2.4.2 BENEFICIO HÚMEDO
El procesado con el método húmedo, más comúnmente conocido como beneficio húmedo, comienza llevando
las cerezas del café a un reservorio o tanque por medio de los sacos descritos anteriormente. Desde aquí las
cerezas por medio de gravedad son transportadas hacia los despulpadores. Este paso puede ir acompañado de
agua, o puede suceder en seco cuando los tanques han sido dimensionados para este finXIII. En Nicaragua el
transporte a los despulpadores sucede por medio de agua (y gravedad), como ventaja es mencionado el hecho
XIV
que la suciedad y granos verdes o podridos flotan en la superficie . En los despulpadores las cerezas del café
son seleccionadas en base a su tamaño y despulpadas quitando de esta manera la piel exterior y la pulpa.
Queda entonces una superficie ligosa sobre el grano de una grosor de 0.5 a 2 mm. La pulpa se lleva a un lugar
desde donde es utilizada para propósitos diversos o descartada como basura (cada vez en menor grado) y los
granos se van a un tanque para que se fermenten.
En los tanques de fermentación los granos permanecen durante 12 a 36 horas (dependiendo de la
temperatura, el espesor de la capa de mucílago y la concentración de enzimas) para que la capa de mucilago
tenga tiempo para fermentarse y se reduzca la mayor parte del mucílago. La fermentación y descomposición
del mucílago se lleva a cabo por medio de una combinación de enzimas endógenas y una actividad microbiana
XV
contenida en el mismo mucílago . Se debe cuidar de no pasar mucho la fermentación para evitar que los
XVI
granos tomen un sabor agrio indeseable .
El proceso se da por terminado cuando se comienza a lavar los granos para quitarle los últimos remanentes de
mucilago descompuesto. Luego los granos son guardados en sacos (aprox. 60 kg) para ser llevados al beneficio
seco (otro del descrito en 2.4.1). El café en pergamino es llevado a este beneficio para ser secado al sol. Este
proceso puede tomar de 8 a 10 días dependiendo del clima de la región. Luego el pergamino es quitado
manualmente o mecánicamente. Después el café oro (café verde) es guardado en silos y está listo para la
exportación. Un ejemplo del proceso se ve ejemplificado en la figura 2.5.
XIII
SEMINARIO - TALLER, EL TRATAMIENTO ANAERÓBICO DE LOS RESIDUOS DEL CAFÉ. P.11. 2000
ADAMS, M.A. P. 33. 2006
XV
IBID.
XVI
INTERNATIONAL COFFEE ORGANIZATION (INTERNET), 2010
XIV
20
Figura 2.5 Proceso en el beneficio húmedo
2.4.3 USO DE AGUA EN EL BENEFICIO HÚMEDO
Como se deja ver en la figura 2.5, el uso del agua en los beneficios húmedos es múltiple y de diversas
cantidades. El primer lugar donde se usa agua es en el tanque de recolección, que, de acuerdo a su diseño, usa
mucha agua o poca agua. El agua que se utiliza aquí conduce a las cerezas a los despulpadores y luego tras
quitarle la pulpa a la cereza se combina con parte del mucílago y la pulpa de la cereza por lo que se genera el
primer flujo de aguas residuales: el agua del despulpado. Anteriormente este flujo de agua se iba directamente
a las fuentes de agua superficiales sin ningún tratamiento afectando de esta manera enormemente a las fincas
y pueblos aguas abajo. En los años 70’s y 80’s hubo un gran uso de lagunas facultativas lo que hizo que se
redujera la contaminación, pero actualmente estas lagunas no funcionan en todas las fincas como debiera. Sin
embargo, es necesario mencionar que esta agua contiene un gran porcentaje de taninos y ácidos recínicos que
son tóxicos para la vida acuática (véase tabla 2.3).
El segundo flujo de aguas residuales se genera al día siguiente de haber cortado las cerezas que, luego de
despulpadas, se han dejado fermentar. Durante esta fase los granos fermentados se lavan muchas veces con
abundante agua para extraer todo el demucilaginado y llevar los granos al beneficio húmedo. Las aguas
residuales, o aguas mieles, que se generan en este proceso van a dar al lugar donde anteriormente cayeron las
aguas residuales del despulpado. Desde allí, estas pueden ser tratadas juntas. Según las normas técnicas
XVII
3
nicaragüenses , para procesar un QQoro no se debe utilizar más de 2 m de agua. Algunas cantidades usadas
en fincas se pueden ver en la tabla 2.2.
Tabla 2.2, Uso de agua para el proceso del café
Comentario
Mínimo
Máximo
Debe ser menor a
Finca San Luis
Finca El Socorro
Khe Sanh, Quang Tri
XVII
NTON 05 029-06
Agua (m3/QQoro)
1.02
4.08
2.00
2.50
1.97
1.00
Fuente
Adams, M.A. 2006
Adams, M.A. 2006
MARENA (NTON) 2006
Sas, M.J. 2006
Schutgens, G. 2010
Mels et al. 2005
País
Costa Rica
Costa Rica
Nicaragua
Nicaragua
Nicaragua
Vietnam
Reciclando
Si
No
Si
Si
Si
Si
21
XVIII
Según Wasser , quien hizo investigaciones concernientes el uso de agua en el proceso del café, 30% del agua
es utilizado durante el despulpado y 70% durante el lavado. Este último 70% se divide en 20% para el
demucilaginado y 50% de agua bastante limpia se usa para terminar de lavar los granos y seleccionarlos.
2.4.4 D ESHECHOS DEL PROCESADO HÚMEDO DE CAFÉ
Son diversos los deshechos que se provienen del café. De una manera gráfica estos son presentados en la
siguiente figura (2.6).
Figura 2.6, Balance de la producción del grano del café (modificado de Adams. A.M. 2006)
Es evidente que los deshechos, o subproductos, que salen durante el proceso del café son varios y las
cantidades no son reducidas. Generalmente estos subproductos son desechados como basura y de preferencia
de la manera más rápida posible. Muchas veces en ríos, lo que ha llegado a contaminar grandemente cursos de
aguas naturales. Sin embargo, últimamente, cada vez es mayor el número de informes que se producen sobre
el uso beneficiario que se puede extraer de ellos. En la figura 2.7 se puede observar el uso que se le puede dar
a los subproductos mostrados en la figura 2.6.
Figura 2.7, Posibles usos para los subproductos del café (adaptado de Seminario-Taller. 2000)
Más específicamente para las aguas mieles del café la contaminación que se genera se produce en dos etapas,
el despulpado y el lavado de los granos fermentados. En la tabla 2.3 se da una impresión de cuáles son las
sustancias que poseen los dos tipos de aguas residuales.
Tabla 2.3, Propiedades del agua miel del café (Seminario-Taller. P. 10. 2000)
Agua despulpado
Proteínas
8.9%
Taninos
10.0%
Ácido Clorogénico 14.5%
Cafeínas
22.0%
Azúcares
45.3%
XVIII
WASSER, R. 1986?
Agua lavado
Sustancias Pécticas 23.4%
Azúcares
54.2%
Celulosa
20.4%
22
2.4.5 CARACTERIZACIÓN DE AGUAS MIELES
Las aguas mieles del café contienen altas concentraciones de azúcares, celulosa, cafeínas y sustancias péctidas
como se refleja en la tabla 2.3. Estas sustancias introducen características en las aguas mieles que son
perjudiciales para aguas receptoras. Algunas de estas características, como se puede medir en la demanda
biológica de oxígeno (DBO5) y la demanda química de oxígeno (DQO), se muestran en la tabla 2.4.
La DBO5, muestra la cantidad de oxígeno necesario para descomponer la materia orgánica, por medio de
bacterias, presente en una muestra de agua dentro de 5 días y a una temperatura de 20 °C. Por otro lado la
DQO representa la manera química de descomponer la materia orgánica. Con este último método el valor que
se requiere se obtiene relativamente rápido (2 horas) al compararse con el DBO5. DQO siempre es mayor a
DBOT, siendo que toda la materia orgánica es biodegradable.
El efecto perjudicial que la falta de oxígeno causa en el agua es diverso y se refleja en la muerte de vida
acuática, en malos olores y hasta problemas de salud por condiciones anaeróbicas en el aguaXIX. Los valores de
pH muy bajos indican que el agua tiene un contenido ácido que también perjudica en gran manera la actividad
biológica natural en ecosistemas. Un agua neutral tiene un pH de 7. La conductividad refleja la corriente que se
puede transmitir por el agua y es dependiente de la cantidad y tipo de minerales que contiene el agua. Agua de
ríos limpios suele tener una conductividad de 250 a 500 µS/cm, mientras que aguas residuales industriales
pueden tener valores de hasta 10 mS/cm o más.
En la tabla 2.4 se hace diferenciación entre aguas residuales simples y aguas residuales recicladas en donde el
porcentaje de DBO y DQO aumenta sustancialmente. Dentro de los márgenes que indica esta tabla también se
encuentran los valores encontrados por Sas, M.J. (2006); Calvert and von Enden (2002); y Calvert (1997).
Tabla 2.4, Caracterización del agua miel
Parámetro
Sólidos suspendidos totales
Promedio total (mg/L)
a
7 000 – 10 900
pH
Conductividad
Demanda biológica oxígeno
(DBO)
771d1 (µS/cm)
10 000 – 13 000a
Demanda química oxígeno
(DQO)
BOD : COD ratio
N : COD ratio
P : COD ratio
18 000 – 23 000 a
0.5 – 0.6
f
0.9
a
0.08
0.02 a
Agua de despulpado (mg/L)
b
13 200
c1
6 200 – 11 000
c2
3 600 – 5 000
d,e
4
d1
728 (µS/cm)
1 800 – 2 900 b
1 800 – 9 000 c1
900 – 2 400 c2
13 900 – 28 000 b
c1
2 950 – 14 600
c2
1 400 – 3 900
Agua de lavado (mg/L)
b
2 900
c1
1 950 – 4 800
c2
2 200 – 4 600
d,e
4
814d1 (µS/cm)
1 300 – 2 200 b
1 200 – 3 000 c1
1 400 – 3 900 c2
3 000 – 10 000 b
c1
1 650 – 2 800
c2
850 – 1 750
a
a
– ICO (2004)
– Adams, M.A. y Dougan (1981)
– Gautho y otros (1991)
d
– Sas, M.J. (2006)
e
- Calvert and von Enden (2002)
f
– Seghezzo, L. (2007)
1 – con recirculación
2 – sin recirculación
b
c
2.5 NORMAS PARA AGUAS RESIDUALES DE CAFÉ EN NICARAGUA
La ley nicaragüense establece por medio del decreto 33-95, emitido en 1995 que el Ministerio del Ambiente y
los Recursos Naturales de Nicaragua (MARENA) es responsable por controlar y aplicara sanciones en relación a
las descargas de aguas residuales domésticas, industriales o agropecuarias a cuerpos receptores. Además, en el
artículo 38 de este decreto se especifica cuales son las normas a las cuales se deben someter los beneficios de
café que viertan aguas residuales a cuerpos receptores.
XIX
CALVERT AND VON ENDEN (2002)
23
En la tabla a continuación se dan los valores:
Tabla 2.5, Decreto 33-95, Artículo 38 sobre Beneficio del café
PARÁMETROS
ph
Sólidos Suspendidos Totales (mg/l)
Sólidos Sedimentables (ml/l)
DBO (mg/l)
DQO (mg/l)
Materia Flotante
Grasa y Aceites (mg/l)
RANGOS Y LÍMITES MÁXIMOS PERMISIBLES
PROMEDIO DIARIO
6.5 – 9.0
150
1
120
200
Ausente
10
Además del decreto 33-95, existen las normas técnicas emitidas por el Ministerio de Fomento, Industria y
Comercio (MIFIC). Una de ellas es la Norma Técnica Obligatoria Nicaragüense (NTON) 05 028-06 elaborada
para proteger los cuerpos receptores de agua afectados por los vertidos líquidos y sólidos provenientes de los
beneficios húmedos de café. En esta norma, en el párrafo 7 se dan directrices sobre el manejo de agua en los
beneficios. Entre otros se promueve el despulpado en seco, utilizar menos de 2 m3 de agua para el despulpado
y el lavado, y reciclar el agua. También se dan consejos concernientes a las lagunas facultativas y/o anaeróbicas
para que el fondo de las mismas esté por lo menos 2 metros arriba del nivel freático en ese lugar, esto sin hacer
mucha diferencia entre la permeabilidad del los diferentes tipos de suelo.
2.6 IMPACTOS DE LA INDUSTRIA CAFETALERA EN LOS ECOSISTEMAS
Se pueden clasificar los diferentes impactos que la industria cafetalera tiene sobre los ecosistemas en 3
categorías: agotamiento o reducción, contaminación del medio ambiente y daños o degradación.
La primera categoría se entiende como la extracción de materia del medio ambiente. Entre otros se pueden
mencionar aquí la deforestación y la erosión. Los países centroamericanos están entre los países con las tasas
de deforestación más altas en el mundoXX. El café cultivado tradicionalmente se siembra a la sombra de arboles
en los bosques naturales, preservando de esta manera gran parte de los bosques originales. Sin embargo desde
fines del siglo pasado ha habido un estímulo para cafetaleros a producir café al sol o café tecnificado, entre
XXI
otros por entidades como USAID . La mayor razón para esto es una tasa de rendimiento mayor. Desde los
años 90 aproximadamente 1.2 millones de hectáreas han sido cultivadas como café al sol solo en Centro
América, eliminando de esta manera gran parta de bosques naturales. El cultivo intensivo que se genera en
esta manera conlleva una reducción en la diversidad de fauna y flora en la región y también para pájaros
migratorios disminuye su hábitat, reduciendo de esta manera su número no solo en los países a donde migran
si no también en los países de donde provienen (en este caso EEUU y Canadá) XXII.
En la segunda categoría la tala de árboles fomenta la erosión. Lo cual hace necesario un uso mayor de
fertilizadores, puesto que la correntia se lleva los nutrientes del suelo (degradándolo) y a la vez contaminando
puesto que la correntia va cargada de insecticidas y pesticidas.
Dentro de la tercera categoría se encuentra también a consecuencia de la erosión la degradación de la calidad
del suelo. Además se menciona la degradación de la calidad de vida acuática debido a las altas cargas orgánicas
que son vertidas en cauces naturales, previendo de esta manera a la fauna y a la flora acuática de su necesario
oxígeno disuelto.
Aparte de las tres categorías arriba mencionadas, el uso de insecticidas y fertilizadores perjudica la salud de un
gran número de trabajadores. Muchas veces gran parte de ellos son personas analfabetas que no saben aplicar
correctamente la cantidad necesaria y que no entienden las precauciones que hay que tomar al tratar con
químicos. También se ha mencionado que el incremento de fertilizantes ha contaminado acuíferos en Costa
Rica con nitrato con valores por encima de los permisibles por la OMS. Concentraciones altas de nitrato en el
agua pueden causar metahemoglobinemia en recién nacidos. Una condición que puede ser fatal al impedir el
XXIII
transporte de oxígeno en la sangre del bebé .
XX
MONGOBAY RANIFORESTS (INTERNET)
ADAMS, M.A. P. 43. 2006
XXII
IBID. P. 43.
XXIII
IBID. P. 48-50
XXI
24
3. SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
En este capítulo una breve reseña es dada sobre los diferentes tipos te tratamientos de aguas residuales
empleados para las aguas mieles. Especial atención es dada a los tratamientos anaeróbicos.
3.1 TIPOS DE TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES
Para el tratamiento de aguas mieles existen diferentes sistemas. El esquema presentado a continuación (figura
3.1) pretende hacer una breve clasificación de los métodos, que posteriormente serán discutidos brevemente.
Figura 3.1 Esquema de tratamiento de Aguas residuales
3.2 TRATAMIENTO FÍSICO - QUÍMICO
El tratamiento físico-químico para aguas mieles se ha empleado en pocas ocasiones. El principio se basa en
aprovechar ciertos productos (como la cal y el sulfato de aluminio) que al reaccionar con sustancias presentes
en la pulpa y el mucilago de café, como las pectinas, forman flóculos que pueden precipitar en una zona donde
la velocidad del agua es reducida, o en un así llamado sedimentador.
El tratamiento físico se basa principalmente en dejar que el agua residual pase por zonas donde la velocidad del
agua sea tan reducida que las partículas más pesadas puedan precipitarse. Luego le sigue un filtro de grava y
arena donde otra parte de la materia contaminante queda atrapada.
En México y Costa Rica, se han evaluado este tipo de sistemas obteniendo una reducción máxima de entre el
70 y 80% de materia orgánica en base a DBO. Una desventaja de este sistema es el alto contenido de materia
mineral elevando el pH del agua tratada tiende a valores de 11 a 12. Esto conlleva consecuencias menos
deseables en las aguas receptoras, por cuanto la actividad biológica es puesta en peligro y sistemas de posttratamiento de carácter biológico son afectados. Además, si estas aguas van a dar a un rio que se usa como
fuente de agua potable, la dureza del agua aumenta significativamente y la desinfección con cloro de la planta
de agua potable funciona menos eficiente. Otra desventaja es la alta producción de lodos de aproximadamente
10 kg/QQoro teniendo un alto nivel de materia mineral. Por lo demás cabe mencionar que si la eficiencia de
XXIV
remoción no es muy alta, esto limita la aplicabilidad del sistema para normas más restringentes en el futuro .
En el próximo párrafo se tratará el tema del tratamiento biológico (3.3) en lagunas de estabilización y
reactores anaerobios.
XXIV
SEMINARIO - TALLER, EL TRATAMIENTO ANAERÓBICO DE LOS RESIDUOS DEL CAFÉ. P. 29-32. 2000
25
3.3 TRATAMIENTO BIOLÓGICO
El tratamiento biológico está basado en el uso de varios microorganismos que se empañan en descontaminar
las aguas residuales. El tratamiento biológico se puede dividir en base a la forma de contacto del agua miel con
el oxígeno del aire, así se puede hablar de:
- Tratamiento aerobio:
o Lagunas con aireación natural o de maduración
o Lagunas aireadas o de aireación forzada
- Tratamiento anaerobio (3.4, 3.5 y 3.6).
Las lagunas aerobias o lagunas de estabilización han sido aplicadas ya por algunas décadas en Centro América.
Gozan de alta popularidad debido a su sencilla y económica construcción, su simple mantenimiento, y buenas
eficiencias de tratamientos en climas cálidos.
Los principales procesos que se dan en lagunas de estabilización son procesos naturales biológicos. La
descontaminación se lleva a cabo por bacterias, algas y otros microorganismos que se alimentan con la carga
orgánica proveniente las aguas mieles, y la descomponen a tal grado que el perjuicio causado a las aguas
receptoras se disminuye.
En Nicaragua, en la zona cafetalera, se encuentran varios beneficios con lagunas de estabilización. Sin embargo,
muchas de estas lagunas ya no están funcionando como debieran, debido a altas cargas orgánicas aplicadas.
Ahora estas lagunas tienen la función de reservorios únicamente.
Algunos efectos perjudiciales que se le atribuyen a estas lagunas son: la producción de malos olores y el hecho
que provee un lugar ideal para la multiplicación y crecimiento de insectos. Además, dependiendo de su
XXV
ubicación pueden ser una fuente de contaminación de acuíferos .
El siguiente tipo de lagunas será brevemente descrito a continuación:
- Lagunas aerobias: de aireación natural y de aireación forzada (3.3.1)
- Lagunas facultativas (3.3.2)
- Lagunas anaerobias (3.3.3)
3.3.1 L AGUNAS AERÓBICAS
Dada las altas cargas de materia orgánica, la concentración de oxigeno en el agua se reduce a cero a menos que
se aplique aeración forzada. Por ende, los sistemas de aeración natural no se pueden aplicar al tratar aguas
mieles. La limpieza del agua en lagunas aerobias reposa sobre la actividad de bacterias que para su subsistencia
necesitan oxígeno. Con el fin de proveerles este oxígeno equipos mecánicos pueden ser utilizados para que las
masas de agua estén bien mezcladas con el oxígeno y el contacto, bacteria-oxigeno-contaminación sea óptimo.
Una clara desventaja que se produce al utilizar este tipo de lagunas es la energía que consume la adición de
oxígeno. En comparación a lagunas facultativas este tipo de lagunas requiere menos superficie debido a la
profundidad mas grande que se puede aplicarXXVI.
3.3.2 L AGUNAS FACULTATIVAS
En las lagunas facultativas se combina el trabajo de bacterias aerobias y bacterias anaerobias, simulando de
esta manera procesos naturales, tales como los pantanos y lagos. Al fondo se encuentra una zona anaeróbica
con actividad metanogénica (en los sedimentos) y en la capa superior de la laguna el oxígeno del aire permite
una oxigenación del la superficie de la laguna. Por ende, la profundidad de dichas lagunas no puede ser muy
alta. La superficie de estas lagunas tiende a ser amplia para que el sol tenga suficiente lugar a causar la
fotosíntesis y para que la difusión del aire con el viento pueda suceder. Generalmente estas lagunas son
precedidas por aguas pre-tratadas anaeróbicamente o son usadas para aguas residuales crudas. Dada las altas
XXVII
cargas orgánicas de las aguas mieles, se requeriría de mucha superficie para aplicar una laguna facultativa .
XXV
XXVI
SEMINARIO - TALLER, EL TRATAMIENTO ANAERÓBICO DE LOS RESIDUOS DEL CAFÉ. P. 34. 2000
IBID. P.35
IBID. P.36 Y 37
XXVII
26
3.3.3 L AGUNAS ANAERÓBICAS
En este caso las bacterias que trabajan para depurar el agua solo pueden vivir en hábitats sin oxígeno. Para este
fin se necesita un gran número de bacterias. Entre ellas, como lo explicaremos posteriormente, se encuentras
las bacterias fermentativas, acetogénicas y metanogénicas. Estas bacterias se encuentran generalmente en el
fondo de la laguna, dada su densidad superior a la del agua, y el conjunto de las mismas se le denomina como
‘biomasa’. En estas lagunas el contacto entre la biomasa y el agua residual es de vital importancia. Las
profundidades aplicadas son por lo general entre 4 a 5 metros, de esta manera se intenta reducir el área
necesaria para la laguna y el área de contacto con el aire.
A consecuencia de la descomposición anaeróbica se produce el biogás y ácidos orgánicos los cuales cuando se
usan lagunas escapan a la atmósfera junto con gases reducidos olorosos como H2S que dan lugar a malos
olores, lo cual es percibido como una desventaja al igual que la formación de espuma y proliferación de
insectos (mosquitos, moscas) que pudieran afectar la salubridad. El biogás, por su parte, si se deja escapar
libremente al aire contribuye aun más que el dióxido de carbono al efecto invernadero, desperdiciando de un
modo perjudicial lo que al usarse se puede considerar una fuente renovable de energíaXXVIII.
A continuación se dará una explicación de la importancia de sistemas anaeróbicos y luego de los principios
generales de la digestión anaeróbica.
3.4 IMPORTANCIA DE SISTEMAS ANAERÓBICOS
El término de Digestión Anaeróbica, se refiere a la fermentación y subsiguiente mineralización de materia
orgánica. Durante este proceso materia orgánica es degradada y biogás es producidoXXIX. En comparación con el
tratamiento convencional de aguas residuales (TCAR) en las que a menudo se hace uso de ventilación, el
tratamiento anaeróbico (TAAR) tiene varias ventajas. Así, se puede decir que el tratamiento es muy efectivo en
degradar la materia biodegradable. A diferencia del sistema convencional en donde se produce entre un 30 –
50% de lodos biológicos, la producción de lodo biológico en una planta de TAAR es mínima (5%). A esto se le
puede sumar el valor de mercado que pueda tener el lodo en exceso al haber varias plantas similares en
construcción donde también necesiten lodo para iniciar la digestión. Además, en vez de gastar energía en
sistemas de ventilación, energía es producida en forma de biogásXXX. A estas características positivas se le
añade el hecho de que una planta TAAR no necesita mucho espacio, lo cual puede ser atractivo para aquellas
personas o empresas que cuenten con espacio limitado.
No es de sorprenderse entonces que el sistema de digestión anaeróbica se haya tornado en una tecnología
XXXI
competitiva y deseable. A la vez, siguiendo la idea de Van Lier , para países en vías de desarrollo el uso de
tratamiento anaeróbico provee una fuente de energía (en forma de biogás), que reduce el consumo de energía
fósil. Al final esto significa una reducción en la emisión del gas dióxido de carbono. Con la reducción de CO2, el
propietario de la finca puede vender bonos de carbono a industrias que tengan una sobreproducción de CO2.
3.5 PRINCIPIOS GENERALES DE DIGESTIÓN ANAERÓBICA
La digestión anaeróbica se evidencia en varios lugares con contenido orgánico y con baja concentración de
oxígeno. En eco sistemas naturales este proceso se puede observar en pantanos, en sedimentos tanto en el
fondo de lagos como al fondo del mar, y también en el tracto digestivo de animales rumiantes (ej. vacas,
XXXII
cabras) . En sistemas antropomorfos este proceso se puede ver en desagües municipales y en basureros
comunales. El proceso de digestión anaeróbico convierte compuestos orgánicos complejos en CH4, CO2, H20,
H2S, NH3 y biomasa. El proceso de digestión se puede captar en las siguientes 4 etapas (Figura 3.2).
XXVIII
VAN LIER, J. P. 415. 2008
XXX
IBID.
XXXI
IBID.
XXXII
MES, T.Z.D. P. 11. 1998
XXIX
27
1. Hidrólisis.
Descomposición de
un
compuesto
complejo (material no
soluble)
a
un
compuesto
soluble
(azúcares,
amino
ácidos, ácidos grasos)
por medio de una
reacción con agua.
Esto ocurre gracias a
enzimas excretadas
por
bacterias
fermentativas.
2. Acidogénesis.
Compuestos solubles
son convertidos en
simples compuestos
por
bacterias
fermentativas.
Los
productos:
ácidos
grasos
volátiles,
Figura 3.2, Digestión Anaeróbica. Fuente: Van Lier, J. Biological
alcoholes,
ácidos
Wastewater Treatment. 2008
lácticos,
metanol,
CO2, H20, H2S y NH3 son excretados por bacterias. En esta etapa biomasa es formada.
3. Acetogénesis.
Los productos del proceso fermentativo se convierten en acetato, H2, CO2 y nueva materia orgánica.
4. Metanogénesis.
Cuando el acetato, hidrógeno, carbonato, ácido fórmico y metanol son finalmente convertidos a
dióxido de carbono, metano y biomasa. Las bacterias encargadas de este proceso tienen un índice de
crecimiento bastante lento. Esto significa que la puesta en marcha de un sistema anaeróbico, sin
bacterias climatizadas toma mucho tiempo, y de allí la importancia de cantidades grandes de bacterias
en la fase inicial.
3.6 APLICACIÓN DE SISTEMAS ANAERÓBICOS
3.6.1 APLICACIONES GENERALES
Los sistemas de tratamiento anaeróbicos para aguas residuales son empleados en diversos sectores, entre
ellos: la industria agrícola de comida (azúcar, papas, almidón, levadura, pectina, ácidos cítricos, fabricas de
conserva, frutas, vegetales, granjas lecheras, panaderías); la industria de las bebidas (cervecerías, gaseosas,
jugos frutales, vinos y café); en la destilación de alcohol (melaza de caña, melaza de remolacha, vino de uvas,
granos, frutas); la industria papelera (pulpa mecánica, paja, bagazo, papel reciclado) e industrias diversas
(químicos, farmacéuticos, lodos, lixiviación, aguas vertidas de la industria minera, aguas domésticas
XXXIII
residuales)
.
En América Latina el uso más frecuente de digestores anaeróbicos (1993) se encuentra en el área rural, o área
de cultivos. Estos digestores usan deshechos animales y agrícolas como substratos fermentativos, a veces
mezclados con excretas humanas. El número de digestores funcionando regularmente es de aproximadamente
60% del total instalado. La aplicación que se le da al biogás generado de esta manera se usa, entre otros, en la
cocina, como fuente alternativa de gas propano; en alumbramiento y en otros usos diversos (especialmente,
entre productores pequeños donde muchas veces la red eléctrica convencional no llega)XXXIV. Debido a la
posición geográfica favorable de América Latina, una gran parte produce azúcar de caña, frutas, café y otros
productos agro-industriales. También hay otras industrias en las que se ha utilizado digestión anaeróbica así
XXXIII
XXXIV
VAN LIER, J.ET AL. P. 434. 2008
NI, J.Q., NAVEAU, H., NYNS, E.J. P.765. 1993
28
como en fábricas de papel y hasta en la industria petroquímica. Por lo menos unas 25 clases de residuos
industriales han sido investigadas con respecto a la fermentación de biogás. Entre ellos, los sistemas más
XXXV
estudiados parecen ser los de tratamiento de aguas residuales de la vinaza y el café .
En Centro América el uso de digestores anaeróbicos hasta 1993 no era muy grande. Guatemala y Costa Rica
muestran el mayor número de digestores, mientras que Honduras y Nicaragua tienen un número parecido. Y
por ultimo llegaban El Salvador y Panamá (véase figura 3.3).
Figura 3.3 Digestores rurales en América Latina. Fuente: Ni, J.Q., Naveau, H., Nyns, E.J. 1993
Biogas: Explotation of a renewable energy in Latin America
A continuación se dará una pequeña reseña de sistemas anaeróbicos y su uso en la industria cafetalera.
3.6.2 REACTOR ANAERÓBICO DE FLUJO ASCENDENTE (UASB)
El modo de empleo de este reactor empieza introduciendo lodo (o inoculo) en el reactor, véase figura 3.4. Este
lodo consiste de bacterias responsables de la descontaminación y
elaboración de gas. De vital importancia son las características del
lodo. Este debe ser bien sedimentable, activo y estable. Debido a la
densidad del lodo este se mantiene generalmente al fondo
(dependiendo las velocidades aplicadas al flujo de aguas residuales)
y con el tiempo va formando flóculos o granos. El agua altamente
cargada orgánicamente atraviesa en forma ascendente el lodo
activo. De esta manera en el contacto se limpia el agua y esta puede
ser guiada a un post tratamiento dependiendo el uso que se le
XXXVI
pretende dar a continuación
.
La capacidad que el reactor tendrá dependerá en gran medida de la
cantidad de lodo en el reactor como de las características
particulares de las aguas mieles. Lo mejor es que el lodo que se usa
venga directamente de una planta similar, es decir, de una planta de
TAAR del café. Si este no es el caso entonces al inicio las cargas que
se aplican deben ser reducidas y estas deben ir aumentando
Figura 3.4, Reactor Anaerobio de flujo ascendente gradualmente mientras que el lodo se va adaptando al nuevo tipo de
alimento.
En el reactor de flujo ascendente el biogás producido es captado en la zona de superior del reactor de donde
puede ser llevado a un depósito o al sitio donde será quemado para no acentuar más el efecto invernadero. En
XXXV
XXXVI
IBID. P.766
29
esta zona se coloca un separador para poder separar el lodo suspendido (para que vuelva a la parte inferior), el
3
agua que ha sido depurada y el gas (0.35 m CH4 son producidos por kg DQOrem).
3.6.3 F ILTRO ANAERÓBICO DE FLUJO ASCENDENTE (FAFA)
La principal diferencia que este filtro muestra con el UASB es la manera en que el lodo es retenido. En los filtros
anaeróbicos se usa material inerte para que las bacterias se adhieran a ellas y se puedan multiplicar. Además se
usa el material inerte como separador para poder retener el lodo activo y de esta manera contribuir a una
formación mejor de lodos granulados. Entre los materiales más comúnmente encontrados en la región
centroamericana se da la piedra pómez, piedra volcánica (lava), bambú, polietileno, etc. En investigaciones que
se hicieron en Colombia se notó que la forma en que se ordena el bambú puede tener influencias positivas, sin
embargo, siendo el bambú de un material orgánico tiene una aplicabilidad máxima de unas 3 cosechas.
XXXVII
Después de este periodo puede afectar la masa bacteriana
. La mayor desventaja que presenta este sistema
es la dificultad de llenar el tiempo requerido de contacto entre el lodo active y las aguas mieles, puesto que el
lecho tiende a taparse fácilmenteXXXVIII.
3.6.4 REACTOR ANAERÓBICO DE LECHOS FLUIDIZADOS (RALF)
Tienen un funcionamiento parecido a ambos tratamientos descritos anteriormente, con la diferencia que el
material de soporte lo componen minúsculas partículas (entre 250 y 625 µm) en las cuales crece la biomasa.
Por medio de la recirculación del agua tratada con el agua cruda estas partículas son fluidizadas en el reactor.
Al estar la biomasa suspendida se espera que haya mayor contacto entre la materia orgánica del agua miel con
la biomasa depurante. Una desventaja que se observa en este sistema es que cuando la producción de biogás
aumenta, está puede fraccionar el lecho causando una reducción considerable en la expansión del mismo XXXIX.
Además, operación estable a largo plazo parece ser problemático, puesto que, el crecimiento de las capas
biológicas sobre las partículas no es igual. Para poder solventar este problema un alto nivel de pre-acidificación
XL
es necesario y materia dispersa debiera evitarse .
En el próximo capítulo se hablará de la Laguna Anaeróbica Mejorada un sistema híbrido entre lagunas de
fermentación y reactores anaeróbicos.
XXXVII
VAN LIER, J ET AL. P. 435, 436. 2008
XXXIX
IBID. P.45
XL
VAN LIER, J ET AL. P. 439. 2008
XXXVIII
30
4. LAGUNA ANAERÓBICA MEJORADA (LAM)
En este capítulo una introducción del sistema LAM será dado, junto con la explicación de todo el sistema de
tratamiento de aguas residuales de la finca El Socorro. Luego un cálculo es presentado en donde se propone
establecer cuál sería la producción teorética de biogás en la LAM. Como paso siguiente las características del
biogás son presentadas así como las posibilidades de aplicación de biogás son mostradas.
4.1 DESARROLLO DEL SISTEMA LAM
El objetivo al introducir un nuevo sistema de tratamiento es dar a los cafetaleros alternativas desde las cuales
ellos puedan elegir con el fin de poder cumplir con las leyes establecidas en Nicaragua, véase párrafo 2.5. En el
año 2007 un grupo del programa APT-APS conformado por integrantes de los Países Bajos, Argentina y
Nicaragua hizo un viaje a Costa Rica y Nicaragua con el fin de trabajar en un diseño para el tratamiento rentable
de aguas residuales de café en la cuenca de San Francisco (Matagalpa, Nicaragua). Basado en información
recibida por parte del experto Daniel Paudriet de la ONG SOLAMSA en Costa Rica un diseño conceptual fue
hechoXLI.
Como se ha mencionado anteriormente la laguna anaeróbica mejorada (LAM) es una sistema híbrido que trata
de combinar las ventajas de los sistemas de lagunas anaeróbicas con las ventajas de los reactores. De este
modo se crea un sistema de tratamiento relativamente barato con un requerimiento de área limitado, un
modo de operación fácil y con eficiencias mayores a las de lagunas anaeróbicas comunes.
4.2 EL SISTEMA LAM
4.2.1 MEDIDAS DEL SISTEMA LAM
El sistema LAM tiene la forma de una pirámide truncada pero al revés. Fue diseñada para ser cubierta con el fin
de capturar el biogás. El influente a la LAM va al fondo de la misma y es distribuido equitativamente en la
superficie del fondo para mejorar la mezcla. Al lado superior de la LAM el efluente es recolectado por medio de
cuatro puntos de salida (uno de cada lado) desde donde el agua va al siguiente paso, véase figura 4.1. El
incremento de la superficie con la altura causa velocidades reducidas en la parte superior y velocidades un
poco más altas en la parte inferior. Este hecho aumenta la formación del fango granular en el fondo y la
sedimentación de sólidos en la parte superior.
Figura 2.1 Diseño conceptual de un sistema LAM
XLI
31
4.2.2 S ISTEMA DE TRATAMIENTO EN FINCA EL SOCORRO
El tratamiento de aguas mieles en la fina El Socorro está basado en un tratamiento de múltiples pasos.
Comienza con la estabilización del pH de las aguas mieles en un reservorio de pre-tratamiento (véase la figura
4.2). Entonces cuando el pH ha sido corregido las aguas mieles continúan a la LAM. Aquí la digestión anaeróbica
sucede. Después de un tiempo de retención hidráulico de 7 á 8 días, se estima que el agua miel esté depurado
en un 50% a 70% de la concentración inicial de DQOXLII. El próximo paso en el tratamiento es una laguna
facultativa, que anteriormente representaba el único tratamiento, en donde 30% a 50% de remoción de DQO
es esperado. Finalmente el agua va a un filtro biológico, denominado biofiltro, antes de infiltrarse en el suelo.
Figura 4.2 Tratamiento de aguas mieles en finca El Socorro
4.3 TRABAJO DE LA LAM
Teoréticamente el sistema LAM estaría en la capacidad de digerir grandes cantidades de aguas mieles. Debido
a que el agua miel es muy ácida, se necesita de un pre-tratamiento para evitar que el pH del agua sea muy
bajo. Valores bajos de pH inhiben el funcionamiento adecuado de la biomasa.
4.3.1 PARÁMETROS NECESARIOS PARA MONITOREAR SISTEMAS DE DA
Técnicas adecuadas y equipos adecuados de medición son necesarios para poder caracterizar la composición y
la concentración de sustancias en el agua. Para este fin mediciones permanentes, semi permanente y
mediciones en línea son preferidas por lo que dan al usuario la posibilidad de reaccionar al instante. Sin
embargo a nivel de una finca cafetalera no todos estos sistemas están a la disposición del cafetalero.
Este subpárrafo está basado en el informe de LeAF: “Características de las aguas residuales Agro-industriales
que afectan el tratamiento anaeróbico” (informe en inglés). Conocimiento de la variación en el patrón normal
es de gran valor en detectar eventos anormales y así poder tomar control para prever trastornos al
tratamientoXLIII. Usando este informe como base los parámetros necesarios para una operación óptima de un
sistema de DA serán dados. Cabe mencionar, no obstante, que la finca cafetalera en donde se han instalado el
sistema LAM no tiene las dimensiones de las industrias para las cuales se escribió este informe. Sin embargo, el
mismo da una idea de los parámetros que son interesantes a monitorear en un sistema de DA. Entre corchetes
se menciona la disponibilidad de estos sistemas de medición en el proyecto APT-APS en Matagalpa.
XLII
XLIII
SEGHEZZO, L. TDR. P.5. 2007
LEAF, AGROIWATECH, DELIVERABLE D1. PART 3. P. 3, 4. 2005
32
Alcalinidad [no disponible]
Alcalinidad es la capacidad del agua residual de atraer protones. También puede ser definido como el exceso
XLIV
de cargas positivas sobre los aniones de ácidos fuertes . Una alcalinidad alta significa una capacidad alta del
agua a amortiguar ácidos. Aguas con alcalinidad baja están en riesgo de causar una disminución repentina del
valor pH en el reactor, debido a procesos tales como la nitrificación o la acidificación. En el último caso se
efectúa una acumulación de ácidos grasos volátiles (AGV) y las bacterias de formación ácidas dominarán sobre
las bacterias de formación de metano. Alcalinidad puede ser medida a través de los diferentes materiales
contenidos en el agua (i.e. calcio y manganeso). Para esto mediciones de laboratorio son necesarias. En muchos
casos en procesos de DA, los AGV son la variable más importante que afecta la alcalinidad.
DBO [no disponible]
Como ha sido definido anteriormente, es la demanda bioquímica de oxígeno. O la cantidad de oxígeno por
unidad de volumen de agua consumida por los micro-organismos presentes en la muestra en un periodo
específico a una temperatura de 20° C. Generalmente un periodo de cinco días es usado. Fue desarrollado para
tener una indicación de la contaminación en ríos. Con unas pocas mediciones de DBO una estimación de la
biodegradabilidad de las sustancias orgánicas se puede obtener, puesto que cada tipo de agua residual tiene
una proporción constante de DBO/DQO.
DQO [data disponible y también disponibilidad de seguir mediciones]
La Demanda Química Orgánica se mide oxidando compuestos reducidos, más que todo materia orgánica en
agua con un oxidante químico (por lo general dicromato) y luego determinando la cantidad de oxígeno usado.
La única desventaja con este método es que no hace distinción entre materia biodegradable y nobiodegradable. Es un método relativamente rápido y seguro para determinar la contaminación orgánica en el
agua.
Conductividad [disponible, medidor continuo]
La conductividad eléctrica es una medida de la habilidad de un tipo de agua a conducir corriente eléctrica y
depende de la concentración de iones presentes en la solución. También se usa como medida para representar
los sólidos totales disueltos (STD).
Oxígeno disuelto [disponible, medidor continuo]
Oxígeno disuelto se usa generalmente en la operación y desarrollo de sistemas de tratamiento aerobios. Sin
embargo, para sistemas de DA también ayuda a caracterizar el agua entrante y los tipos de bacteria (aeróbicos
o anaeróbicos) que están presentes en el sistema (incluyendo los sistemas de post-tratamiento).
Flujo o corriente [disponible, método: de cubeta o molinete hidrométrico]
Mediciones pueden realizarse manualmente, pero mediciones continuas pueden obtenerse por medio de
métodos que miden el cambio de nivel de agua y que están basados en principios electromagnéticos o
ultrasónicos. Estos tienen la importancia de calcular las cargas de contaminación de la industria agro-industrial.
Nitrógeno [nitrógeno total, disponible]
Nitrógeno está presente en diferentes formas: orgánicamente ligado, nitrato, nitrito y amonio. En el
tratamiento biológico la mayor parte del nitrógeno orgánico se convierte en nitrógeno inorgánico, y una menor
parte terminara en la biomasa excesiva.
pH [disponible, medidor continuo]
pH es una medición de la concentración de protones, indicando una solución ácida o básica. Con mediciones
continuas el pH es muy efectivo en predecir la conducta del proceso biológico.
Potencial de redox [no disponible, no datos]
El potencial de redox puede ser considerado como una indicación del poder oxidativo de un líquido. Es el
potencial de un electrodo inerte presente en la solución.
XLIV
LEAF, AGROIWATECH, DELIVERABLE D2. P. 16. 2005
33
Sólidos Suspendidos (SS) [no disponible]
Para poder determinar los sólidos suspendidos se necesitan filtros que retengan las partículas más grandes del
tamaño del poro. Luego la muestra se seca y se pesa.
Temperatura [disponible, medidor continuo]
Es importante medir la temperatura para obtener una indicación del de temperaturas en las cuales los
procesos biológicos se efectúan. Hay diferentes medidores que pueden medir la temperatura continuamente.
Carbono Orgánico Total (COT) [aparato para usar reactivos disponible, reactivos no disponibles]
Método que mide físicamente o física/química-mente el carbón presente en una muestra al convertirla en CO2.
Toxicidad [no disponible]
La toxicidad no es una variable absoluta, pero siempre está ligada a un proceso biológico determinado. Por lo
tanto sus mediciones siempre envuelven el efecto de una sustancia en un proceso determinado. Especialmente
en el periodo inicial, el reactor es sensible a sustancias tóxicas que pueden inhibir el desarrollo de biomasaXLV.
Turbidez [no disponible]
La turbidez es una medición de la propiedad óptica del agua que causa la luz al ser absorbida y dispersa. Da una
indicación de la calidad del agua con respecto a materia coloidal y sólidos suspendidos. También puede
utilizarse como una medida de la concentración de SS.
Ácidos Grasos Volátiles (AGV) [no data disponible ni equipo de medición]
Los ácidos grasos volátiles son formados por compuestos orgánicos. Bacterias acidificantes todavía pueden
estar activas en ambientes donde el pH es 4.8. Esto significa que, mientras el proceso de acidificación continua,
el proceso metanogénico se ve inhibido debido a los valores bajos de pH. Cuando la capacidad amortiguadora
es baja, los AGV pueden llevar a una disminución drástica del pH, lo que a su vez llevará la actividad
metanogénica a un estado de inactividad y finalmente puede llevar a un fallo total del reactorXLVI. Este
problema se puede eludir añadiendo una cantidad apropiada de amortiguación por medio de dosificación de
cal al influente.
4.3.2 CARACTERÍSTICAS DEL AGUA MIEL QUE AFECTAN LOS SISTEMAS DE DA
Tratamientos anaeróbicos toman especial importancia cuando los valores de BDO exceden los 1000 mg/L. Si
estos valores son constantemente menores o fluctúan mucho entonces la biomasa pueda que no se retenga en
el reactor, si ésta no está bien granulada.
Algunos problemas en sistemas de DA pueden atribuirse a los siguientes factores:
• Cargas de contaminación fluctúan substancialmente. Puede preverse con un reservorio antes de la LAM
(existe en el Socorro),
• Altas concentraciones de sólidos. Puede preverse por medio de dispositivos de atajo y tanque (existe),
• Compuestos específicos, por ejemplo sustancias pécticas interfieren con la sedimentación de SS.
• Desequilibrio de la proporción C:N:P, puede prevenirse condicionando las aguas residuales, y
• Inicialización rápida de hidrólisis puede causar altos niveles de AGV.
En la tabla 2.4 un resumen fue dado de las características generales del agua miel. Sin embargo, con el fin de
comparar los resultados de los valores teoréticos y los valores encontrados de DQO, valores medios de la tabla
2.4 son usados, ver tabla 4.1. Cuando algunos valores no han sido medidos, supuestos serán usados y la
motivación de usar los mismos será dada. Como se ha explicado previamente existen dos flujos de aguas
residuales que se generan en la industria cafetalera en diferente hora. En este ejercicio asumimos una carga
orgánica constante y una mezcla completa, porque ambos flujos llegan juntos al reservorio y se mezclan allí.
Desde allí el agua miel es dosificada constantemente a la LAM en un periodo de 24 horas.
XLV
XLVI
LEAF, AGROIWATECH. DELIVERABLE D1. PART 1. P. 29. 2005
LEAF, AGROIWATECH. DELIVERABLE D2. P. 19. 2005
34
Tabla 4.1, Valores medios de las características del agua miel
Parámetro
SST (mg/l)
pH
Conductividad (µS/cm)
DBO (mg/l)
DQO (mg/l)
DBO:DQO
N : DQO
P : DQO
Producción (QQoro/año)
3
Uso de agua (m /QQoro)
Tiempo de cosecha (días)
Tiempo de Retención Hidráulica (días)
Promedio
9000
4
771
11500
20500
0.6
0.08
0.02
XLVII
XLVIII
Media de diseño
1000
7
2.00
90
9000
10000
0.2
800
0.35
90
7
Promedio
XLIX
L
4.90
LI
3956
3056
0.11
0.01
266
1.97
60
8.1
4.3.3 CORRECCIÓN DE PH
La necesidad de corregir el pH del agua se puede observar en la figura 4.3. En esta figura se demuestra el valor
de pH en el cual los diferentes procesos de digestión anaeróbicos trabajan mejor. En el eje horizontal el valor
del pH es dado, mientras que en el vertical los diferentes procesos presentes en DA.
Figura 4.3, pH optimal para diferentes procesos de DA (source: Seghezzo, L.)
El lugar en donde se realiza la corrección de pH es en la pila de pre
tratamiento (PPT). Antes de esta pila, hay otra pila pequeña (R1), de
3
aproximadamente 4 m , que se usa, más que todo, para recircular el agua
miel al momento de lavar los granos fermentados del café (los primeros 15
minutos aproximadamente), véase la figura 4.4. La próxima pila o reservorio
(PPT), funciona como una pila de ecualización para poder amortiguar las
fluctuaciones de DQO y de flujo. La figura 4.5 demuestra el diseño de esta pila
(R2). La pila tiene un volumen total de 14 m3. Este volumen se puede dividir
en 2 partes. La primera parte comprende los primeros 6 metros, de izquierda
3
a derecha, con un volumen de 9.5 m . La segunda parte, detrás del segundo
3
vertedero (izq. a derecha) tiene un volumen de 4.5 m . La dosificación de cal
debería realizarse en la primera parte de la pila (PPT). El valor medio del pH
del agua miel es de 4.9. Con el fin de calcular cuánto bicarbonato es necesario
para elevar el pH a un valor de 7 o 7.2 las próximas formulasLII son usadas:
Figura 4.4, Reservorio R1 y R2
XLVII
VALORES PROMEDIOS DE ACUERDO A LA LITERATURA
DISEÑO BASADO EN ESTOS VALORES PROMEDIOS DESPUÉS DE NEUTRALIZAR EL PH. VALORES DE DQO, BDO Y USO DE AGUA SON SUPUESTOS (2007)
VALORES PROMEDIOS PARA LA COSECHA 2009/2010 EN EL SOCORRO ENTRANDO AL SISTEMA LAM
L
VER APÉNDICE A
LI
IBID. COMBINACIÓN DE AGUA DE LAVADO Y DESPULPADO
LII
LEAF. AGROIWATECH. DELIVERABLE D1. P. 17, 18. 2005
XLVIII
XLIX
35
Figura 4.5 Pila de Pre Tratamiento (PPT) (R2)
pH = pK1 + log [HCO3]/[H2CO3]
[4.1]
[H2CO3] = KH * pCO2
pCO2 = Patm * CO2 porcentaje
KH = 1 / (H*R*KT)
[4.2]
[4.3]
[4.4]
[HCO3] = α0 * KH * pCO2 / α1
α0 = 1 / {10 * (pH – pK1) + 1}
α1 = 1 - α0
[4.5]
[4.6]
[4.7]
En donde,
pK1
[HCO3]
[H2CO3]
KH
pCO2
Patm
H
R
KT
α0
α1
= ácido carbónico
= bicarbonato
= ácido carbónico
= constante de Henry
= presión parcial de CO2 en biogás
= presión atmosférica
= proporción gas/líquida en conc. (for CO2)
= gas constante
= temperatura en grados Kelvin
= parámetro adimensional
= parámetro adimensional
[-]
[mol/L]
[mol/L]
[mol/atm]
[atm]
[atm]
[-]
[L*atm/(°K*mol)]
[°K]
[-]
[-]
El Socorro
6.3
0.00037LIII
0.00929
0.0344
0.27
0.9
1.2
0.082057
22
-0.0769
1.0769
Con un valor de pH inicial de 4.9 y usando las formulas [4.1] a [4.7] se deduce que la concentración de
bicarbonato [molaridad] del agua solo es de 0.37 mmol/L. Para aumentar el valor de pH a 7.2 una
concentración total de 73.88 mmol/L es necesaria en el agua miel del Socorro. Esto significa que todavía hay
que añadir 73.51 mmol/L de HCO3 al agua. La dosificación de Ca(OH)2 elevará la alcalinidad, vea [4.8].
2 CO2 + Ca (OH)2
-
2+
2 HCO3 + Ca
[4.8]
LIV
De aquí se desprende que 1 mmol/L de Ca(OH)2 llevará a 2 mmol/L de HCO3-. Esto significa que a fin de elevar
el pH a un valor de 7.2, una cantidad de 36.76 mmol/L de Ca(OH)2 debería de añadirse. Cuando esta
concentración se multiplica con la masa molar de Ca(OH)2 – 74 g/mol – nos da una cantidad de 2720 mg/L para
dosificar. Esto significa que cuando la primera parte de la PPT está llena una cantidad de 9500 L * 2720 mg/L =
25.84 kg de Ca(OH)2 debería dosificarse. Con uso promedio de agua de 2 m3/QQoro, esto aproxima a 5.44 kg de
Ca(OH)2 por QQoro. Por lo tanto con una producción esperada de 800 QQoro por lo menos 4352 kg de Ca(OH)2
deberían estar en reserva al comienzo de la próxima temporada. El precio al cual se vende esta cantidad es
LIII
LIV
CONCENTRACIÓN INICIAL DE BICARBONATO EN EL AGUA MIEL DEL SOCORRO (CON UN VALOR DE PH DE 4.9)
VAN DIJK, H. LECTURE NOTES CT2011. COLLEGE 8, DIA 40. 2010
36
LV
LVI
igual a 60 lb (1 lb = 0.453 kg) por C$ 172.00 (US$ 1 = C$ 21.40 ). Esto equivale a US$295.50 por tonelada de
hidróxido de calcio. Así que los costos de inversión, solo para la neutralización del pH aproximan a los US$
1286, sin tomar en cuenta costos de transporte. No obstante, cabe mencionar aquí que para poder
incrementar el valor de pH de 7 a un valor de 7.2 mucha alcalinidad es necesaria, lo cual no es estrictamente
necesario. Esto se puede observar en la tabla 4.2. Aun mas, en vez usar hidróxido de calcio, carbonato de calcio
debería usarse (los costos casi se reducen con un factor dos). Este material es más barato y más fácil de
encontrar. Los cálculos hechos a fin de tener una idea de la cantidad necesario de carbonato de calcio están
dados en el apéndice B.
Tabla 4.2 Costos necesarios para elevar la alcalinidad por QQoro tanto para hidróxido de calcio como para carbonato de calcio
pH correction
4.9 7.0
4.9 7.2
Kg CaCO3/QQoro
4.136
6.600
266 QQoro
US$ 147
US$ 232
800 QQoro
US$ 443
US$ 707
Kg Ca(OH)2/QQoro
3.424
5.440
266 QQoro
US$ 269
US$ 428
800 QQoro
US$ 809
US$ 1286
4.3.4 PRODUCCIÓN DE BIOGÁS (TEORÍA )
Los valores usados para diseñar la planta de TAAR están dados en la tabla 4.3. Los valores usados en esta tabla
son valores que fueron proveídos por el dueño de la finca. Las medidas ya fueron dadas en la figura 4.1.
Tabla 4.3 Algunos parámetros necesarios para poder calcular la producción de biogás
A fin de calcular la producción de biogás algunos valores son dados en la tabla 4.4 y algunas ecuaciones son
presentadasLVII.
Tabla 4.4 Valores usados para diseñar el sistema LAM
Parámetros
Eficiencia de LAM (LAMef)
Metano en biogás (CCH4)
DQOacetate
Volumen molar de gas (Vm)
Temperatura (Kabs)
Proporción BDO/DQO (rB/D)
Producción Teorética de CH4
TP CH4
OLR
DQOrem
NTP CH4
W CH4
Biogás
LV
LVI
Valor
50
70
64
22.4
273
0.9
0.35
Unidad
%
%
gDQO/mol
L/mol
°K
m3/kgDQO
Comentario
Asumido
Literatura
A 0 °C
A 0 °C
Asumido
Vea [4.1]
= Vm/DQOacetato
=Q*C
= OLR * LAMef
= DQOrem * TP CH4 * rB/D
= NTP CH4 * (KT0 + T(°C)) / (KT0 * Patm)
= W CH4 / CCH4
[4.9]
[4.10]
[4.11]
[4.12]
[4.13]
[4.14]
ING. RODRÍGUEZ, R. COMUNICACIÓN PERSONAL
BANCO CENTRAL DE NICARAGUA, 20 DE JULIO 2010: US$ 1 = C$ 21.40. ESTE TIPO DE CAMBIO SE APLICA EN LA TESIS AL NO INDICARSE COSA CONTRARIA
HOJAS DE CÁLCULO, SEGHEZZO, L. 2007
LVII
37
En donde,
TP CH4
= Producción teorética de CH4
Vm
= Volumen molecular de gas en condición ideal
DQOacetato = Peso de acetato en DQO
OLR
= Carga orgánica de DQO en agua miel
C
= Concentración de DQO en agua miel
DQOrem = Remoción de DQO
NTP CH4 = Producción teorética de CH4 en situación ideal
W CH4
= Producción de CH4 en condiciones variables de tiempo
KT0
= 273 grados Kelvin a 0 °C
T(°C)
= Temperatura media del agua
Biogás
= Producción de biogás
CCH4
= Contenido de metano en biogás
Otros parámetros como han sido definidos previamente.
3
[m /kgDQO]
[L/mol]
[gDQO/mol]
[kgDQO/d]
[kgDQO/m3]
[kgDQO/d]
[m3/d]
[m3/d]
[°K]
[°C]
3
[m /d]
[%]
Usando las ecuaciones [4.9] al [4.14] la producción total biogás es de 24.9 m3/d. Con un contenido de metano
de 70%, esto significa que un promedio de 17.5 metros cúbicos de metano son producidos diariamente. Por
eso 17.5 m3 de CH4* 90 días de cosecha = 1575 m3 CH4. Y el rendimiento por QQoro llevaría consigo (suponiendo
800 QQoro) = 1.97 CH4 m3/QQoro.
4.4 BIOGÁS
4.4.1 GENERAL
Biogás es uno de los subproductos mayores de DA. Consiste principalmente de metano y dióxido de carbono
LVIII
mientras que cantidades menores de ácido sulfhídrico, nitrógeno y vapor de agua están presentes también .
Debido al alto contenido de CH4 (≈ 70%) es considerado un producto de valor. El valor calorífico de metano (33
3
3
- 40 MJ/m ) en biogás es más alto que el de gas de hulla (17 - 18 MJ/m ) y menor al gas natural (39 - 80
3 LIX
MJ/m ) .
4.4.2 CAPTURA DEL BIOGÁS Y SU S ISTEMA DE TRANSPORTE
Cuando sistemas de almacenamiento son construidos, especial cuidado debe darse a la selección de
materiales, por cuanto el ácido sulfhídrico (H2S) es un gas altamente corrosivo y tóxico. Componentes de metal
debieran ser obviados o muy cuidadosamente diseñados. También existe la posibilidad de purificar el biogás.
Esto puede hacerse en una escala pequeña por medio de la desulfuración en seco usando sustancias férreas.
LX
Suelos localmente disponibles con contenido de hierro pueden usarse para este fin .
Para transportar el biogás, tuberías se pueden usar así también como mangueras. Las partes más vulnerables
del sistema son las conexiones; por lo tanto, las instalaciones de estas partes deben ser cuidadosamente
supervisadas. En caso de usarse tuberías, estas deben ser de PVC ó acero galvanizado. En caso de presentarse
altos contenidos de H2S, esto dará paso a corrosión del acero galvanizado y especialmente los metales no
férreos se dañaran rápidamente. Tuberías resistentes a rayos UV pueden instalarse sobre la tierra; mientras
que tuberías de PVC irán bajo tierra. En el último caso la susceptibilidad de ratas dañando la línea tomará en
LXI
cuenta .
El biogás puede también tener grandes cantidades de vapor. Por una gran parte, este vapor se condensará en
la pared de la capa y regresara como agua a la LAM. Pero en algunos casos el vapor penetrará a la tubería: esta
se enfriará a lo largo de la tubería (si es bajo tierra) y el vapor se condensara en la línea. En este caso es
importante que las líneas estén ligeramente inclinadas para que el agua condensada pueda drenarseLXII. En
varios casos un diámetro pequeño para la tubería será suficiente. En China, diámetros de 12mm y 20mm han
funcionado exitosamenteLXIII.
LVIII
BOMBARDIERE, Y.E. P. 19. 2000
BARNETT, A. P. 47. 1978
MUCHE, H. ZIMMERMAN, H. P 2. 1985
LXI
DEUBLEIN, D. STEINHAUSER, A. P. 187. 2008
LXII
BARNETT, A. P. 47. 1978
LXIII
LIX
LX
38
4.4.3 UTILIZACIÓN DEL BIOGÁS
Generalmente, el biogás es utilizado en sistemas de DA para calentar el influente. La energía es utilizada para el
proceso de producción ó para calentar el agua residual influente al reactor anaeróbico. Al hacer esto, la
eficiencia de la remoción de DQO es mejorada. Alternativamente, biogás puede ser utilizado para reemplazar la
necesidad de usar leña o gas natural. Más específicamente, para cafetaleros, el biogás puede ser utilizado para
secar el café. Además, otros usos que se han aplicado en Costa RicaLXIV, por ejemplo, es el uso de biogás como
fuente de energía para producir electricidad. Además, el biogás puede ser utilizado para calentadores de
radiación (para la cría de ganado joven: esto es, lechones y pollos), lámparas de biogás, incubadoras,
LXV
refrigeradoras y motores . Cuando todas las posibilidades mentadas anteriormente no se pueden aplicar la
mejor opción es de quemar el biogás en vez de ventarlo, lo cual incrementaría las emisiones de gas invernadero
con un impacto 21 veces mayor al impacto del dióxido de carbono.
En caso de que el biogás es solo utilizado para cocinar, alumbrar, calentar o refrigerar no es necesario que sea
condicionado. En caso que motores desearían ser utilizados, sea para re circular el agua residual ó para calentar
el influente del agua residual al sistema LAM en estudio deberá de realizarse al contenido de H2S para ver si hay
necesidad de un mecanismo para desulfurar.
La tabla 4.5 presenta algunos datos sobre la cantidad de biogás necesario para poder usar alguna de las
aplicaciones anteriormente mencionadas.
Tabla 4.5 Posibles aplicaciones para la finca el SocorroLXVI
Aplicación
Cocinar
Alumbrar
Calentador de radiación
Refrigerador
Motor
Demanda (L)
300
150
300
1200 - 1800
10000
Comentario
por persona por día
por día
por hora
por día (volumen de 100 L) dependiendo de la temperatura
por lo menos
4.4.4 EFECTO PERJUDICIAL DE H2S
El ácido sulfhídrico forma un ácido que corroe fácilmente las partes de combustión de los motores, el sistema
de escape y varios cojinetes. Este efecto se acentúa con cada encendido y apagado, con cortos tiempos de
ejecución y los cambios de temperatura al encender y al desconectar el motor. El contenido de azufre también
disminuye los intervalos de cambio de aceite, porque tanto el vapor del agua como el óxido de azufre (SO2) de
la combustión ambos se disuelven en el aceite lubricante cambiando las propiedades del mismo y tornando el
aceite ácido. Además, al usarse el biogás en cocinas o estufas es muy importante que el ambiente sea ventilado
para que la salud de los miembros del hogar no sea afectada. Ellos pueden ser quemados por SO2 en el aire.
Algunos indicadores son irritación de las membranas mucosas, tos y ojos llorososLXVII.
Además, óxido de azufre formado durante la combustión de biogás con contenido de ácido sulfhídrico
contamina el medio ambiente generando ‘lluvia ácida’. Esta lluvia ácida a su vez daña plantas y hace que suelos
con bajo contenido de calcio se conviertan en suelos ácidos que a su vez disminuyen la fertilidad del suelo. Sin
embargo, las concentraciones que se emiten en una planta en fincas pequeñas son insignificantes, en contraste
con grandes sistemas en zonas urbanas.
4.4.5 D ESULFURACIÓN
Antes de la desulfuración el contenido de azufre en el biogás debe ser medido. Esto puede hacerse de varios
modos: en el laboratorio, con el método de acetato de plomo, detección por medio de yodo y el método del
tubo de ensayoLXVIII. No obstante, estos métodos no son ni simples, ni económicos.
Varios métodos han sido empleados para la desulfuración del biogás, pero para plantas pequeñas solo hay
pocos métodos que se pueden aplicar. Entre ellos está el ‘proceso seco’. Aún, cuando el grado de purificación
no es el más alto, el mantenimiento y la complejidad técnica son fáciles de manejar. En este proceso la
LXIV
FEIL, F.S., P. 2. 2001
GTZ. P. 19. SIN FECHA, DESPUÉS DE 1997
LXVI
IBID. P. 19-23
LXVII
MUCHE, H. ZIMMERMAN, H. P. 8,9. 1985
LXVIII
IBID. P. 10
LXV
39
desulfuración están basados en la reacción química entre H2S y una sustancia adecuada. El principio es que el
material ferroso absorbente en un recipiente cerrado, a prueba de gas, purifica el gas cuando éste atraviesa el
LXIX
recipiente en dirección ascendente. De este modo el biogás es liberado de H2S .
Químicamente el material absorbente debe tener algún tipo de contenido férreo en la forma de óxido: óxidos
hidratados o hidróxidos. Estos reaccionarán de la siguiente manera:
2 Fe(OH)3 + 3 H2S Fe2S3 + 6 H2O
Fe(OH)2 + H2S FeS + 2 H2O
Este proceso tiene un límite y finaliza después de algún tiempo. Una gran parte del hierro está entonces
presente en la forma de sulfuro.
Regeneración ocurre al tratar el absorbente sulfurizado con oxígeno de la atmósfera. La sustancia férrea puede
devolverse a la forma de óxido activa necesaria para la purificación del gas:
2 Fe2S3 + 3 O2 + 6 H2O 3 Fe (OH)3 + 3 S2
2 FeS + O2 + 2 H2O 2 Fe (OH)2 + S2
Esta regeneración no puede ser aplicada perpetuamente. Después de algún tiempo el absorbente se satura y se
LXX
cubre de azufre elemental . Más información con respecto a cómo diseñar un sistema de desulfuración se
puede encontrar en la libreta: Purificación de Biogás, escrito por la GTZ (en inglés).
Otra opción que podría implementarse fácilmente en pequeñas fincas cafetaleras en la adición de una pequeña
cantidad de oxígeno en la capa de biogás de la LAMLXXI. Entonces la siguiente reacción se genera:
H2S + ½O2 H2O + So
Por un lado esto generará agua y por el otro lado el azufre se precipitará. Especial atención hay que darse al
hecho de no saturar la capa de biogás con oxígeno, porque metano puede ser explosivo al mezclarse con
oxígeno. En concentraciones de 5% al 10% de metano y de 90% al 95% de oxígeno una mezcla bastante
LXXII
explosiva se obtiene .
4.4.6 I MPACTOS EN LA C ULTURA , SALUD Y LA EDUCACIÓN
En algunas partes del mundo el uso de biogás conlleva cambios en la cultura y las oportunidades de educación.
Donde anteriormente sólo luz diurna se podía aprovechar para hacer tareas y otras actividades, ahora el uso de
lámparas de biogás prolonga el tiempo en el cual los estudiantes pueden aprovechar para estudiar. Encima de
esto, el tiempo que se utilizaba en buscar, juntar y transportar leña para cocinar, ahora puede ser empleado
para otras actividades. De experiencias en otros países se ha visto que mujeres, quienes por lo general son las
encargadas de buscar leña y luego preparar la comida, además de ayudar en los campos, tendrán más tiempo
LXXIII
para estar con sus hijos . Sin embargo, en casos donde la producción de biogás es solamente temporal, estos
beneficios se experimentarán también sólo en esta temporada. Una posible desventaja, es que los beneficios
del biogás serán sólo empleados para beneficio del dueño de la finca, mientras que los peones de la finca no
son tomados en cuenta. Además el hecho de tener más tiempo libre conlleva también la posibilidad de emplear
el tiempo en actividades de óseo, que no solo dañan al individuo, sino también a la sociedad.
Con respecto a los temas de salud, se puede mencionar que el uso de biogás en India y China, en vez de leña,
LXXIV
ha disminuido las infecciones de los ojos, los problemas de los pulmones y problemas respiratorios . Esto se
LXXV
debe más que todo a cocinas y casas sin humo ni cenizas .
LXIX
IBID. P. 11
IBID. P. 12
LXXI
VAN LIER, J. COMUNICACIÓN PERSONAL
LXXII
VROM INTERNET
LXXIII
LXXIV
ENERGÍA VERDE EN INDIA INTERNET
LXXV
INSTITUTE FOR SCIENCE IN SOCIETY INTERNET
LXX
40
4.5 POST TRATAMIENTO DE LAS AGUAS MIELES
Como ha sido explicado anteriormente en el párrafo 4.2.2 el tratamiento posterior en la finca El Socorro
consiste de una laguna facultativa seguida de una biofiltro. El modo de trabajo de una laguna facultativa fue
explicado en el párrafo 3.3.2. El biofiltro es un sistema de humedales, o agua harmónica, en donde el agua es
infiltrada luego de que una gran parte de la concentración de DQO ha sido removida. En este humedal, zacate
de Taiwán (elephant grass) ha sido plantado (véase la figura 4.6) el cual se alimenta del agua residual de la
laguna facultativa; beneficiándose de esta manera por el contenido alto de nutrientes del agua miel tratada y
produciendo a su vez biomasa que se utiliza como compost en las plantaciones de café.
El agua que se infiltra en el suelo tendrá un tiempo de residencia de algunos días antes de llegar al riachuelo de
El Ocote. Esto dependerá en gran manera de la permeabilidad del suelo y del gradiente de energía entre el rio y
el nivel freático alrededor.
Figura 4.6, Sistema de biofiltro en El Socorro
41
5. LAGUNA ANAERÓBICA MEJORADA (LAM)
En este capítulo los resultados obtenidos durante la cosecha 2009/2010 son dados. Los resultados están
presentados en orden cronológico así como en el orden por medio del cual el agua miel pasa por el sistema.
5.1 COSECHA 2009/2010
La cosecha del 2009/2010 se caracterizó por poca lluvia durante el periodo de maduración de las cerezas del
café y prolongados periodos de sequía. Comparando la producción de QQoro en esta temporada con las
temporadas anteriores los resultados son pobres, véase la figura 5.1.
Figura 5.1, Cantidades de cosecha en las últimas 6 temporadas
En otras temporadas, la cosecha se efectúa en 90 días, sin embargo, a causa de las condiciones climáticas
extrañas en esta temporada la cosecha se finalizo en solo 60 días. En la tabla 5.1, los días y las cantidades de
cerezas cosechadas están dados. Se puede ver que en octubre solo durante una se mana se cosechó y luego
tres semanas más tarde las cosecha regular comenzó. Los números mostrados en esta tabla representan el
número de latas cortadas por día. 20 latas equivalen a un quintal oro (QQoro).
El domingo, por lo general es el día de asueto. Esto significa que los cortadores trabajan 6 días por semana y 8
horas por día (de 6:00 a 14:00 horas). Sin embargo, muchos de ellos tienen que caminar por una o dos horas
para llegar a su trabajo y un tiempo igual para regresar a sus hogares.
El total de QQoro producidos en esta cosecha fue de 266. Observando el tipo de producción normal, esta
LXXVI
cantidad está del lado bajo. Con datos de Procafé
se deduce que una finca bien administrada y manejada
produciría una cantidad de 25 QQoro/mz mientras que un ara menos cultivada produce 10 QQoro/mz. En el caso
de la finca El Socorro la proporción de producción era apenas de 6.5 QQoro/mz. En el primero y segundo caso,
los costos de inversión son de 48.02 US$/QQoro, respectivamente 57.11 US$/QQoro, esto significa que para la
finca El Socorro los costos de inversión fueron de aproximadamente unos 60 US$/QQoro. Asumiendo este valor,
los gastos de inversión para la última cosecha alcanzaron los 16 000 US$.
Los precios promedio para el QQper fluctuaron entre los C$ 1100 y los C$ 1250LXXVII. Esto representa un valor de
CS 2200 a C$ 2500 por cada QQoro. Asumiendo un valor promedio de CS 2400, la producción total se vendió a
un valor de: 266 [QQoro] * 2400 [C$/QQoro] / 20.90 [US$/C$] = 30 500 US$.
LXXVI
LXXVII
PROCAFÉ, COSTOS-PRODUCCIÓN. PÁGINAS 8-13. 2009
TORRES, J.P. COMUNICACIÓN PERSONAL
Tabla 5.1 Temporada de cosecha 2009/2010
Noviembre Octubre
Enero
Diciembre
2009
Número de latas cereza durante la temporada de cosecha 2009/2010 en El Socorro
Semana Lunes
Martes
Miércoles
Jueves
Viernes
Sábado Total/semana
2010
42
41
87
88
108,8
51
334,8
42
0
43
0
44
0
45
46
64
72
96,5
232,5
157
130
121,5
198,5
108
145
860
47
128
139
119,5
112
95
81
674,5
48
74,5
90
97
103
96
98
558,5
49
98
85
148
142
71,5
42
586,5
50
45,5
68
82
53
69
73
390,5
51
73
95
87
51,5
Navidad
46
352,5
52
141,5
73
80,5
87
Año Nuevo
107,5
489,5
1
2
68,5
87
70,5
36
45
54
58,5
262
157,5
3
62
87
75,5
75
66
55,5
421
4
TOTAL
0
5319,8
En la tabla 5.1 también se puede ver que después de la primera semana de enero la producción
repentinamente cesa. Esto se debe a que casi todas las cerezas ya habían sido cortadas, y aquellas que todavía
no estaban cortadas aun estaban verdes. Por lo tanto, por una semana las cerezas se dejaron madurar y luego
se cortaron las ultimas cerezas, en varios casos también las de menor calidad. Al fin también aquellas cerezas
que no están maduras son cortadas y se dejan secar al sol (aplicando el método de beneficio seco) para el
consumo local. Los diferentes colores indican cuando se tomaron muestras la leyenda se muestra en figura 5.2.
Table 5.2 Legend for table 5.1
Todavía no en Matagalpa
Misión de Jacco
Muestras del lavado
Muestras del despulpado
Muestras tanto del lavado con del despulpado
Sin muestras por falta de vehículo
Vacaciones
Error en muestras
Repela: solo despulpado
5.2 MUESTREO DE AGUA MIEL
A fin de calcular la eficiencia de la LAM y el sistema de post tratamiento, muestras de agua debían tomarse del
proceso de despulpado como del proceso del lavado. Estas muestras se denotan como Mc (muestra
compuesta). Además, muestras fueron tomadas del influente al sistema LAM (PPT), el efluente del sistema LAM
(el cual también es el influente a la laguna facultativa) y el efluente de la laguna facultativa (LAR). En este
capítulo la laguna facultativa ha sido llamada LAR (Laguna Anaeróbica Rústica).
5.2.1 RESULTADOS DEL MUESTREO DE AGUA MIEL
Los diferentes parámetros que fueron monitoreados están presentes en la tabla 5.3 abajo.
43
Tabla 5.3 Parámetros de monitoreo en Finca el Socorro por localidad
Localidad de
Monitoreo
Mc
PPT
LAM
LAR
El Ocote
DQO
P-Tot.
N-Tot.
Cond.
Const.
Constante
Constante
Constante
A veces
Const.
Const.
Const.
Const.
NO
Const.
Const.
Const.
Const.
NO
Const.
Const.
Const.
Const.
A veces
Carga
Electr.
A veces
A veces
A veces
A veces
A veces
O2
pH
Const.
Const.
Const.
Const.
A veces
Const.
Const.
Const.
Const.
A veces
T
[°C]
Const.
Const.
Const.
Const.
A veces
El resultado de los diferentes procesos está dado en las tablas 5.4 y 5.5.
Table 5.4, pH and COD values of the treatment system together with P-total values
Tabla 5.5, Concentración y carga de N-total y COT en las aguas residuales del sistema
Las muestras de agua fueron tomadas en la mañana, y cuando lo fue posible también en la tarde. En la mañana
el lavado de los granos cortados el día anterior se efectuaba, mientras que en la tarde las cerezas cortadas ese
mismo día se despulpaban.
5.3 EFICIENCIA DEL SISTEMA LAM
5.3.1 REMOCIÓN DE DQO
La eficiencia del sistema LAM se basa en la remoción del DQO. De acuerdo a la tabla 5.4 la purificación en el
sistema LAM fue bastante baja. El sistema LAM fue diseñado para reducir la contaminación de DQO en un 50%
a un 70%, sin embargo, solo una remoción de 30% se pudo observar (kgCOD/día). En la figura 5.2 los valores de
DQO se presentan durante la cosecha. Especialmente, después de la repela, el DQO entrando a la LAM es más
bajo que el DQO saliendo de la LAM. Esto puede tener dos razones. La primera sería que durante la repela los
últimos granos que son cortados no están completamente maduros por lo que no tiene mucha materia
orgánica. La segunda razón posible es que se tome en cuenta el tiempo específico de retención hidráulica
(aproximadamente 8 días).
Figura 5.2, Eficiencia del sistema LAM (eje vertical: carga de kgDQO/día)
44
Mirando a las concentraciones promedias de DQO entrando y saliendo de la LAM observamos la siguiente
figura (5.3).
Figura 5.3 Concentraciones de DQO (COD) entrando y saliendo del sistema LAM y el valor promedio del pH entrando al la LAM
5.3.2 VALORES DE PH
Como ha sido mencionado anteriormente en el subpárrafo 4.3.3 (corrección de pH), los valores encontrados en
el sistema LAM son demasiado bajos para que se dé la fase metanogénica.
5.3.3 NITRÓGENO
Los elementos de nitrógeno y fósforo son esenciales para el crecimiento de micro organismos. Habitualmente
se los denota como nutrientes of bio-estimulantes. Otros elementos en cantidades menores, tales como hierro,
también son necesarios para el crecimiento de micro organismos pero en la mayoría de los casos N y P son los
LXXVIII
más importantes. Insuficiente nitrógeno puede llevar a un tratamiento menos eficaz del agua residual
.
Tabla 5.6 Composición de la pulpa del café, pergamino y mucilagoLXXIX
La cereza del café contiene nitrógeno en la pulpa, en el pergamino y en el mucilago. Vea la tabla 5.6. De estas
tres fuentes el agua miel es suplida de nitrógeno. Durante el monitoreo en la temporada 2009/2010 en
nitrógeno total fue medido. El nitrógeno total abarca el nitrógeno orgánico, amoniaco (NH3), amonio (NH4),
LXXVIII
LXXIX
TCHOBANOGLOUS, G. ET AL. P.60. 2003
ADAMS, M.A. P. 131. 2006
45
-
-
nitrito (NO2 ) y nitrato (NO3 ). La fracción orgánica consiste de una compleja mixtura de compuestos incluyendo
al amino ácido, amino azúcar, y proteínas (los cuáles todos están presentes en uno o más de los procesos DA).
El contenido total de nitrógeno fue determinado durante el trabajo de campo con el Método 10072 del manual
de procedimientos Hach para el Colorímetro DR/890 (se proporciona por la Hach en www.hach.com). Cuando
los valores de pH son menores a 7 la concentración de amonio nitrógeno en el agua solo puede estar presenta
en la forma de NH4+. La remoción de nitrógeno en la LAM se puede atribuir a dos causas. Una es el nitrógeno
usado por las bacterias para formar mas biomasa y la otra es que parte del amonio ha sido oxidado
anaeróbicamente como en el proceso annamox en donde el nitrito se usa para oxidar amonio. La reducción en
la LAM de nitrógeno total fue del 20%.
5.3.4 F ÓSFORO
El fósforo también se considera como un elemento importante en la contribución al crecimiento de algas y
otros organismos biológicos. Es debido a esta característica que hay mucho interés en controlar la cantidad de
fósforo que llega a las aguas superficialesLXXX. Sin embargo, hasta cierto punto es triste, que las normas
nicaragüenses no tienen valores límites a las descargas de nitrógeno o fósforo en las aguas residuales.
El contenido de fósforo que se mide en el agua miel representa el ortofosfato PO43-. Ha sido determinado
usando el método 8048. La remoción de fósforo en la LAM fue de 28% de un valor promedio de 128 g/día a un
3valor de 92 g/día de PO4 .
5.3.5 REQUERIMIENTO DE NUTRIENTES
Basado en el esperado término de crecimiento y la formula empírica para células anaeróbicas (C5H7O2NP0.06S0.1)
los siguientes requerimientos son calculados:
Substrato acidificado:
Substrato no acidificado:
COD:N:P = 1000:5:1
COD:N:P = 350:5:1
Para la parte acidificada del substrato, a partir de las tablas 5.4 y 5.5 se puede ver que la condición es alcanzada
fácilmente con la proporción de 3053:347:16. Para la condición, más exigente, del substrato no acidificado la
proporción en la finca El Socorro es de 350:40:1.8. Está proporción cumple con ambas condiciones y por lo
tanto no hay necesidad de añadir extra nutrientes.
5.3.6 CARBONO ORGÁNICO TOTAL (COT)
En adición a estos nutrientes también el carbono orgánico total (COT) fue monitoreado para algunas muestras.
El COT se encuentra en los amino azúcares y los polisacáridos entre otros. Las proporciones de DBO/COT para
aguas residuales domésticas no tratadas varían entre 1.2 y 2. Asumiendo el mejor escenario una proporción de
2 para el agua miel correspondería con un valor de 2 DBO/COT * 665 mg COT/L a un valor de 1330 mg DBO/L.
Esto equivale a un 44% del valor medio de DQO, el cual era 3053 mg DQO/L. Comparando la remoción de COT
con la de DQO estas se correlacionan bastante bien, respectivamente con valores de 32% y 30%. Hay que
tomar en cuenta que la cantidad de muestras de COT fueron mucho menores a las de DQO (25 contra 91).
5.3.7 F ACTORES QUE CONTRIBUYERON A UN MAL FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA LAM
Uno de los factores más importantes que inhibieron la remoción de DQO en el sistema LAM durante toda la
cosecha de 2009/2010 fueron los constantes valores bajos de pH. A pesar de varios esfuerzos del equipo local,
la compra de cal no estuvo lista a tiempo para aplicar las cantidades necesarias. Y en aquellos casos cuando si
hubo cal, éste no era correctamente aplicado. Como puede verse en la figure 5.3, los valores de pH estuvieron
en el rango de 5 y 6 con un valor medio de 5.35 (véase la tabla 5.4). Del subpárrafo 4.3.3 y especialmente de la
figura 4.3 se hace obvio que durante la última cosecha sólo las fases de hidrólisis y acidificación cumplieron su
objetivo. Con esto queremos decir, que la fase metanogénica no ocurrió y probablemente las burbujas que se
miraban durante el trabajo de campo era H2S en menores cantidades y especialmente CO2.
Otro factor perjudicial para el buen funcionamiento del sistema LAM fue el hecho que durante el 26 y el 27 de
Noviembre la LAM se vació con el propósito de mejorar la distribución de las tuberías al fondo de la LAM.
Existía la sospecha que no todas las tuberías llevaban flujo pero que algunas estaban tapadas, véase la figura
5.4. Está sospecha probó ser cierta y al final la reparación del problema tomo varios días, sin mencionar el
LXXX
TCHOBANOGLOUS, G. ET AL. P. 63. 2003
46
llenado de la LAM. Debido a este retraso, casi un mes entero de datos concernientes al funcionamiento de la
biomasa no se pudieron obtener. El 22 de Diciembre se volvió a usar la LAM de forma regular.
Figura 5.4 y Figura 5.5, Reparación del sistema de distribución de la LAM
Además, durante el vaciado de la LAM, la biomasa presente fue accidentalmente removida por una buena
parte (véase la figura 5.5). Daros concernientes a los contenidos de biomasa antes y después este evento
faltan.
5.4 EFICIENCIA DEL SISTEMA LAR
5.4.1 REMOCIÓN DE DQO
El sistema LAR, que en realidad es una laguna facultativa tuvo un buen funcionamiento en la temporada
2009/2010. Cuando inicialmente se había esperado una remoción de un 30%, la purificación alcanzada en esta
laguna llegó hasta el 60%, llevando la eficiencia combinada de la LAM y la LAR a un 70% como se puede ver en
la tabla 5.4. La carga promedio de DQO producida en la finca El Socorro fue de 25.6 kgDQO/día, mientras que la
carga saliente de la LAR estaba en 7.7 kgDQO/día. La figure 5.6 enseña las concentraciones de DQO en tres
diferentes partes de la finca El Socorro.
Figura 5.6 Concentraciones de DQO en los sistemas LAM y LAR
Los diferentes sitios de monitoreo están visualizados en la figure 5.7.
47
5.4.2 REMOCIÓN DE NITRÓGENO
La remoción de nitrógeno es mayor en la laguna facultativa que en la LAM, 36% contra el 20%. Una posible
razón puede ser el hecho que debido al carácter facultativo de la laguna también algún tipo de denitrificación
aeróbica suceda, aunque la concentración de oxígeno disuelto en esta parte era 1.49 mg O2/L, véase tabla 5.7.
5.4.3 REMOCIÓN DE FÓSFORO
La remoción de fósforo es similar en el sistema LAR (30%) como en el sistema LAM (28%). Esto puede indicar
que el mismo tipo de procesos que ocurren en el sistema LAM también estén presentes en el sistema LAR. En
total la remoción adquirida sobre los dos sistemas es de 49%.
5.4.4 REMOCIÓN DE COT
La concentración de carbono orgánico total parece ser mejor removida (72%) en la LAR que en la LAM (32%). La
remoción de COT en ambos sistemas suma un 81%.
Figura 5.7 Lugares de monitoreo en finca El Socorro (óvalos rojos)
Tabla 5.7, Concentraciones de oxígeno disuelto luego de cada paso del tratamiento en el Socorro
Oxígeno Disuelto (mg/Lt)
LAVADO
DESPULPADO
Fecha
PPT
LAM
LAR
24-12-2009
28-12-2009
29-12-2009
30-12-2009
31-12-2009
1-1-2010
4-1-2010
5-1-2010
6-1-2010
7-1-2010
15-1-2010
18-1-2010
19-1-2010
20-1-2010
21-1-2010
22-1-2010
Promedio
0,64
0,07
0,60
0,34
0,37
1,08
0,23
0,79
0,16
1,68
0,32
1,54
0,19
1,19
1,12
0,84
1,19
1,63
2,34
1,26
2,14
2,74
1,76
0,85
0,97
2,13
2,27
0,02
1,69
1,94
0,24
1,52
3,36
0,64
1,43
1,49
PPT
LAM
LAR
0,20
0,51
0,53
0,48
0,33
0,64
1,32
0,71
1,11
0,64
1,63
1,14
0,11
0,17
1,04
1,58
1,90
1,27
0,77
1,12
0,48
1,69
1,05
0,67
1,63
2,59
0,87
2,11
3,55
1,35
1,93
3,03
1,38
48
5.5 BIOFILTRO
La reducción de nutrientes y de la carga de DQO es muy difícil de asesorar en el biofiltro. Solo pocas muestras
fueron tomadas del riachuelo El Ocote, aguas arriba y aguas abajo del biofiltro, el ultimo sistema de
tratamiento en la finca El Socorro. Estos pocos muestreos dan a conocer valores menores a los 200 mg DQO/L,
lo cual es la norma nicaragüense. El efecto que el agua residual tiene sobre El Ocote era muy difícil de calcular
puesto que el agua tratada es infiltrada en el subsuelo y por medio de corrientes subterráneas el agua alcanza
los cursos naturales, como lo es El Ocote. No hay datos disponibles sobre características del suelo y la variación
del flujo del Ocote es desconocida en suficiente detalla.
5.6 EFICIENCIA DE DISTINTOS PARÁMETROS
La eficiencia de las distintas fases de tratamiento que deberían cumplirse para cumplir con la ley nicaragüense
es difícil de contabilizar. De acuerdo a MARENA (ver sección 2.5), el decreto 33-95 demuestra que el parámetro
de mayor interés para aguas mieles es el DQO. Esta concentración no debería superar los 200 mg/L.
En la última temporada los valores promedios de la concentración de DQO fueron de 3053 mg/L. Y la eficiencia
del sistema LAM fue de 30%. En la siguiente fase la eficiencia en términos de carga fue de 58%. Al sumar estas
dos eficiencias nos da un valor de 70% de eficiencia medida. Sin embargo, como ha sido explicado en el párrafo
previo, todavía existe un tercer tratamiento. El cual es más difícil de medir, véase el párrafo 5.6. Con los
presentes primeros dos tratamientos una reducción en la concentración de DQO se realizo hasta de un 70%
llevando los valores a un promedio de 1000 mg/L como efluente de la LAR. Este valor todavía es muy alto para
descargar en aguas receptoras. Asumiendo una reducción de 50%LXXXI en el biofiltro una concentración final de
500 mg/L se puede esperar. Sin embargo, debido a la mezcla y dilución con agua subterránea el valor real es
muy difícil de medir. El sistema de LAM ha sido diseñado para trabajar con eficiencias en el rango de 50% a
75%. Asumiendo una eficacia de 70% en el sistema LAM y una de 60% en el sistema LAR la concentración de
DQO se reduciría drásticamente a unos 366 mg/L y después del biofiltro la concentración de DQO cumpliría
fácilmente con las normas de MARENA.
5.7 PRODUCCIÓN DE BIOGÁS
Como ha sido calculado previamente y asumiendo una producción de 800 QQoro en una temporada de 90 días
3
3
3
la producción promedio de biogás sería de 25 m /día. De estos, 17.5 m representan metano (1.97 m /QQoro).
Debe de mencionarse, sin embargo, que la producción de metano también se puede incrementar con la pulpa.
En esta tesis menor, no obstante, este estudio no se desarrolla.
De acuerdo a la figure 4.3 y a los valores de pH mostrados en la tabla 5.4 no hubo ninguna producción de
biogás. Mirando a la situación de equilibrio entre HCO3- y CO2, y los valores de pH en el sistema LAM, no había
casi nada de alcalinidad presente en el sistema. La figura 5.8 muestra que con un valor promedio de pH de 5.35
casi el 95% del equilibrio entre bicarbonato y dióxido de carbono consiste de CO2.
Figura 5.8 Situación de equilibrio a distintos valores de pH
LXXXI
HELLER, M. P.49. 2008
49
Sin embargo, a fin de poder hacer un cálculo del potencial que hubo durante la última zafra para producir
biogás se asumirá que las 4 fases como está descritas en el capítulo 3.5 se llevaron a cabo. Por eso en vez de
usar la producción asumida en el diseño de 800 QQoro, se usa la producción que hubo de 266 QQoro. Datos
correspondientes al uso de agua durante la cosecha 2009/2010 se muestran en las tablas 5.8 y 5.9. Los datos se
obtuvieron al medir tres veces la producción de agua miel durante el lavado y tres veces durante el
despulpado. La producción total de aguas mieles fue de 1.97m3/QQoro.
Tabla 5.8 Uso de agua durante el despulpado
Uso de agua durante el despulpado
Fecha
18-Ene
20-Ene
21-Ene
Latas
62
75,5
71,5
QQoro
3,1
3,775
3,575
3
m /QQoro
0,556
0,728
0,452
Promedio
0,579
Tabla 5.9 Uso de agua durante el lavado de los granos fermentados
Uso de agua durante el lavado
Fecha
Latas
QQoro
m3/ QQoro
17-Dic
82
4,1
1,029
6-Ene
87
4,35
1,068
15-Ene
45
2,25
2,085
Promedio
1,394
Al cambiar algunos valores que habían sido asumidos previamente con los valores que se encontraron durante
el estudio de campo 2009/2010 la tabla 5.10 se puede producir.
Tabla 5.10 Valores usados para calcular la producción de Biogás 2009/2010
Parámetro =
Información básica
Laguna Anaeróbica Mejorada
Flujo (m3/d) =
Concentración (kg DQO/m3) =
TRH (d) =
Profundidad (m) =
Volumen (m3) =
Lados (arriba) (m) =
Lados (abajo) (m) =
Área (arriba) (m2) =
Área (abajo) (m2) =
Velocidad ascendente (arriba) (m/h) =
Velocidad ascendente (abajo) (m/h) =
Carga Orgánica Volumétrica (kg DQO/m3.d) =
Puntos de inyección de influente =
Distancia entre puntos de inyección y fondo (m) =
Valores para
09/10
8,60
3,05
8,06
4,00
69
6,00
2,00
36,00
4,00
0,01
0,09
2,92
4
0,20
Los valores que se cambiaron fueron: DQO (de 10000 mg/L a 3053 mg/L), DBO (de 9000 mg/L a 1330 mg/L supuesto a partir de las concentraciones medidas de COT, véase sección 5.3.6). Al usar valores encontrados en
la literatura la proporción de BOD/COD para agua miel se encontraba en promedio de 0.58 en Xalapa,
LXXXII
México
, sin embargo durante el periodo del pruebas esta proporción variaba entre 0.33 y 0.83.
Temperatura (supuesta 25 °C, medida 22 °C); consumo de agua (de 9.11 m3/día a 8.60 m3/día, véase tablas 5.4
y 5.5 en las cuales el uso de agua promedio es calculado con los datos de las tablas 5.8 y 5.9) y la eficiencia de
remoción del sistema LAM se pone en un 50%.
Aplicando las formulas mencionadas en la sección 4.3.4 la producción de biogás drásticamente se reduce a 3.43
3
3
m /día, lo cual sólo conlleva una producción de 2.40 m /día de metano. Esto equivale a una producción de 0.53
3
m de CH4/QQoro. Usando las proporciones de DBO/DQO encontradas en la literatura sobre Xalapa, México la
3
producción de biogás sería de 4.57 m /día. Y aplicando la variabilidad esto llevaría a producciones entre los
3
3
2.60 m /día y 6.54 m /día. Lar grandes diferencias entre la producción obtenida en estos cálculos y la
producción estimada en el diseño se debe a los altos valores supuestos en el diseño. Entre otros los altos
LXXXII
BELLO-MENDOZA, R. AND CASTILLO-RIVERA, P. 219-225. 1998
50
valores de concentraciones de DBO, la temperatura del agua (menor influencia) y la zafra cafetalera de 90 días
en vez de los 60 días que se cortó café con una producción total de 800 QQoro en vez de los 266 que se
produjeron.
5.7.1 POSIBILIDADES PARA APROVECHAR EL BIOGÁS EN LA FINCA EL SOCORRO
La utilización de biogás en un beneficio húmedo puede tener varios usos, como se menciona en la sección
4.4.3. En México, por ejemplo, se ha hecho un estudio sobre la cantidad de digestores anaeróbicos
implementados que tratan las aguas residuales de industrias agro-industriales. De este estudio los beneficios
de café han sido extraídos para ver qué cantidades de biogás son producidas y qué usos se le da al biogás. Ver
tabla 5.11.
Tabla 5.11 Producción y utilización de biogás provenientes de fincas cafetaleras en Veracruz, MéxicoLXXXIII
Nombre
Lugar
Bola de Oro
Coatepec
Tlapexcatl
Huatusco
Huatusco
Misantla
Catemaco
Emiliano Zapata
Solidaridad
Pr. M. Sodas
V. Guerrero
Cerro Cintepe
Flujo
3
[m /d]
22.5
3-4
60
375
50
29-43
57
DQO
[g/l]
5
3–6
3–6
2.25
1.5-2.5
8 - 12
4 – 7+
T
[°C]
35
18-20
18-20
17-19
18-20
20
20
OLR
3
[kgDQO/m d]
0.45
3
3
1.875
1.83
4
1.5 - 2
Roma
+
DBO
* Esperado, planta de tratamiento de aguas residuales estaba siendo instalado en 1998
TRH
[d]
11
2.5-3.3
1.5
1.2
2
2.5-3.8
7 - 10
DQO
Rem.
+
97%
70%
75%
73%
60%
83%*
90%*
Biogás
3
[m ]
7.7
96
204
47
120
Uso del
biogás
Al aire
Cocinar
Quemar
Quemar
Quemar
Secar café
Al aire
Debido a lo relativamente pequeño del tamaño de la finca El Socorro el secado de café no sucede en la finca
misma sino que varios cafetaleros medianos y pequeños, llevan su café a lugares centrales donde los vende y
estando allí se seca el café. Don Raúl, lleva su café a la ciudad de Matagalpa para el secado. Por esto, esta
opción no es relevante para El Socorro. Y como ha sido calculado, la producción de biogás es muy pequeña.
Dentro de la finca El Socorro hay tres casas. El encargado de la finca, Constantino Rodríguez, quien también es
el responsable del sistema de tratamiento del agua miel, vive en una casa que está muy cerca de la LAM (15 m).
Durante la zafra, su familia lo acompaña con regularidad en la finca. Este hogar está compuesto por 6 personas:
Constantino, su esposa y tres niños mas su hermano. Esta casa pequeña se encuentra detrás de la oficina del
dueño: Raúl Blandón. En la segunda casa, localizada a unos 170 m de la LAM, viven 3 personas mientras que en
la última casa 7 personas viven (230 m de la LAM). Las casas están conectadas a la red de energía eléctrica
nacional regulada por INE y en manejo de Unión FenosaLXXXIV. La fuente de energía es fuerza hidroeléctrica
generada en el lago de Apanás por la planta Hydrogesa.
La casa del encargado no tiene una estufa de gas; en lugar de eso, ellos cocinan con leña. En la casa misma los
aparatos que se usan que consumen energía son: bombillas de luz, radio y cargador de teléfono celular. En la
oficina de Don Raúl, sí se encuentra una estufita de gas. Está estufa se usa con un cilindro de gas propano.
Las ganancias que pueden obtenerse al hacer uso del biogás (el contenido de metano) puede expresarse en
términos de electricidad consumida o en términos de gas propano que de otra manera se hubiera comprado.
GAS PROPANO :
LXXXV
El precio de un cilindro de gas de 25 lb
(ó 11.3 kg), el más usado, es de US$ 11.45. Los diferentes cilindros
en los cuales se vende el gas tienen capacidades de 10 lb, 25 lb, 50 lb y 100 lb. La densidad de metano es de
0.717 g/L. Esto equivale a 0.717 kg/m3. A fin de tener la misma cantidad de libras por cilindro: 11.3475/0.717 =
15.82 m3 de CH4 de metano se necesitan. En este caso el precio de 1 m3 de CH4 es de US$ 0.723. Cabe
mencionar que el precio del gas propano en Nicaragua ha sido muy fluctuante en los últimos años. En la
actualidad los precios del gas propano son similares en los países de América Central con excepción de El
Salvador donde el gas propano es subsidiado. Véase la tabla 5.12.
LXXXIII
LXXXIV
LXXXV
MONROY, O. P. 2-5. 2000
ABREVIACIÓN DE LIBRA
51
Tabla 5.12 Precios de gas propano en países CentroamericanosLXXXVI
E LECTRICIDAD :
El precio que se ha pagado en los últimos 10 meses en la zona donde se encuentra la finca ha tenido un
promedio de C$ 5.63 por kWhLXXXVII, esto equivale a US$ 0.263 por kWh. 1 m3 de CH4 tiene un contenido
energético de 35.86 MJ/m3 (a 0° C y una presión atmosférica de 1 atm.), así que 1 m3 de CH4 ≈ 10 kWh. Sin
3
embargo, a fin de convertir 1 m de CH4 en electricidad 20% es perdida del proceso, 50% se va en calor y solo
LXXXVIII
3
queda 30% como electricidad
. Por lo tanto 1 m de CH4 es aproximadamente equivalente a 3 kWh. Esto
3
significa que un precio de US$ 0.79 se ahorra por 1 m de CH4. Los costos ahorrados al convertir biogás en
electricidad o usándolo en vez de gas propano, dependerán en gran manera en las posibilidades de usar esta
fuente renovable de energía en la localidad misma.
Debido a la baja cantidad de biogás que se hubiera podido producir en la finca El Socorro las posibilidades para
usar el biogás son reducidas. Estas posibilidades están nombradas en la tabla 5.13, que es una copia un poco
más elaborado de la tabla 4.5.
Tabla 5.13 Posibles aplicaciones para la finca el SocorroLXXXIX
Aplicación
Alumbrar
Calentador de radiación
Refrigerador
Demanda de
Biogas (L)
150 – 300
40 - 165XC
120 - 150
200 - 300
30 - 75XCI
Motor
10000
Cocinar
Comentario
por persona por comida
1 litro de agua, resp. 5 litros de agua
por día
por hora
por hora para un volumen de 100 L, dependiendo de la
temperatura de afuera
por lo menos
La utilización de biogás puede ser un beneficio directo o indirecto para el dueño de la finca.
En el primer caso el biogás puede ser utilizado para enfriar el refrigerador. Cuando este es el caso, y
suponiendo una demanda de 75 L/hr, un total de 1.8 m3 de biogás son consumidos al día. La producción de
LXXXVI
MINISTERIO DE TRANSPORTE E INFRAESTRUCTURA DE NICARAGUA (MTI). P.2. 2010
HENZE, M. ET AL. P. 318. 2002
LXXXIX
GTZ. P. 19-23. SIN FECHA, DESPUÉS DE 1997
XC
NIJAGUNA, B.T. P. 235. 2002
XCI
IBID.
LXXXVII
LXXXVIII
52
3
3
esta cosecha con un eficiencia de 50% hubiera sido de 3.43 m de biogás por día. Los otros 1.63 m se podrían
utilizar para cocinar con la estufa en la oficina del dueño ó para alumbrar las casas.
En el segundo caso los beneficios son directamente experimentados por el encargado de la finca y por las
personas viviendo en las otras casas dentro de la finca. Estos beneficios pueden ser indirectamente de
beneficio al dueño de la finca al dar confianza y crear buena voluntad. Esto a su vez conducirá a una sinergia de
mejor cuidado por el sistema de DA y el post tratamiento de las aguas residuales, llevando a un incremento en
la eficiencia del la LAM y finalmente mayores producciones de biogás. Con el fin de alcanzar esto, primer las
familias dentro de la finca deben ver la necesidad y los beneficios de cocinar con biogás en vez de leña, véase
sección 4.4.6. Además, la contribución a la reducción de gases invernaderos debería ser hecha clara en las
mentes de consumidores de biogás. Entonces el próximo paso sería hacer que una(s) estufa(s) de gas sea(n)
3
puesta(s) a disposición. Una vez que estas estén disponibles la producción de 3.43 m de biogás da para cocinar
alrededor de 20 comidas por día.
Con esta producción escasa de biogás hay pocas posibilidades de explotación. El uso de calentadores de
radiación o incubadoras, así como el uso de motores no puede ser sostenido con esta producción. Elevando la
eficiencia de la LAM a un 75%, lo cual es posible (véase la tabla 5.11), y teniendo una biodegradabilidad mayor
(proporción de DBO/DQO) del agua miel, llevará a valores más altos de producción de biogás, a valores
alrededor de los 10 m3/día con una producción de 450 a 500 QQoro. Esto es sólo lo suficiente para poder
trabajar con motores, lo que ayudaría a la re circulación del agua con la bomba de la finca.
5.8 ECONOMÍA DE ESCALAS
O en otras palabras, ¿Desde qué tamaño una finca, instalando un sistema LAM, es rentable en la producción de
energía? A fin de contestar esta pregunta una comparación es necesaria entre diferentes sistemas de LAM, sus
costos de inversión y los beneficios que ellas producen por medio del biogás.
En este párrafo las posibles multas debido a las violaciones de las normas de MARENA (sección 2.5), no están
tomadas en cuenta por dos razones. Primeramente no hay datos con respecto a la magnitud de las multas
cuando las normas son traspasadas. Y en segundo lugar, porque la entidad responsable de la aplicación de
estas multas no trabaja equitativamente como debería: controlar no solo las fincas medianas y pequeñas, sino
las grandes también. Al fin una de las razones de estas normas es recuperar la composición ‘prístina’ del agua
en estas zonas, y son específicamente las fincas grandes las que contribuyen más en ya sea alcanzar este
objetivo ó perderlo de vista.
5.8.1 COSTOS DE INVERSIÓN
Los costos de inversión consisten en la construcción del sistema LAM. Con respecto a esto los costos incluyen la
excavación, material, construcción del sistema y la capa de captura del biogás con su sistema de quemado o
distribución. Hasta ahora dos sistemas de LAM han sido construidos en Matagalpa. El sistema LAM de El
Socorro y el sistema LAM de Cueva del Tigre (de 2 a 3 km de El Socorro). Los costos de inversión para el sistema
LAM en El Socorro fueron de US$ 12 468, mientras que en Cueva del Tigre fueron de US$ 18 000. La primera
LAM fue construida para tratar 800 QQoro por temporada mientras que la segunda para 4000 QQoro. Con el fin
de hacer unos cálculos sencillos se supone que la LAM es construida con el dinero que se recibe al vender los
QQoro en el mercado en el primer año, para esto se introduce la variable IC (costos de inversión) que es la
inversión dividida por la cantidad de QQoro estimados en el diseño. Esto significa que para El Socorro el IC es de
US$ 15.60 /QQoro, y para la Cueva del Tigre US$ 4.50 /QQoro. Haciendo una gráfica en la cual en el eje vertical se
representa los US$/QQoro y en el eje horizontal los QQoro estimados para el diseño, da dos puntos desde los
cuales una relación puede ser deducida para los gastos de inversión por unidad de QQoro. El rango horizontal,
ha sido elegido en línea con el rango de finca cafetaleras que existen en Matagalpa (< 10 000 QQoro).
Aunque es algo riesgoso trazar una relación (línea) a partir de sólo dos puntos, en este caso, dada la falta de
información esta es la única opción que se nos da. El aplicar una línea recta entre estos dos puntos revela que
para fincas con una producción mayor a 2780 QQoro los gastos de inversión serían nulos. Esto por su puesto es
sin sentido y una línea recta obviamente no se asemeja a la realidad. Las otras dos líneas de tendencia que
XCII
tienden a asemejar la realidad son la función exponencial como la función de poder . De estas dos la función
exponencial muestra un declive en gastos totales de inversión para fincas cafetaleras produciendo más de 2500
XCII
ESTAS FUNCIONES SON LLAMADAS ASÍ POR EL NOMBRE QUE EL PROGRAMA DE MICROSOFT EXCEL LES CONCEDE
53
QQoro, lo cual es contradictorio y por lo tanto esta función queda fuera también. La línea de tendencia de poder
llevará a valores más conservativos y realistas para todos los tamaños de fincas. La figura 5.9 enseña esta
gráfica. En el eje vertical el precio es dado por unidad mientras que en el eje horizontal la cantidad de QQoro.
Figura 5.9 Función de poder para mostrar los costos de inversión en la economía de escalas
Con la formula [5.1] una tabla se puede dar en la cual los costos de inversión son dados para diferentes fincas.
IC = 2733.1 QQoro-0.773
[5.1]
En la cual los parámetros son los antes ya mencionados.
5.8.2 COSTOS DE OPERACIÓN
Los costos más fuertes en la operación son los gastos relacionados en la compra de alcalinidad para
incrementar el pH del agua. Las dos sustancias alcalinas que han sido compradas en la finca El Socorro son:
hidróxido de calcio y carbonato de calcio. De estas dos, carbonato de calcio tiene un valor aproximado de US$
0.55 por QQoro para poder incrementar el pH de 4.9 a 7.0 (con los valores supuestos en Apéndice B, tabla C), y
el hidróxido de calcio contaría US$ 1.01 por QQoro para alcanzar la misma alcalinidad. A fin de alcanzar un pH de
7.2, una alcalinidad mayor debería ser añadida y un incremento de 60% se vería en los costosXCIII. Otros costos
de operación no están involucrados en el cálculo, tampoco los costos de transporte para comprar y recoger las
sustancias alcalinas.
5.8.3 GANANCIAS POR EL BIOGÁS
La producción, y por ende las ganancias derivadas del biogás dependen de diferentes factores tales como: la
biodegradabilidad del agua miel, temperatura, presión atmosférica (altitud), carga orgánica, contenido de
metano en el biogás y la eficiencia del sistema LAM. A fin de calcular las ganancias por QQoro dos diferentes
eficiencias fueron calculadas: 50% y 75%. Para los otros valores usados la tabla 5.14 se presenta.
Tabla 5.14 Valores usados para determinar las ganancias provenientes de la producción de biogás
DBO:DQO
Temperatura
Presión atm.
Carga orgánica
Contenido de CH4
Unidad
[-]
[°C]
[atm]
3
[kg DQO/m ]
[-]
Valor
0.44
22.0
0.90
3.05
0.70
Comentario
Supuesto/medido, ver sección 5.3.6
Medido en el campo
Medido en el campo
Medido en el campo
Supuesto de la literatura
Además también una variación es introducida en la biodegradabilidad del flujo de agua miel investigando 3
diferentes valores, luego las ganancias son mostradas en la tabla 5.15.
Tabla 5.15 Producción de CH4 por cada QQoro en función a la eficiencia y la biodegradabilidad de la LAM
BAJA
MEDIA
ALTA
XCIII
XCIV
DBO:DQO
0.44
0.66
0.82
Ef. m3 CH4/QQoro
50%
75%
0.54
0.81
0.81
1.22
1.02
1.53
US$ / QQoroXCIV
50%
75%
0.43
0.64
0.64
0.96
0.81
1.21
VÉASE TABLA C, APÉNDICE B
EL VALOR DE 0.79 US$/CH4 HA SIDO USADO AQUÍ EN LÍNEA CON LA SECCIÓN 5.7.1
54
Esta tabla (15.5) da una indicación de las posibles ganancias de acuerdo al potencial de producción (QQoro por
temporada de cosecha) de cada finca cafetalera.
5.8.4 PUNTO DE EQUILIBRIO
El punto de equilibrio indica en una gráfica el momento cuando los gastos son iguales a las ganancias. Desde
este punto en adelante, las ganancias son netasXCV. Como ha sido mencionado anteriormente los costos que
implican las multas al no tener sistemas de tratamientos no están siendo evaluados en estos cálculos. Viendo la
tabla 5.15, se puede decir que en principio hay 4 valores que se pueden calcular cuando el alcalinizante
escogido es carbonato de calcio (US$ 0.55/QQoro). El valor en donde la proporción de DBO/DQO es baja y la
eficiencia es solo 50% tiene ganancias menores a los costos de operación por lo que no vale la pena evaluar
esta alternativa. Y el valor de biodegradabilidad media con 50% de eficiencia es igual al de biodegradabilidad
baja con 75% de eficiencia. En caso que hidróxido de calcio es usado (US$ 1.01/QQoro) solo tiene sentido
evaluar el valor en donde las ganancias son mayores a los costos operacionales, este es solo un valor:
biodegradabilidad alta y eficiencia de 75%.
Para estudiar donde se produce el punto de equilibrio una ecuación de balance se necesita aplicar, esta es la
ecuación [5.2]:
IC/T + C*T = R*T
En donde,
IC = Costos de inversión
C = Costos
T = tiempo
R = ganancia
[5.2]
[US$/QQoro]
[US$/ (QQoro*año)]
[año]
[US$/ (QQoro*año)]
Transformando la fórmula [5.2] para despejar el punto de equilibrio (T) se obtiene la fórmula [5.3]:
T = (IC / (R – C))
½
[5.3]
Con esta fórmula se puede producir la figura 5.10 (siguiente página). En esta gráfica el potencial de producción
para diferentes tamaños de fincas se observa en el eje horizontal y el tiempo necesario hasta alcanzar el punto
de equilibrio se observa en el eje vertical. La gráfica indica con qué tipo de base, y con qué grado de eficiencia
el punto de equilibrio es alcanzada luego de un determinado número de años. El primer índice en la leyenda
representa la biodegradabilidad como está explicada en la tabla 5.15, el porcentaje se refiere al grado de
eficiencia que la LAM debería alcanzar y el último índice representa el tipo de alcalinizante aplicado. Tome en
cuenta que el eje horizontal no está distribuido equitativamente.
Al observar la finca de Don Raúl, bajo la luz de esta gráfica, que tiene una biodegradabilidad supuesta de 0.44
(BAJA), y al asumir una eficiencia de 75% que puede ser alcanzada en un sistema LAM, el punto de equilibrio
solo puede ser alcanzado al usar CaCO3. En el caso de esta finca la aplicación de hidróxido de calcio es muy
cara. Con la producción, como la que se dio en la temporada 2009/2010 de alrededor de 250 QQoro el punto de
equilibrio solo se alcanza después de 20 años. Si el criterio de diseño se alcanzará desde el próximo año y este
no cambiara el punto de equilibrio se alcanzaría después de 13 años. Pare obvio que la economía de escalas
juega un papel importante en la aplicación de sistemas de LAM.
Con la figura 5.10 se evidencia muy bien que CaCO3 tiene una clara ventaja sobre Ca(OH)2. Sin embargo, por lo
que la solubilidad de CaCO3 es menor en agua, mayores cantidades de CaCO3 tienen que ser usadas para poder
incrementar el pH del agua y el proceso toma más tiempo.
Considerando la cantidad de años que toma para una LAM llegar a su punto de equilibrio se debería optar por
el uso de materiales de buena calidad para la construcción para prevenir gastos prematuros de reparación. Esta
gráfica también muestra la importancia de una buena caracterización del agua miel. Con valores bajos de la
proporción DBO:DQO (BAJA), las fincas que podrían hacer uso de estos sistemas, con el fin de atraer ganancias
deberían por lo menos tener un potencial de producción de unos 3000 QQoro ó más.
XCV
EN ESTOS CÁLCULOS LAS TASAS DE INTERÉS, ASÍ COMO LA INFLACIÓN NO FUERON INCLUIDOS
55
Figura 5.10 Punto de equilibrio para plantaciones de café con diferentes tamaños
Las conclusiones que se puede derivar de la figura 5.10 deben evaluarse con cuidado, considerando el número
de suposiciones que han sido hechas a fin de llegar a los costos de inversión (de sólo dos LAM que han sido
construidas). Además, las fluctuaciones de los precios de energía en ciertos momentos favorecerán la
aplicación de sistemas LAM, mientras que en otros momentos desalentaran el uso de las mismas. Sin embargo,
esta gráfica da una impresión general de las posibilidades de aplicación de sistemas LAM para el tratamiento de
agua miel en Nicaragua y países Centroamericanos.
Una manera de reducir los costos de DA en sistemas LAM se puede extraer del proceso mismo. En la última
fase de la producción de metano a partir de materia orgánica se encuentra la conversión de acetato a CH4y
HCO3- (CO2/OH-), estos es, un reemplazo de un ácido relativamente agresivo por el débil ácido carbónico. Por lo
que ambos productos son gaseosos, automáticamente escaparán de la fase líquida. Esto demuestra que parece
haber una remoción de acidez y al mismo tiempo una producción de alcalinidad. Ambos procesos tendrán la
tendencia de elevar el pH en el sistema LAM. Debido a la relación entre el sistema carbónico (CO2-HCO3-_CO3=)
y el pH en el digestor anaeróbico (sistema LAM), habrá una interrelación entre la alcalinidad, la acidez y el pH.
Por lo tanto el pH puede ser ajustado añadiendo alcalinidad como ha sido demostrado y calculado en los
XCVI
capítulos 4 y 5 ó al substraer acidez del digestor . Esto se puede hacer al usar el método denominado en
ingles ‘stripping’. En este método el CO2 es eliminado del efluente de la LAM por medio de una interferencia
con el aire. El efluente entonces puede ser recirculado al influente de la LAM. Este efluente todavía contiene un
pH alto (entre 6 y 7) y la adición de menos alcalinizante se obtiene. Sin embargo, a fin de hacer esto en el
Socorro se necesita instalar un mecanismo que promueva este ‘stripping’. Esto podría ser por medio de
cascadas, por ejemplo, ó por medio de aparatos rociadores (sprays). Esta aplicación será más fácil de
implementar en fincas grandes en donde con la producción de metano es suficiente para alimentar las bombas
de agua para recircularla y de esta manera aprovechar parte de la alcalinidad que de otra manera se perdería
en el efluente. El hecho de poder aplicar recirculación y remoción de CO2 del efluente hará que la gráfica de la
figura 5.10 cambie al hacer que los puntos de equilibrio se alcancen más rápido. Y de esta manera que la
instalación de un sistema LAM genere ganancias netas más temprano.
XCVI
VAN HAANDEL, A., VAN LIER, J.B. P. 5. 2006
56
6. CONCLUSIONES
Las aplicaciones de tecnologías básicas en digestión anaeróbica para aguas mieles son extensas y han sido
implementadas satisfactoriamente en algunos casos. Más específicamente para agua miel, la aplicación de un
sistema LAM (un sistema hibrido entre una laguna anaeróbica y un reactor UASB) desarrollado en los últimos 5
años se puede aplicar bajo ciertas condiciones.
Suficiente conocimiento sobre el manejo de un sistema LAM debe ser impartido con anterioridad de la
instalación del mismo a las personas responsables en la finca. Una persona responsable para el sistema debe
ser designado para que opere y mantenga el sistema adecuadamente a fin de que altas eficiencias de
tratamiento sean obtenidas. Altas remociones de DQO incrementarán la producción de biogás en la finca.
Debido al carácter fuertemente ácido del agua originada en el despulpado y el lavado de los granos
fermentados del café la corrección del pH se hace necesaria. Esto prevendrá que la eficiencia de la LAM se
precipite debido a una alteración en el hábitat de los micro-organismos trabajando en el sistema LAM. El pH
puede ser corregido con diferentes alcalinizantes. La selección del tipo de alcalinizante a usarse debe ser
estudiada cuidadosamente tomando en cuenta la disponibilidad, los costos y la facilidad de trabajo de la misma
en la finca. Tomando en cuenta que el alcalinizante es uno de los mayores gastos en los costos de operación, la
decisión al alcalinizante a usar caerá casi siempre en carbonato de calcio.
Actualmente, los usos dio biogás que pueden realizarse son pocos y se encuentran más que todo en la
dirección de la producción de electricidad para usos como: alumbrar, cargar baterías de celulares y radio. Y,
como una fuente renovable de energía para cocinar, en vez de quemar leña, en donde las cocinas y casas que
usen biogás darán lugar a vidas más saludables y mejores posibilidades de superación de niños y mujeres.
Para fincas pequeñas un sistema LAM reducirá la carga orgánica de DQO, especialmente si un tratamiento
posterior es aplicado, hasta un punto en el que pueda cumplirse con las normas de MARENA, sin embargo, no
se obtendrán ganancias netas (como es el caso de El Socorro). Para esta finca otro tipo de tratamiento de agua
miel sería más apropiado. A fin de construir sistemas rentables de LAM (sistemas en los cuales el punto de
equilibrio se alcance en 5 años) las fincas cafetaleras en donde se instale los sistemas LAM deberán tener un
potencial de producción de por lo menos 3000 QQoro. En caso de reducir los costos operacionales por medio de
recirculación del efluente de la LAM luego de la remoción del dióxido de carbono este potencial de producción
será menor para las LAM auto-sostenibles.
Más conocimiento se obtendrá sobre la eficiencia de sistemas LAM a lo largo de la introducción de estos
sistemas en diferentes plantaciones de café. El tamaño de estas LAM se basará en el potencial de producción
por finca cafetalera y en el tiempo de retención hidráulica realizable (alrededor de 7 días).
Como observación final cabe mencionar que el sistema LAM da oportunidades para fincas medianas-grandes y
grandes para purificar su agua miel y a la vez ofrece la posibilidad de obtener ganancias netas al hacer uso del
subproducto de biogás producido al purificar el agua miel por medio de sistemas de digestión anaeróbica.
57
7. RECOMENDACIONES
Basados en el trabajo de campo realizado entre los meses de Noviembre 2009 a Febrero 2010 y en la
investigación realizada posteriormente varias recomendaciones se pueden extraer. Primeramente
recomendaciones serán dadas concernientes a cómo manejar el sistema LAM de una forma adecuada y a la vez
los puntos que están abiertos a mejoras se presentarán. Seguidamente recomendaciones sobre dónde y cómo
implementar sistemas LAM serán dadas.
Para lugares en donde sistemas LAM están siendo construidos ó fueron construidos los siguientes puntos son
destacados:
• Debe haber suficiente inoculo disponible en el fondo de la LAM desde Septiembre (antes que
comience la zafra cafetalera). Este inoculo se puede conseguir de lagunas facultativas o anaeróbicas
en otras fincas cafetaleras donde la biomasa se haya sedimentado en los años previos.
• El sistema de distribución al fondo de la LAM debe de estar equitativamente y bien instalado. Trate
de prevenir a todo costo que se hagan cambios durante la zafra.
• Con las formulas presentadas en esta tesis menor cálculos pueden hacerse con respecto a la
cantidad de alcalinizante necesario para la próxima temporada. Si es hidróxido de calcio 3.424
kg/QQoro debe de estar disponible, si es carbonato de calcio 4.136 kg/QQoro.
• La conducción del agua que ya ha alcanzado el pH neutral (7) a la LAM debe hacerse continuamente.
Esto significa que debe tratarse de que el flujo de agua miel se continuo y de la misma magnitud a la
LAM. A fin de vaciar la pila de pre tratamiento (PPT = R2, figura 4.5) en alrededor de 22 horas un
flujo de 7 L/minuto debería proponerse.
• Las mallas separadoras que impiden que otras sustancias que al agua miel pase a la LAM deben
limpiarse rigurosamente cada día para evitar bloqueos y que otras sustancias alteren el sistema de
la LAM.
• De acuerdo con HellerXCVII la producción de agua miel por QQoro en la zafra 2007/2008 fue de 2.646
3
3
m /QQoro. Esto ha sido reducido a 1.97 m /QQoro en la zafra del 2009/2010 debido al reciclaje y es
considerado como un desarrollo positivo. Sin embargo, aún mejores proporciones se pueden
alcanzar sin perjudicar la calidad de los granos de café. Por lo tanto se propone de usar agua de
reciclaje para el proceso de despulpado así como para el proceso de lavado de los granos
fermentados (lo cual fue aplicado en El Socorro en la última zafra).
• Durante la última fase del lavado de los granos fermentados, el agua miel es bastante limpia. Por lo
tanto se recomienda dirigir esta agua directamente a la laguna facultativa en vez de llevarla a la pila
de pre tratamiento y luego a la LAM donde solo diluye la concentración de DQO y disminuye la
carga orgánica. Esta agua se usa durante los últimos 10 a 15 minutos de la fase del lavado.
• El agua que va de la LAR al biofiltro necesita ser dosificada constantemente durante el lapso de 12
horas, de salida del sol a puesta del sol, a fin de aprovechar el proceso de fotosíntesis que ocurre en
las plantas.
• Tratar de tratar el agua miel que se genera en el lavado de los granos fermentados en la LAM y tratar
de despulpar en seco (ver sección 2.4.2) cuando remodelaciones estén a la orden del día.
Para fincas cafetaleras planeando construir un sistema LAM las siguientes recomendaciones aplican:
• Caracterice el contenido del agua miel para determinar la biodegradabilidad de esta.
• El sistema LAM es un sistema que tiene como horizonte de diseño un total de 10 a 15 años. A fin de
hacer el sistema lo más rentable trate de anticipar correctamente en el potencial de producción que
la finca tendrá en la próxima década.
• Fincas que producen 3000 QQoro o más por temporada serán rentables en un lapso de un lustro.
• Experimentos in situ que conciernan a la cantidad de alcalinizante necesario para el agua miel en
Nicaragua y en cualquier sitio donde el café se cultiva deberán desarrollarse.
• La gráfica mostrada en la figura 5.10 deberá validarse más a partir de más estudios para poder dar
consejos certeros sobre la aplicación de sistemas LAM en plantaciones de café.
XCVII
HELLER, M. P. 45. TABLA 4.6. 2008
58
• Investigar la demanda de electricidad para una máquina de despulpe para ver si el biogás podría
servir como una fuente de energía para el proceso de despulpado.
• Investigar si hay necesidad de desulfurar el biogás en caso de que se quiera usar para motores.
• Evaluar la posibilidad de usar materiales de construcción más baratos, como ha sido propuesto por
R.I. Rodríguez para minimizar los precios de inversión y dejar que fincas medianas y pequeñas
también se beneficien del sistema.
• Investigar la posibilidad de comercializar créditos de carbón en países Centroamericanos
• Investigar si el sistema LAM puede ser aplicado también a otros tipos de aguas residuales.
59
BIBLIOGRAFÍA
INTERNET :
• Alcaldía de Matagalpa: http://www.alcaldiamatagalpa.gob.ni/?q=microlocalizacion, pagina visitada
el 2010-04-08
• Banco Central de Nicaragua: http://www.bcn.gob.ni/, pagina visitada el 2010-07-20
• Energía Verde en India: www.greenpowerindia.org/biogas_benefits, pagina visitada el 2010-07-26
• Grupo de Investigación al Café: http://www.coffeeresearch.org/coffee/history.htm pagina visitada el
2010-04-29
• International Coffee Organization Trade Statistics. http://www.ico.org/field_processing.asp , pagina
visitada el 2010-04-30
• Institute for Science In Society (ISIS). Biogas bonanza for Third World Development. http://www.isis.org.uk/BiogasBonanza.php, pagina visitada el 2010-07-26
th
• Kühl, E. Historia del Proyecto de Aguas de Matagalpa y Jinotega. El Nuevo Diario: 25 of june 2000.
http://archivo.elnuevodiario.com.ni/2000/julio/08-julio-2000/opinion/opinion7.html, pagina
• Ministerio de Transporte e Infraestructura de Nicaragua. Comportamiento de precios de combustible
en Nicaragua en relación a los precios centroamericanos. Del 28 de junio al 2 de julio 2010.
http://mti.gob.ni/docs/precio_petroleo/Informe%20de%20combustible%20consolidado%2028-0610.pdf, pagina visitada el 2010-07-22
• Mongabay, Información sobre bosques. http://news.mongabay.com/2005/1115-forests.html pagina
• Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación:
http://faostat.fao.org/site/342/default.aspx, pagina visitada el 2010-04-29
• Procafe: Asociación para la promoción del café. Pagina visitada el 2010-07-20
http://www.procafe.com.sv/menu/ArchivosPDF/cost_produccion_2009.pdf
• VROM. Ministerie van Volkshuisvesting Ruimtelijke Ordening en Milieu. (Ministerio de Vivienda,
Ordenación de Territorio y Medio Ambiente de los Países Bajos). Pagina visitada el 2010-08-01.
http://www.infomil.nl/onderwerpen/landbouw-tuinbouw/overige/item-91886/handreiking-(co-)/5milieuaspecten-en/5-7-brand,
LIBROS Y A RTÍCULOS :
• Adams, M.A. A Multi-Criteria Evaluation Methodology for an Economically and Environmentally
Sustainable Coffee Industry [inglés] . Dalhouise University. Halifax, Nova Scotia, Canada. March
2006
• Adams, M.A. and J. Dougan. Biological Management of Coffee Processing Wastes [inglés]. Tropical
Science 23 (3): p. 177 – 195. 1981
• Barnett, A. Biogas technology in the third world [inglés]. GTZ. 1978
• Bello-Mendoza, R. and Castillo-Rivera, M.F. Start up of an Anaerobic Hybrid (UASB/filter) Reactor
Treating Wastewater from a Coffee Processing Plant [inglés]. Environmental Microbiology.
Anaerobe. Fourth volume. Article No. an980171. p.219-225. 1998
• Bombardiere, Y.E. The potential of anaerobic digestion technology to treat coffee waste in Huatusco,
Mexico [inglés]. Master Thesis, University of Ohio. August 2006
• Calvert, K.C. The treatment of coffee processing waste waters. The biogas option. A review and
preliminary report of ongoing research [inglés]. Coffee research report No. 50. 1997
• Deublein, D. Steinhauser, A. Biogas from waste and renewable resources [inglés]. Willey – VCH. 2008
60
• Deutsche Gesselschaft für Technische Zusammenarbeit (GTZ). Biogas Digest, Volume 1 [inglés].
Biogas Basics. Undated. After 1997
• Feil, F.S. Anaerobic Digestion of wastewater from coffee mills [inglés]. BTG Biomass Technology
Group. Enschede, The Netherlands. 2001
• Gautho, B.P. Rantala and R. Maatta. Coffee Industry Wastes [inglés]. Waster Science and Technology
24(1): p. 53-60. 1991
• Heller, M. Eco-Engineered Treatment of Coffee Wastewater according to the Water Harmonica
Concept [inglés]. Internship report, University of Wageningen. 2008
• Henze, M. Harremoës, P. Arvin, E. la Cour Jansen, J. Wastewater Treatment. Biological and Chemical
Processes [inglés]. Third edition. Springer-Verlag. Berlin, Germany
• Instituto Nacional de Estadísticas y Censos. VIII Censo de Población y IV de Vivienda. Censo 2005.
Nicaragua, Mayo 2006
• IRENA. Documento Base. Proyecto Cuencas Matagalpa, 2. Breve presentación biofísica y social.
Matagalpa, Nicaragua. 1992
• LeAF [1]. AGROIWATECH. Cost-effective technologies for wastewater treatment and waste
biodegradation in agro-industries with reclamation of resources [inglés]. Deliverable D1 – Review
Report. Part 1: Agro-industry wastewater characteristics affecting anaerobic treatment.
Wageningen, the Netherlands. 2005
• LeAF [2]. AGROIWATECH. Cost-effective technologies for wastewater treatment and waste
biodegradation in agro-industries with reclamation of resources [inglés]. Deliverable D1 – Review
Report. Part 2: On-line measuring techniques for agro-industry wastewater. Wageningen, the
Netherlands. 2005
• LeAF [3]. AGROIWATECH. Deliverable D2. Analytical methods for wastewater characterization and
evaluation of reactor performance during anaerobic treatment [inglés]. Wageningen, the
Netherlands. 2005
• MIFIC. Comisión Nacional de Normalización Técnica y Calidad. Norma Técnica Ambiental para la
protección de la calidad de los cuerpos de agua afectados por los vertidos líquidos y sólidos
provenientes de los beneficios húmedos del café. Nicaragua. 2006
• Mels, A. Martijn, E-J. Kampf, R. and Claassen, T. Waterharmonica in the Developing World [inglés].
STOWA report 21. STOWA. Utrecht, The Netherlands. 2005
• Mes, T.Z.D. Cuizon, E. S. Anaerobic wastewater treatment of fruit processing industries [inglés].
Agricultural University of Wageningen. 1998
• Monroy, O. et al. Anaerobic Digestion for wastewater treatment in Mexico: State of the technology
[inglés]. Wat. Res. Vol. 34, No. 6, pp. 1803-1816, 2000
• Muche, H. Zimmerman, H. Deutsche Gesselschaft für Technische Zusammenarbeit (GTZ). Purification
of Biogas [inglés]. Vieweg. Eschborn. 1985
• Ni, J.Q. Naveau, H. Nyns, E.J. Biogas: exploitation of a renewable energy in Latin America [inglés].
Renewable Energy. Vol. 3. No. 6/7. P. 763-779. United Kingdom. 1993
• Nijaguna, B.T. Tiogas Technology [inglés]. Publisher New Age International. India 2002
• Orozco, C. Cantarero, V.R. Rodríguez, J.F. Seminario-Taller. El Tratamiento Anaeróbico de los
Residuos del Café. PROMECAFE. Matagalpa, Nicaragua. 2000
• Sas, M.J [1]. A study on coffee wastewater and wastewater treatment at finca San Luis [inglés].
Hogeschool Zeeland. 2006
• Sas, M.J [2]. Sistemas ecológicos de tratamiento de las aguas residuales de la producción de café
según el principio “waterharmonica”. Hogeschool Zeeland. 2006
• Seghezzo, L. Términos de referencia (TdR) para la elaboración de la ingeniería de detalle y la
construcción de una Laguna Anaeróbica Mejorada (LAM) parar el tratamiento de aguas residuales
de café en la Finca El Socorro, Matagalpa, Nicaragua. LeAF. 2007.
61
• Tchobanoglous, G. Burton, F.L. and Stensel, H.D. Wastewater Engineering, Treatment and Reuse
th
[inglés]. McGraw-Hill. 4 Edition. New York. 2003
• Van Dijk, H. Lecture notes CT2011: Introduction to Water Management [inglés]. Technical University
of Delft. Delft, the Netherlands. 2010
• Van Haandel, A., Van Lier, J.B. Vinasse Treatment for energy production and environmental
protection at alcohol distillery plants [inglés]. International Conf. on Production and Uses of
Ethanol. Havana, Cuba. 2006
• Van Lier, J.B. Biological Wastewater Treatment: Principles, Modelling and Design [inglés]. Edited by
M. Henze, M.C.M. can Loosdrecht, G.A. Ekama and D. Brdjanovic. IWA Publishing, London, United
Kingdom. 2008
• von Enden, J. C. and Calvert, K. C. Review of coffee waste water characteristics and approaches to
treatment [inglés]. 2002a
• Wasser, R. Coffee production and the drinking water supply in Matagalpa (title unknown). unknown
(1986?).
• Zuijderhout, B.N [1]. Development of a methodology for choosing most feasible systems for the
treatment of wastewater from coffee processing in Matagalpa, Nicaragua [inglés]. Minor Thesis,
University of Wageningen. 2008
• Zuijderhout, B.N [2]. Mitigating the coffee wastewater problem in the San Francisco watershed
[inglés]. Master Thesis, University of Wageningen. 2008
COMUNICACIÓN PERSONAL
•
•
•
•
García Rizo, J.M. Trabajadora en DIMGARENA. Enero 2010
Rodríguez, R.I. Trabajador en DIMGARENA. Julio 2010
Torres, J.P. Trabajador en exportadora Atlantic S.A., Matagalpa, Nicaragua. Febrero 2010
Van Lier, J. Profesor de Ingeniería en Aguas Residuales en la Universidad Técnica de Delft. Julio 2010
62
APÉNDICES
A PÉNDICE A – MEDICIONES EN LA FINCA E L S OCORRO
Tabla A, Concentraciones de pH en finca el Socorro
pH
LAVADO
Fecha
Mc
PPT LAM LAR Mc
11-12-2009
4,53
4,53 4,8
14-12-2009
5,19
5,24
17-12-2009
4,94 5,20
5,81
18-12-2009
22-12-2009
23-12-2009
24-12-2009
28-12-2009
29-12-2009
30-12-2009
5,29
5,25
4,73 5,25
5,35
5,49
6,37
6,27
5,79
5,12
5,59
4,81
5,19 5,40 5,50
5,07 5,48 5,29
5,04
5,20 5,47 6,65
5,20 6,29 6,24
5,92 5,54 5,48
31-12-2009
1-1-2010
4,81 5,83 5,52 5,60
5,24 4,91 5,52 5,52
4,91
5,03 5,48 5,50
4-1-2010
5-1-2010
5,49 5,58 5,76
5,12 5,13 5,60 5,99
6-1-2010
7-1-2010
15-1-2010
18-1-2010
4,69 5,55 6,49 4,55
4,80 4,94 5,55 6,51
5,85 5,71 7,37
19-1-2010
20-1-2010
21-1-2010
22-1-2010
XCVIII
Promedio
PromedioXCIX
5,33
5,39
5,31
5,42
5,43
DESPULPADO
PPT LAM LAR
4,97 5,54 5,66
4,87
5,00 5,57 6,12
5,66 7,29 5,89
5,14
5,24
5,24 5,93 7,27
5,71
6,76
4,95
4,90
5,34 5,63 5,86
5,31 5,52 5,81
5,32
5,32
5,67 6,04 7,32
5,72 5,92 7,68
5,20 5,92 7,27
5,34 5,86 6,30
5,34 5,86 6,30
Tabla B, Mediciones de conductividad en Finca el Socorro
Conductividad
LAVADO
DESPULPADO
Fecha
PPT LAM LAR PPT LAM LAR
11-12-2009
2710 2720
14-12-2009 3020
2640
17-12-2009 3420
2590
18-12-2009 3930 3490 2710
22-12-2009 4550 4050 2460
23-12-2009 5150 4120 2370 4140 4320 1806
24-12-2009 3290 2520 2030
28-12-2009 3210 2360 2325
29-12-2009 5030 4510 1976 1300 2250
XCVIII
XCIX
467
MEDIA DEL 23 DE DICIEMBRE AL 22 DE ENERO, TAMBIÉN SE APLICA A LA TABLA B
MEDIA DEL 11 DE DICIEMBRE AL 22 DE ENERO, TAMBIÉN SE APLICA A LA TABLA B
63
30-12-2009
31-12-2009
1-1-2010
4-1-2010
5-1-2010
6-1-2010
7-1-2010
15-1-2010
18-1-2010
19-1-2010
2870
6810
2026
4970
3390
4930
3860
5180
4620
4600
4610
4890
4980
3170
4920
5140
2046
1908
3810
1984
2185
2090
2097
2700
7350 4680 1997
3620 4570 4590
3040 4990 2171
3760 4920 2250
6490 5130 2880
2980 3250 3130
20-1-2010
21-1-2010 2980 3250 3130 1979 4820 4040
22-1-2010
3150 4490 3550
Promedio
4130 4130 2358 3781 4342 2688
Promedio
4036 3996 2432 3781 4342 2688
A PÉNDICE B
M ÉTODO M ETCALF & E DDY
A fin de incrementar la alcalinidad del agua residual a un valor de pH de 7 o 7.2 primero algunos valores son
dados que se encontraron en el trabajo de campo. Estos son: T = 22 °C; Q = 8.6 m3/día. Supuestos valores de
agua miel encontrados en la literatura: alcalinidad 39 mg/L como CaCO3; contenido de CO2 en el biogás
equivale a un 30%. Para la constante (ka1) en el equilibrio de carbonato a una temperatura de 22 °C un valor de
-7
4.288 x 10 se puede interpolar del gráficas en el libro de Metcalf & Eddy. La fórmula necesaria para obtener el
coeficiente adecuado de Henry se calcula con la siguiente fórmula:
Log10 H = ( -A / T ) + B
En donde T es la temperatura y A y B son constantes especificas para dióxido de carbono. Entonces,
Log10 H = ( -1012.4 / (273.15+22 )) + 6.606 H = 1503.95 atm
-
Primero la concentración de HCO3 requerida para mantener el pH a un valor cercano a 7 ó 7.2 se determina.
La concentración de H2CO3 es determinada con:
Pg = H * xg
xH2CO3 = Pg / H = (0.9 atm) (0.30 [% CO2])/ (1504) = 1.795 x 10-4
Por cuanto un litro de agua contiene 55.6 mole, la fracción molar de H2CO3 es igual a
xH2CO3 = mole del gas (ng) / [mole del gas (ng) + mole del agua (nw)]
1.795 x 10
-4
= [H2CO3] / {[H2CO3] + [55.6 mole/L]}
Por cuanto el número de moles de gas disuelto en un litro de agua es mucho menor al número de moles de
agua,
[H2CO3] ~= 1.795 x 10-4 * [55.6 mole/L] ≈ 9.982 x 10-3 mole/L
Para determinar la concentración de HCO3- requerida a fin de obtener un pH estable alrededor de 7 ó 7.2:
-
+
[HCO3 ][H ] / [H2CO3] = ka1
64
-
+
[HCO3 ] = ka1 [H2CO3] / [H ]
-7
-
-3
-7 (ó -7.2)
[HCO3 ] = [ 4.288 x 10 mole/L * 9.982 x 10 mole/L ] / [ 10
mole/L ]
[HCO3-] = 0.0428 (ó 0.0678)C mole/L
HCO3- = 0.0428 mole/L * 61 g/mole * 1000 mg/g = 2611 mg/L (ó 4136 mg/L)
Determinación de la cantidad de alcalinidad requerida por día:
-
Equivalentes de HCO3 = (2.611 g/L) / (61 g/mole) = 0.0428 eq/L (ó 0.0678 eq/L)
1 eq CaCO3 = MW/2 = (100 g/mole)/2 = 50 g CaCO3 / eq
Alcalinidad es CaCO3 = 0.0428 eq/L * 50 g/eq * 1000 mg/g = 2140 mg/L (ó 3390 mg/L)
Alcalinidad necesaria como CaCO3 = 2140 – 40 = 2100 mg/L (ó 3350 mg/L) as CaCO3
Adición de alcalinidad diaria = 2100 g/m3 * 8.6 m3/día * 0.001 kg/g = 18.06 kg/día (ó 28.81 kg/día)
CI
Una bolsa de 25 lb cuesta C$ 32,50 . Esto equivale a US$ 134,00 para una tonelada de carbonato de calcio
(CaCO3).
Tabla C, Cantidad de kg por QQoro requeridos por tipo de alcalinizante para elevar el pH
corrección pH
4.9 7.0
4.9 7.2
Kg CaCO3/QQoro
4.136
6.600
266 QQoro
US$ 147
US$ 232
800 QQoro
US$ 443
US$ 707
Kg Ca(OH)2/QQoro
3.424
5.440
266 QQoro
US$ 269
US$ 428
800 QQoro
US$ 809
US$ 1286
La tabla de arriba da una indicación de los costos al usar tanto carbonato de calcio ó hidróxido de calcio para la
zafra de la última temporada de cosecha 2009/2010 y para la esperada producción máxima.
C
CI
VALORES ENTRE CORCHETAS REPRESENTAN PARA UNA CORRECCIÓN DEL PH A UN VALOR DE 7.2
COMUNICACIÓN PERSONAL. ING. RODRÍGUEZ, R.I.

Tesis Menor Gieljam Schutgens

Transcripción

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