TRATAMIENTO ANAERÓBICO DE AGUAS MIELES

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

UN ESTUDIO DEL MONITOREO Y POSIBILIDADES DE APLICACIÓN DE BIOGÁS EN LA FINCA EL SOCORRO, MATAGALPA, NICARAGUA

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COLOFÓN Lugar y fecha: Delft, Agosto 2010

Periodo: Noviembre 2009 - Marzo 2010

Institución: DIMGARENA, Dirección Municipal de Gestión Ambiental y Recursos

Naturales de la Alcaldía de Matagalpa Teléfono: +505 27720162 E-mail: [email protected]

Universidad: Universidad Tecnológica de Delft

Facultad: Facultad de Ingeniería Civil y Ciencias geológicas

Stevinweg 1,

2628 CN Delft, Países Bajos

Supervisor de Tesis: Dr. PhD. Ir. Jules van Lier

Teléfono: +31 (0)15 278 1615

E-mail: [email protected]

Supervisor de institución: Ir. Roger Iván Rodriguez

Teléfono: +505 2772 8175 / 8618 3875

E-mail: [email protected]

Estudiante de maestría: Gieljam Schutgens

Student nr. 1227866

E-mail: [email protected] or [email protected]

Teléfono: +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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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.


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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.


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LISTA DE ABREVIATURAS

A4A Aqua for all APT-APS Proyecto Agua para Todos – Agua para Siempre DIMGARENA Dirección Municipal de Gestión Ambiental y Recursos Naturales (Nicaragua) FAO Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación INE Instituto Nicaragüense de Energía INEC Instituto Nacional de Estadísticas y Censos LeAF Lettinga Associates Foundation (ONG)

MARENA Ministerio de Ambiente y de Recursos Naturales (Nicaragua) MIFIC Ministerio de Fomento, Industria y Comercio (Nicaragua)

MINSA Ministerio de Salud (Nicaragua) OMS Organización Mundial de la Salud

AGV Ácidos Grasos Volátiles (mg/l) DA Digestión Anaeróbica

DBO Demanda biológica de oxígeno (mg/l) DQO Demanda química de oxígeno (mg/l) DQOrem DQO removido (mg/l) Lata Unidad de medida (20 latas = 1 QQoro) LAM Laguna anaeróbica mejorada LAR Laguna anaeróbica rústica Manzana ≈ 0.7 hectáreas

Mc Muestra compuesta m.s.n.m. Metros sobre el nivel del mar

PPT Pila de pre tratamiento Q Flujo o corriente

QQ Quintal (45.3 kg) QQoro Quintal oro QQper Quintal pergamino Repela Cortada de los últimos granos en la cosecha que no se maduraron completamente TAAR Tratamiento anaeróbico de aguas residuales TAR Tratamiento de aguas residuales TCAR Tratamiento convencional de aguas residuales Vm Volumen molar de gas


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ÍNDICE 1. 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

2. 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

3. 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

4. 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 5. Laguna Anaeróbica Mejorada (LAM)............................................................................................................. 41


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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


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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 entre los 16° y los 25° centígrados

I. 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 habitantes

III. 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 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).

I Alcaldía de Matagalpa II IRENA, 1992 III INEC, 2006

Figura 1.1, Nicaragua (Fuente: http://maps.google.nl)

Figure 1.2 Localización de las cuencas de Molino Norte y San Francisco


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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 se hizo una distinción entre fincas grandes, fincas medianas y fincas pequeñas

VI. Luego se hicieron dos estudios

por Boudewijn Zuijderhout en los que se respondía a las preguntas: ¿Cuáles son las fincas más apropiadas para instalar los sistemas de tratamiento demostrativos?

VII y, ¿Qué tipo de sistemas de tratamiento ecológicos

podían ser empleados en estas fincas?VIII

IV

EDDY KÜHL, 2000 V COMUNICACIÓN PERSONAL ING. JUANA MARÍA GARCÍA

VI SAS (2), P. 17-19, 2006

VII ZUIJDERHOUT (2), P. 71, 2008

VIII ZUIJDERHOUT (1), P. 53, 2008


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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 62°18’04” Este

IX. 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.

IX

HELLER, M. P. 15, 2008

Figura 1.3, Finca el Socorro con el beneficio húmedo en el medio, Fuente: http://maps.google.nl


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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 cafetaleras. A la vez algunas restricciones son mencionadas que limitaron el estudio. El 2

do 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.


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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 nivel mundial, sumando así un valor de 13,7 mil millones de dólares

X. 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.

País Café como % de las exportaciones

Cuota del mercado como % de las exportaciones totales

México 2,4 5,8 Guatemala 32,4 3,6 El Salvador 59,6 3,6 Honduras 21,2 2,1 Nicaragua 30,4 0,8 Costa Rica 20,7 2,9 Total 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.

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 ESTADÍSTICAS FAO, 2010

XI ADAMS, M.A. P. 88. 2006

Tabla 2.1 Dependencia de los países centro americanos al caféXI

Figura 2.1, Producción de café en toneladas por año en Nicaragua (FAO)


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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

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).

XII

COFFEE REASEARCH (INTERNET)

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)

Figura 2.4 Estructura del fruto del café


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 que la suciedad y granos verdes o podridos flotan en la superficie

XIV. 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 contenida en el mismo mucílago

XV. Se debe cuidar de no pasar mucho la fermentación para evitar que los

granos tomen un sabor agrio indeseableXVI

. 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 XIV

ADAMS, M.A. P. 33. 2006 XV

IBID. XVI

INTERNATIONAL COFFEE ORGANIZATION (INTERNET), 2010


20

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 nicaragüenses

XVII, para procesar un QQoro no se debe utilizar más de 2 m

3 de agua. Algunas cantidades usadas

en fincas se pueden ver en la tabla 2.2.

Comentario Agua (m3/QQoro) Fuente País Reciclando

Mínimo 1.02 Adams, M.A. 2006 Costa Rica Si Máximo 4.08 Adams, M.A. 2006 Costa Rica No Debe ser menor a 2.00 MARENA (NTON) 2006 Nicaragua Si Finca San Luis 2.50 Sas, M.J. 2006 Nicaragua Si Finca El Socorro 1.97 Schutgens, G. 2010 Nicaragua Si Khe Sanh, Quang Tri 1.00 Mels et al. 2005 Vietnam Si

XVII

NTON 05 029-06

Figura 2.5 Proceso en el beneficio húmedo

Tabla 2.2, Uso de agua para el proceso del café


21

Según WasserXVIII

, 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 DESHECHOS 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).

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.

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.

Agua despulpado Agua lavado

Proteínas 8.9% Sustancias Pécticas 23.4% Taninos 10.0% Azúcares 54.2% Ácido Clorogénico 14.5% Celulosa 20.4% Cafeínas 22.0% Azúcares 45.3%

XVIII

WASSER, R. 1986?

Figura 2.6, Balance de la producción del grano del café (modificado de Adams. A.M. 2006)

Figura 2.7, Posibles usos para los subproductos del café (adaptado de Seminario-Taller. 2000)

Tabla 2.3, Propiedades del agua miel del café (Seminario-Taller. P. 10. 2000)


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).

a – ICO (2004)

b – Adams, M.A. y Dougan (1981) c – 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

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)

Parámetro Promedio total (mg/L) Agua de despulpado (mg/L) Agua de lavado (mg/L)

Sólidos suspendidos totales 7 000 – 10 900a

13 200b

2 900b

6 200 – 11 000 c1

1 950 – 4 800c1

3 600 – 5 000 c2

2 200 – 4 600 c2

pH 4

d,e 4

d,e

Conductividad 771d1 (µS/cm) 728d1 (µS/cm) 814d1 (µS/cm) Demanda biológica oxígeno 10 000 – 13 000a 1 800 – 2 900 b 1 300 – 2 200 b (DBO) 1 800 – 9 000 c1 1 200 – 3 000 c1 900 – 2 400 c2 1 400 – 3 900 c2 Demanda química oxígeno 18 000 – 23 000 a 13 900 – 28 000 b 3 000 – 10 000 b (DQO) 2 950 – 14 600

c1 1 650 – 2 800

c1

1 400 – 3 900 c2

850 – 1 750 c2

BOD : COD ratio 0.5 – 0.6

a

0.9f

N : COD ratio 0.08

a

P : COD ratio 0.02 a

Tabla 2.4, Caracterización del agua miel


23

En la tabla a continuación se dan los valores:

PARÁMETROS RANGOS Y LÍMITES MÁXIMOS PERMISIBLES PROMEDIO DIARIO

ph 6.5 – 9.0 Sólidos Suspendidos Totales (mg/l) 150 Sólidos Sedimentables (ml/l) 1 DBO (mg/l) 120 DQO (mg/l) 200 Materia Flotante Ausente Grasa y Aceites (mg/l) 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 otros por entidades como USAID

XXI. 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 transporte de oxígeno en la sangre del bebé

XXIII.

XX

MONGOBAY � RANIFORESTS (INTERNET) XXI

ADAMS, M.A. P. 43. 2006 XXII

IBID. P. 43. XXIII

IBID. P. 48-50

Tabla 2.5, Decreto 33-95, Artículo 38 sobre Beneficio del café


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.

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 post-tratamiento 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 remoción no es muy alta, esto limita la aplicabilidad del sistema para normas más restringentes en el futuro

XXIV.

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

Figura 3.1 Esquema de tratamiento de Aguas residuales


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 ubicación pueden ser una fuente de contaminación de acuíferos

XXV.

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 LAGUNAS 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 LAGUNAS 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 cargas orgánicas de las aguas mieles, se requeriría de mucha superficie para aplicar una laguna facultativa

XXVII.

XXV

SEMINARIO - TALLER, EL TRATAMIENTO ANAERÓBICO DE LOS RESIDUOS DEL CAFÉ. P. 34. 2000 XXVI

IBID. P.35 XXVII

IBID. P.36 Y 37


26

3.3.3 LAGUNAS 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 competitiva y deseable. A la vez, siguiendo la idea de Van Lier

XXXI, 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, cabras)

XXXII. 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

SEMINARIO - TALLER, EL TRATAMIENTO ANAERÓBICO DE LOS RESIDUOS DEL CAFÉ. P. 34. 2000 XXIX

VAN LIER, J. P. 415. 2008 XXX

IBID. XXXI

IBID. XXXII

MES, T.Z.D. P. 11. 1998


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, alcoholes, ácidos 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 residuales)

XXXIII.

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

VAN LIER, J.ET AL. P. 434. 2008 XXXIV

NI, J.Q., NAVEAU, H., NYNS, E.J. P.765. 1993

Figura 3.2, Digestión Anaeróbica. Fuente: Van Lier, J. Biological Wastewater Treatment. 2008


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 estudiados parecen ser los de tratamiento de aguas residuales de la vinaza y el café

XXXV.

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).

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 pretende dar a continuación

XXXVI.

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 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

IBID. P.766 XXXVI

SEMINARIO - TALLER, EL TRATAMIENTO ANAERÓBICO DE LOS RESIDUOS DEL CAFÉ. P. 42. 2000

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

Figura 3.4, Reactor Anaerobio de flujo ascendente


29

esta zona se coloca un separador para poder separar el lodo suspendido (para que vuelva a la parte inferior), el agua que ha sido depurada y el gas (0.35 m

3 CH4 son producidos por kg DQOrem).

3.6.3 FILTRO 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. Después de este periodo puede afectar la masa bacteriana

XXXVII. 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 mismoXXXIX. 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 es necesario y materia dispersa debiera evitarse

XL.

En el próximo capítulo se hablará de la Laguna Anaeróbica Mejorada un sistema híbrido entre lagunas de fermentación y reactores anaeróbicos.

XXXVII

SEMINARIO - TALLER, EL TRATAMIENTO ANAERÓBICO DE LOS RESIDUOS DEL CAFÉ. P. 44. 2000 XXXVIII

VAN LIER, J ET AL. P. 435, 436. 2008 XXXIX

IBID. P.45 XL

VAN LIER, J ET AL. P. 439. 2008


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.

XLI

ZUIJDERHOUT (2), P. 25, 2008

Figura 2.1 Diseño conceptual de un sistema LAM


31

4.2.2 SISTEMA 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.

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

SEGHEZZO, L. TDR. P.5. 2007 XLIII

LEAF, AGROIWATECH, DELIVERABLE D1. PART 3. P. 3, 4. 2005

Figura 4.2 Tratamiento de aguas mieles en finca El Socorro


32

Alcalinidad [no disponible] Alcalinidad es la capacidad del agua residual de atraer protones. También puede ser definido como el exceso de cargas positivas sobre los aniones de ácidos fuertes

XLIV. 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 no-biodegradable. 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

LEAF, AGROIWATECH. DELIVERABLE D1. PART 1. P. 29. 2005 XLVI

LEAF, AGROIWATECH. DELIVERABLE D2. P. 19. 2005


34

Parámetro Promedio

XLVII Media de diseño

XLVIII Promedio

XLIX

SST (mg/l) 9000 1000 pH 4 7 4.90

L

Conductividad (µS/cm) 771 3956LI

DBO (mg/l) 11500 9000 DQO (mg/l) 20500 10000 3056 DBO:DQO 0.6 0.2 N : DQO 0.08 0.11 P : DQO 0.02 0.01 Producción (QQoro/año) 800 266 Uso de agua (m

3/QQoro) 2.00 0.35 1.97

Tiempo de cosecha (días) 90 90 60 Tiempo de Retención Hidráulica (días) 7 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.

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 aproximadamente 4 m

3, 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 a derecha, con un volumen de 9.5 m

3. La segunda parte, detrás del segundo

vertedero (izq. a derecha) tiene un volumen de 4.5 m3. 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:

XLVII

VALORES PROMEDIOS DE ACUERDO A LA LITERATURA XLVIII

DISEÑO BASADO EN ESTOS VALORES PROMEDIOS DESPUÉS DE NEUTRALIZAR EL PH. VALORES DE DQO, BDO Y USO DE AGUA SON SUPUESTOS (2007) XLIX

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

Figura 4.3, pH optimal para diferentes procesos de DA (source: Seghezzo, L.)

Tabla 4.1, Valores medios de las características del agua miel

Figura 4.4, Reservorio R1 y R2


35

pH = pK1 + log [HCO3]/[H2CO3] [4.1]

[H2CO3] = KH * pCO2 [4.2] pCO2 = Patm * CO2 porcentaje [4.3] KH = 1 / (H*R*KT) [4.4] [HCO3] = α0 * KH * pCO2 / α1 [4.5] α0 = 1 / {10 * (pH – pK1) + 1} [4.6] α1 = 1 - α0 [4.7] En donde, El Socorro

pK1 = ácido carbónico [-] 6.3 [HCO3] = bicarbonato [mol/L] 0.00037LIII [H2CO3] = ácido carbónico [mol/L] 0.00929 KH = constante de Henry [mol/atm] 0.0344 pCO2 = presión parcial de CO2 en biogás [atm] 0.27 Patm = presión atmosférica [atm] 0.9 H = proporción gas/líquida en conc. (for CO2) [-] 1.2 R = gas constante [L*atm/(°K*mol)] 0.082057 KT = temperatura en grados Kelvin [°K] 22 α0 = parámetro adimensional [-] -0.0769 α1 = parámetro adimensional [-] 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 HCO3

- + Ca

2+ [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

CONCENTRACIÓN INICIAL DE BICARBONATO EN EL AGUA MIEL DEL SOCORRO (CON UN VALOR DE PH DE 4.9) LIV

VAN DIJK, H. LECTURE NOTES CT2011. COLLEGE 8, DIA 40. 2010

Figura 4.5 Pila de Pre Tratamiento (PPT) (R2)


36

igual a 60 lb (1 lb = 0.453 kg) por C$ 172.00LV

(US$ 1 = C$ 21.40LVI

). 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 Kg CaCO3/QQoro 266 QQoro 800 QQoro Kg Ca(OH)2/QQoro 266 QQoro 800 QQoro

4.9 � 7.0 4.136 US$ 147 US$ 443 3.424 US$ 269 US$ 809

4.9 � 7.2 6.600 US$ 232 US$ 707 5.440 US$ 428 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.

A fin de calcular la producción de biogás algunos valores son dados en la tabla 4.4 y algunas ecuaciones son presentadasLVII.

Parámetros Valor Unidad Comentario

Eficiencia de LAM (LAMef) 50 % Asumido Metano en biogás (CCH4) 70 % Literatura DQOacetate 64 gDQO/mol Volumen molar de gas (Vm) 22.4 L/mol A 0 °C Temperatura (Kabs) 273 °K A 0 °C Proporción BDO/DQO (rB/D) 0.9 - Asumido Producción Teorética de CH4 0.35 m3/kgDQO Vea [4.1]

TP CH4 = Vm/DQOacetato [4.9] OLR = Q * C [4.10] DQOrem = OLR * LAMef [4.11] NTP CH4 = DQOrem * TP CH4 * rB/D [4.12] W CH4 = NTP CH4 * (KT0 + T(°C)) / (KT0 * Patm) [4.13] Biogás = W CH4 / CCH4 [4.14]

LV

ING. RODRÍGUEZ, R. COMUNICACIÓN PERSONAL LVI

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 LVII

HOJAS DE CÁLCULO, SEGHEZZO, L. 2007

Tabla 4.4 Valores usados para diseñar el sistema LAM

Tabla 4.3 Algunos parámetros necesarios para poder calcular la producción de biogás


37

En donde, TP CH4 = Producción teorética de CH4 [m

3/kgDQO]

Vm = Volumen molecular de gas en condición ideal [L/mol] DQOacetato = Peso de acetato en DQO [gDQO/mol] OLR = Carga orgánica de DQO en agua miel [kgDQO/d] C = Concentración de DQO en agua miel [kgDQO/m3] DQOrem = Remoción de DQO [kgDQO/d] NTP CH4 = Producción teorética de CH4 en situación ideal [m3/d] W CH4 = Producción de CH4 en condiciones variables de tiempo [m3/d] KT0 = 273 grados Kelvin a 0 °C [°K] T(°C) = Temperatura media del agua [°C] Biogás = Producción de biogás [m

3/d]

CCH4 = Contenido de metano en biogás [%] Otros parámetros como han sido definidos previamente.

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 mientras que cantidades menores de ácido sulfhídrico, nitrógeno y vapor de agua están presentes también

LVIII.

Debido al alto contenido de CH4 (≈ 70%) es considerado un producto de valor. El valor calorífico de metano (33 - 40 MJ/m

3) en biogás es más alto que el de gas de hulla (17 - 18 MJ/m

3) y menor al gas natural (39 - 80

MJ/m3)

LIX.

4.4.2 CAPTURA DEL BIOGÁS Y SU SISTEMA 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. Suelos localmente disponibles con contenido de hierro pueden usarse para este fin

LX.

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 cuenta

LXI.

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 LIX

BARNETT, A. P. 47. 1978 LX

MUCHE, H. ZIMMERMAN, H. P 2. 1985 LXI

DEUBLEIN, D. STEINHAUSER, A. P. 187. 2008 LXII

BARNETT, A. P. 47. 1978 LXIII

DEUBLEIN, D. STEINHAUSER, A. P. 187. 2008


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, refrigeradoras y motores

LXV. 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.

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 DESULFURACIÓN 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 LXV

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

Aplicación Demanda (L) Comentario

Cocinar 300 por persona por día Alumbrar 150 por día Calentador de radiación 300 por hora Refrigerador 1200 - 1800 por día (volumen de 100 L) dependiendo de la temperatura Motor 10000 por lo menos

Tabla 4.5 Posibles aplicaciones para la finca el SocorroLXVI


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 recipiente en dirección ascendente. De este modo el biogás es liberado de H2S

LXIX.

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 cubre de azufre elemental

LXX. 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 explosiva se obtiene

LXXII.

4.4.6 IMPACTOS EN LA CULTURA, 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 para estar con sus hijos

LXXIII. 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, ha disminuido las infecciones de los ojos, los problemas de los pulmones y problemas respiratorios

LXXIV. Esto se

debe más que todo a cocinas y casas sin humo ni cenizasLXXV

.

LXIX

IBID. P. 11 LXX

IBID. P. 12 LXXI

VAN LIER, J. COMUNICACIÓN PERSONAL LXXII

VROM � INTERNET LXXIII

DEUBLEIN, D. STEINHAUSER, A. P. 245. 2008 LXXIV

ENERGÍA VERDE EN INDIA � INTERNET LXXV

INSTITUTE FOR SCIENCE IN SOCIETY � INTERNET


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.

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 cantidad está del lado bajo. Con datos de Procafé

LXXVI 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

PROCAFÉ, COSTOS-PRODUCCIÓN. PÁGINAS 8-13. 2009 LXXVII

TORRES, J.P. COMUNICACIÓN PERSONAL

Figura 5.1, Cantidades de cosecha en las últimas 6 temporadas


42

Número de latas cereza durante la temporada de cosecha 2009/2010 en El Socorro

Semana Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes Sábado Total/semana

41 87 88 108,8 51 334,8

42 0 O

ctu

bre

43 0

44 0

45 64 72 96,5 232,5

46 157 130 121,5 198,5 108 145 860

No

viem

bre

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

20

09

Dic

iem

bre

52 141,5 73 80,5 87 Año Nuevo 107,5 489,5

1 68,5 87 70,5 36 262

2 45 54 58,5 157,5

3 62 87 75,5 75 66 55,5 421 20

10

Ener

o

4 0

TOTAL 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.

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.

Tabla 5.1 Temporada de cosecha 2009/2010

Table 5.2 Legend for table 5.1


43

Localidad de Monitoreo

DQO P-Tot. N-Tot. Cond. Carga Electr.

O2 pH T [°C]

Mc Const. Const. Const. Const. A veces Const. Const. Const. PPT Constante Const. Const. Const. A veces Const. Const. Const. LAM Constante Const. Const. Const. A veces Const. Const. Const. LAR Constante Const. Const. Const. A veces Const. Const. Const. El Ocote A veces NO NO A veces A veces A veces A veces A veces El resultado de los diferentes procesos está dado en las tablas 5.4 y 5.5.

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).

Tabla 5.3 Parámetros de monitoreo en Finca el Socorro por localidad

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

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).

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 más importantes. Insuficiente nitrógeno puede llevar a un tratamiento menos eficaz del agua residual

LXXVIII.

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

TCHOBANOGLOUS, G. ET AL. P.60. 2003 LXXIX

ADAMS, M.A. P. 131. 2006

Figura 5.3 Concentraciones de DQO (COD) entrando y saliendo del sistema LAM y el valor promedio del pH entrando al la LAM

Tabla 5.6 Composición de la pulpa del café, pergamino y mucilagoLXXIX


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 FÓSFORO 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 PO4

3-. 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 valor de 92 g/día de PO4

3-.

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: COD:N:P = 1000:5:1 Substrato no acidificado: 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 FACTORES 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

LXXXTCHOBANOGLOUS, 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.

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.

Los diferentes sitios de monitoreo están visualizados en la figure 5.7.

Figura 5.4 y Figura 5.5, Reparación del sistema de distribución de la LAM

Figura 5.6 Concentraciones de DQO en los sistemas LAM y LAR


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%.

Oxígeno Disuelto (mg/Lt)

LAVADO DESPULPADO

Fecha PPT LAM LAR PPT LAM LAR

24-12-2009 0,64 0,60 0,37 28-12-2009 0,07 0,34 1,08 0,20 0,33 1,11 29-12-2009 0,51 0,64 0,64 30-12-2009 0,23 1,12 1,76 0,53 1,32 1,63 31-12-2009 0,79 0,84 0,85 0,48 0,71 1,14

1-1-2010 0,16 1,19 0,97 4-1-2010 1,68 1,63 2,13 5-1-2010 0,32 2,34 2,27 0,11 1,04 1,90 6-1-2010 1,54 1,26 0,02 0,17 1,58 1,27

7-1-2010 0,19 2,14 1,69 15-1-2010 1,19 2,74 1,94 0,77 1,12 0,48 18-1-2010 19-1-2010 1,69 1,05 0,67 20-1-2010 21-1-2010 0,24 1,52 3,36 1,63 2,11 1,93 22-1-2010 2,59 3,55 3,03

Promedio 0,64 1,43 1,49 0,87 1,35 1,38

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


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 la producción promedio de biogás sería de 25 m

3/día. De estos, 17.5 m

3 representan metano (1.97 m

3/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.

LXXXI

HELLER, M. P.49. 2008

Figura 5.8 Situación de equilibrio a distintos valores de pH


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.

Uso de agua durante el despulpado

Fecha 18-Ene 20-Ene 21-Ene Promedio Latas 62 75,5 71,5 QQoro 3,1 3,775 3,575 m

3/QQoro 0,556 0,728 0,452 0,579

Uso de agua durante el lavado

Fecha 17-Dic 6-Ene 15-Ene Promedio Latas 82 87 45 QQoro 4,1 4,35 2,25 m3/ QQoro 1,029 1,068 2,085 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.

Parámetro = Valores para 09/10

Información básica Flujo (m3/d) = 8,60 Concentración (kg DQO/m3) = 3,05 TRH (d) = 8,06 Laguna Anaeróbica Mejorada Profundidad (m) = 4,00 Volumen (m3) = 69 Lados (arriba) (m) = 6,00 Lados (abajo) (m) = 2,00 Área (arriba) (m2) = 36,00 Área (abajo) (m2) = 4,00 Velocidad ascendente (arriba) (m/h) = 0,01 Velocidad ascendente (abajo) (m/h) = 0,09 Carga Orgánica Volumétrica (kg DQO/m3.d) = 2,92 Puntos de inyección de influente = 4 Distancia entre puntos de inyección y fondo (m) = 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, México

LXXXII, 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 m

3/día, lo cual sólo conlleva una producción de 2.40 m

3/día de metano. Esto equivale a una producción de 0.53

m3 de CH4/QQoro. Usando las proporciones de DBO/DQO encontradas en la literatura sobre Xalapa, México la

producción de biogás sería de 4.57 m3/día. Y aplicando la variabilidad esto llevaría a producciones entre los

2.60 m3/día y 6.54 m

3/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

Tabla 5.8 Uso de agua durante el despulpado

Tabla 5.9 Uso de agua durante el lavado de los granos fermentados

Tabla 5.10 Valores usados para calcular la producción de Biogás 2009/2010


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.

+ DBO * Esperado, planta de tratamiento de aguas residuales estaba siendo instalado en 1998

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:

El precio de un cilindro de gas de 25 lbLXXXV

(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

MONROY, O. P. 2-5. 2000 LXXXIV

ING. RODRÍGUEZ, R. COMUNICACIÓN PERSONAL LXXXV

ABREVIACIÓN DE LIBRA

Tabla 5.11 Producción y utilización de biogás provenientes de fincas cafetaleras en Veracruz, MéxicoLXXXIII

Nombre Lugar Flujo [m

3/d]

DQO [g/l]

T [°C]

OLR [kgDQO/m

3d]

TRH [d]

DQO

Rem. Biogás [m

3]

Uso del biogás

Bola de Oro Coatepec 22.5 5 35 0.45 11 97%+

- Al aire Tlapexcatl 3 - 4 3 – 6 18-20 3 2.5-3.3 70% 7.7 Cocinar Solidaridad Huatusco 60 3 – 6 18-20 3 1.5 75% 96 Quemar Pr. M. Sodas Huatusco 375 2.25 17-19 1.875 1.2 73% 204 Quemar V. Guerrero Misantla 50 1.5-2.5 18-20 1.83 2 60% 47 Quemar Cerro Cintepe Catemaco 29-43 8 - 12 20 4 2.5-3.8 83%* 120 Secar café

Roma Emiliano Zapata 57 4 – 7+ 20 1.5 - 2 7 - 10 90%* Al aire


51

ELECTRICIDAD:

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 embargo, a fin de convertir 1 m

3 de CH4 en electricidad 20% es perdida del proceso, 50% se va en calor y solo

queda 30% como electricidadLXXXVIII

. Por lo tanto 1 m3 de CH4 es aproximadamente equivalente a 3 kWh. Esto

significa que un precio de US$ 0.79 se ahorra por 1 m3 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.

Aplicación Demanda de Biogas (L)

Comentario

Cocinar 150 – 300 por persona por comida 40 - 165XC 1 litro de agua, resp. 5 litros de agua Alumbrar 120 - 150 por día Calentador de radiación 200 - 300 por hora Refrigerador 30 - 75XCI por hora para un volumen de 100 L, dependiendo de la

temperatura de afuera Motor 10000 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 LXXXVII

ING. RODRÍGUEZ, R. COMUNICACIÓN PERSONAL LXXXVIII

HENZE, M. ET AL. P. 318. 2002 LXXXIXGTZ. P. 19-23. SIN FECHA, DESPUÉS DE 1997 XC

NIJAGUNA, B.T. P. 235. 2002 XCI

IBID.

Tabla 5.12 Precios de gas propano en países CentroamericanosLXXXVI

Tabla 5.13 Posibles aplicaciones para la finca el SocorroLXXXIX


52

esta cosecha con un eficiencia de 50% hubiera sido de 3.43 m3 de biogás por día. Los otros 1.63 m

3 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) puesta(s) a disposición. Una vez que estas estén disponibles la producción de 3.43 m

3 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 tienden a asemejar la realidad son la función exponencial como la función de poder

XCII. 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.

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.

Unidad Valor Comentario

DBO:DQO [-] 0.44 Supuesto/medido, ver sección 5.3.6 Temperatura [°C] 22.0 Medido en el campo Presión atm. [atm] 0.90 Medido en el campo Carga orgánica [kg DQO/m

3] 3.05 Medido en el campo

Contenido de CH4 [-] 0.70 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.

Ef. m3 CH4/QQoro US$ / QQoroXCIV

DBO:DQO 50% 75% 50% 75%

BAJA 0.44 0.54 0.81 0.43 0.64 MEDIA 0.66 0.81 1.22 0.64 0.96 ALTA 0.82 1.02 1.53 0.81 1.21

XCIII

VÉASE TABLA C, APÉNDICE B XCIV

EL VALOR DE 0.79 US$/CH4 HA SIDO USADO AQUÍ EN LÍNEA CON LA SECCIÓN 5.7.1

Figura 5.9 Función de poder para mostrar los costos de inversión en la economía de escalas

Tabla 5.14 Valores usados para determinar las ganancias provenientes de la producción de biogás

Tabla 5.15 Producción de CH4 por cada QQoro en función a la eficiencia y la biodegradabilidad de la LAM


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 [5.2] En donde, IC = Costos de inversión [US$/QQoro] C = Costos [US$/ (QQoro*año)] T = tiempo [año] R = ganancia [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

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 capítulos 4 y 5 ó al substraer acidez del digestor

XCVI. 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

Figura 5.10 Punto de equilibrio para plantaciones de café con diferentes tamaños


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 m

3/QQoro. Esto ha sido reducido a 1.97 m

3/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

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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

APÉNDICE A – MEDICIONES EN LA FINCA EL SOCORRO

pH LAVADO DESPULPADO Fecha Mc PPT LAM LAR Mc PPT LAM LAR

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 5,29 5,33 6,37 22-12-2009 5,25 5,39 6,27 23-12-2009 4,73 5,25 5,31 5,79 4,81 5,19 5,40 5,50 24-12-2009 5,35 5,42 5,12 28-12-2009 5,49 5,43 5,59 5,20 5,47 6,65 29-12-2009 5,20 6,29 6,24

30-12-2009 5,07 5,48 5,29 5,04 5,92 5,54 5,48

31-12-2009 4,81 5,83 5,52 5,60 4,91 5,03 5,48 5,50

1-1-2010 5,24 4,91 5,52 5,52

4-1-2010 5,49 5,58 5,76

5-1-2010 5,12 5,13 5,60 5,99 4,97 5,54 5,66

6-1-2010 4,69 5,55 6,49 4,55 4,87 5,00 5,57 6,12

7-1-2010 4,80 4,94 5,55 6,51 15-1-2010 5,85 5,71 7,37 18-1-2010 5,66 7,29 5,89

19-1-2010 5,14 5,67 6,04 7,32

20-1-2010 5,71 5,72 5,92 7,68 21-1-2010 5,24 5,24 5,93 7,27 6,76 5,20 5,92 7,27 22-1-2010

PromedioXCVIII 4,95 5,34 5,63 5,86 5,32 5,34 5,86 6,30

PromedioXCIX 4,90 5,31 5,52 5,81 5,32 5,34 5,86 6,30

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 467 XCVIII

MEDIA DEL 23 DE DICIEMBRE AL 22 DE ENERO, TAMBIÉN SE APLICA A LA TABLA B XCIX

MEDIA DEL 11 DE DICIEMBRE AL 22 DE ENERO, TAMBIÉN SE APLICA A LA TABLA B

Tabla A, Concentraciones de pH en finca el Socorro

Tabla B, Mediciones de conductividad en Finca el Socorro


63

30-12-2009 2870 4620 2046 7350 4680 1997 31-12-2009 6810 4600 1908 3620 4570 4590

1-1-2010 2026 4610 3810

4-1-2010 4970 4890 1984 5-1-2010 3390 4980 2185 3040 4990 2171 6-1-2010 4930 3170 2090 3760 4920 2250 7-1-2010 3860 4920 2097

15-1-2010 5180 5140 2700 6490 5130 2880 18-1-2010

19-1-2010 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

APÉNDICE B

MÉTODO METCALF & EDDY

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 4.288 x 10

-7 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

+]

[HCO3

-] = [ 4.288 x 10

-7 mole/L * 9.982 x 10

-3 mole/L ] / [ 10

-7 (ó -7.2) 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)

Una bolsa de 25 lb cuesta C$ 32,50CI

. Esto equivale a US$ 134,00 para una tonelada de carbonato de calcio (CaCO3).

corrección pH Kg CaCO3/QQoro 266 QQoro 800 QQoro Kg Ca(OH)2/QQoro 266 QQoro 800 QQoro

4.9 � 7.0 4.136 US$ 147 US$ 443 3.424 US$ 269 US$ 809

4.9 � 7.2 6.600 US$ 232 US$ 707 5.440 US$ 428 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 VALORES ENTRE CORCHETAS REPRESENTAN PARA UNA CORRECCIÓN DEL PH A UN VALOR DE 7.2

CI COMUNICACIÓN PERSONAL. ING. RODRÍGUEZ, R.I.

Tabla C, Cantidad de kg por QQoro requeridos por tipo de alcalinizante para elevar el pH

TRATAMIENTO ANAERÓBICO DE AGUAS MIELES

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