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Dise�o de una planta de tratamientos de aguas miel de Kilamupi caf�

Wastewater treatment system design for Kilamupi caf�

 

Projeto de esta��o de tratamento de �gua de mel para caf� Kilamupi

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: william.iba�ez@espoch.edu.ec

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Ciencias de la Educaci�n

Art�culo de investigaci�n

 

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*Recibido: 30 de enero de 2021 *Aceptado: 15 de febrero de 2021 * Publicado: 05 de marzo de 2021

 

       I.            Master Universitario en Qu�mica Industrial e Introducci�n a la Investigaci�n Qu�mica, Ingeniero Qu�mico, Docente de la Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Sede Morona Santiago, Macas, Ecuador.

    II.            Master Universitario en Ciencias Agroambientales y Agroalimentarias, Ingeniera en Biotecnolog�a Ambiental, Docente de la Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Sede Morona Santiago, Macas, Ecuador

�III.            Estudiante de la carrera de Ingenier�a Ambiental de la Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Sede Morona Santiago, Macas, Ecuador.

�IV.            Estudiante de la Carrera de Ingenier�a Ambiental de la Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Sede Morona Santiago, Macas, Ecuador.

Resumen

Se dise�� una planta de tratamientos de aguas miel para Kilamupi caf�. El dise�o cuenta con un sistema de filtraci�n compuesto por piedra, caliza, grava, arena y carb�n activado, se realizaron an�lisis de laboratorio antes y despu�s de ingresar el agua residual a la planta a escala piloto, para lo que se utiliz� muestras compuestas con tres r�plicas. En la caracterizaci�n inicial se obtuvieron los siguientes resultados, nitr�geno total 199,15 mg/L, f�sforo total 11,63 mg/L, pH 3,8, s�lidos totales 4086 mg/L, DBO5 5358,66 mg/L, 44 Pt-Co de color real y 1150 mg/L para turbidez. Se logr� reducir las concentraciones de cada par�metro despu�s de filtrar el agua residual con un caudal de 0,5 L/s, el nitr�geno total se redujo un 98,61%, el f�sforo total alcanz� una reducci�n de 97,59%, la DBO5 disminuy� en un 97,55 %, los s�lidos totales disminuyeron un 98,15%, el color real logr� ser inapreciable en una diluci�n 1/20, el par�metro de pH logr� incrementarse hasta 7,58 y el par�metro de turbidez alcanz� un valor de 26,83 NTU, cuyos valores se encuentra dentro de los l�mites establecidos por la normativa ambiental vigente. Adem�s, mediante estudios realizados se ratific� que los procesos f�sicos (secundarios) y los materiales del lecho filtrante constituyen una opci�n viable para la descontaminaci�n de aguas residuales. Finalmente, para la finca Kilamupi caf� se dimension� un tanque de filtraci�n con las siguientes medidas: 1,17 m2 de �rea transversal; 0,82 m de alto; 1,08 m de ancho, 1,05 m de longitud y 0,93 m3 de capacidad.

Palabras clave: Aguas miel; PTAR; Remoci�n de contaminante; Procesos f�sicos; Dise�o.

 

Abstract

The wastewater treatment plant was designed for Kilamupi caf�. The design has a filtration system composed of limestone, gravel, sand and activated carbon, the laboratory analysis were carried out before and after the treatment process, using composite samples with three replicas. In the initial characterization the following results were obtained, total nitrogen 199.15 mg / L, total phosphorus 11.63 mg / L, pH 3.8, total solids 4086 mg / L, BOD5 5358.66 mg / L, 44 Pt -Co for true color and 1150 mg / L for turbidity. It was possible to reduce the concentrations of each parameter after filtering the wastewater with a flow rate of 0.5 L / s.�� Total nitrogen was reduced by 98.61%, total phosphorus reached a reduction of 97.59%, BOD5 decreased by 97.55%, total solids decreased by 98.15%, color became negligible in a 1/20 dilution, pH parameter increased to 7.58 and turbidity parameter reached a value of 26,83 NTU, whose values are within the limits established by current environmental regulations. In addition, through studies carried out, it was confirmed that the physical processes (secondary) and the materials of the filter bed constitute a viable option for the decontamination of wastewater. Finally, for Kilamupi Caf�, a filtration tank was dimensioned with the following measurements: 1.17 m2 of cross-sectional area; 0.82 m high; 1.08 m wide, 1.05 m long and 0.93 m3 capacity.

Keywords: Honey waters; WWTP; Pollutant removal; Physical processes; Design.

 

Resumo

Uma esta��o de tratamento de �gua com mel foi projetada para o caf� Kilamupi. O projeto conta com um sistema de filtra��o composto por pedra, calc�rio, brita, areia e carv�o ativado, as an�lises laboratoriais foram realizadas antes e ap�s a entrada no efluente da planta em escala piloto, para a qual comp�s amostras com tr�s r�plicas. Na caracteriza��o inicial foram obtidos os seguintes resultados, nitrog�nio total 199,15 mg / L, f�sforo total 11,63 mg / L, pH 3,8, s�lidos totais 4086 mg / L, BOD5 5358,66 mg / L, 44 Pt -Co para cor verdadeira e 1150 mg / L para turbidez. Foi poss�vel reduzir as concentra��es de cada par�metro ap�s filtrar o efluente com uma vaz�o de 0,5 L / s, o nitrog�nio total foi reduzido em 98,61%, o f�sforo total atingiu uma redu��o de 97,59%, o DBO5 diminuiu em 97,55%, os s�lidos totais diminu�ram 98,15%, a cor real passou a ser desprez�vel na dilui��o 1/20, o par�metro de pH aumentou para 7,58 e o par�metro de turbidez atingiu o valor de 26,83 NTU, cujos valores est�o dentro dos limites estabelecidos pela regulamenta��o ambiental vigente. Al�m disso, por meio de estudos realizados, constatou-se que os processos f�sicos (secund�rios) e os materiais do leito filtrante constituem uma op��o vi�vel para a descontamina��o de �guas residu�rias. Por fim, para a fazenda do caf� Kilamupi, um tanque filtrante foi dimensionado com as seguintes medidas: 1,17 m2 de �rea transversal; 0,82 m de altura; 1,08 m de largura, 1,05 m de comprimento e 0,93 m3 de capacidade

Palavras-chave: Honey waters; WWTP; Remo��o de poluentes; Processos f�sicos; Projeto.

 

Introducci�n

El cultivo del caf� se encuentra ampliamente difundido en los pa�ses tropicales y subtropicales, en Per�, en el Caserio Barrio Nuevo se realiz� un estudio sobre la situaci�n actual de las aguas residuales producto del beneficio del caf� en donde concluyeron que el 100% de agricultores no realiza tratamiento de las mismas (Huaman 2018, p. 57). Ecuador no es la excepci�n, mostrando un cuadro cr�tico por la contaminaci�n ocasionada debido al destino final de las aguas miel sin previo tratamiento (Zu�iga 2005, p. 18).

Kilamupi caf� es una empresa de la provincia de Morona Santiago, se encuentra ubicada en el Km 8 de la v�a Macas-Puyo. Esta empresa se dedica a la siembra, cultivo y tostado de caf� (Kilamupi 2019, p. 1). Durante este proceso, se generan residuos s�lidos y l�quidos entre ellos el muc�lago, pulpa y aguas miel (Ministerio de Agricultura y Ganader�a 2010, p. 12-15) que, al no ser tratadas, se consideran contaminantes para el suelo o recursos h�dricos, dependiendo donde sean vertidos (Zu�iga 2005, p. 19). Es por ello que se ha visto necesario realizar el dise�o de una Planta de tratamiento de aguas miel, ayudando de esta manera a la empresa a disminuir el impacto ambiental ocasionado, al implementar una gesti�n sustentable en su proceso productivo.

Para el dise�o del sistema de tratamiento de las aguas miel, se pens� no solo en la empresa Kilamupi,� si no en los 1.874 productores de caf� de la provincia de Morona Santiago, (Ministerio de Agricultura y Ganader�a 2020, p. 1), que no realizan un manejo adecuado de sus efluente, debido al costo que representa esta actividad. Es por eso, que se ha presentado una alternativa eficaz y de f�cil implementaci�n que ayudar� a que las aguas miel cumplan con las caracter�sticas necesarias para que pueda ser descargadas en un cuerpo de agua dulce o reutilizadas en el sistema.

Este proyecto t�cnico estar� estructurado de la siguiente manera, en el cap�tulo I se encuentra el diagn�stico del problema, en el cap�tulo II se presenta la revisi�n de la literatura o fundamentos te�ricos, en el cap�tulo III se indica el marco metodol�gico, en el cap�tulo IV se plasma los resultados y finalmente se presenta las conclusiones y recomendaciones.

 

Materiales y m�todos

�         Tipo de la Investigaci�n

La investigaci�n que se utiliz� fue de tipo aplicada, mediante el uso de elementos t�cnicos, experimentales y conceptuales para el dise�o de una PTAR, con el fin de mitigar el impacto ambiental producido por los elementos contaminantes de las aguas miel realizando un correcto manejo de las mismas (Cedron & Cribilleros, 2017, p. 17).

�         Dise�o de la Investigaci�n

Se realiz� el dise�o experimental de un solo factor de tratamiento y para su an�lisis se utiliz� el programa SPSS, el cual se bas� en el an�lisis de regresi�n lineal estudiando la relaci�n entre variables cuantitativas (P�rez 2013, p. 15). El factor, n�mero de tratamientos, variables de respuesta y r�plicas se detallan en la Tabla 1-3.

 

Tabla 1: Factor, niveles y variables para el dise�o experimental

 

�         Tecnol�gico

�         Localizaci�n del proyecto

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Figura 1: Ubicaci�n Finca Kilamupi Caf�

 

La Finca Kilamupi se encuentra ubicada en la provincia de Morona Santiago, cant�n Morona, en el Km. 8 de la v�a Macas-Puyo. Con una elevaci�n de 1100 msnm y una temperatura que var�a entre 16 - 26 �C, lugar donde se obtuvo la informaci�n para crear el dise�o del sistema de tratamiento de las aguas miel.

�         Poblaci�n de estudio y/o tama�o muestra

En este caso nuestra poblaci�n de estudio ser� el total de agua residual generada por Kilamupi caf�, el muestreo que se utiliz� fue compuesto por qu� se mezcl� muestras individuales tomadas de los tres lavados que son parte del proceso de producci�n de caf� en la finca Kilamupi. (Kilamupi 2019, p. 1)

�         T�cnicas de recolecci�n de datos

En la primera etapa se obtuvo informaci�n de los procesos productivos de caf�, mediante una entrevista con el gerente de Kilamupi caf�, el Sr. Jos� Merino.

La caracterizaci�n f�sico- qu�mica de las aguas miel, se realiz� mediante la recolecci�n de una muestra compuesta, para posteriormente realizar su respectivo an�lisis, en el laboratorio de la Planta de tratamientos de agua del Gobierno Municipal del cant�n Morona, ubicado en la parroquia San Isidro.

Para el an�lisis de laboratorio se utiliz� el Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 23nd Edition, 2017, mediante el uso de los m�todos especificados en la Tabla 2-3.

 

Tabla 2: Par�metros para la caracterizaci�n F�sico - Qu�mica de las aguas miel de Finca Kilamupi

Realizado por: Los autores, 2021

 

�         An�lisis Estad�stico

 

An�lisis Descriptivo

Para determinar si es que existen diferencias significativas entre los par�metros de inter�s y los caudales propuestos se realiz� un an�lisis de varianzas (Anova). Cuando el valor de la probabilidad del estad�stico de la prueba Anova es inferior al nivel de significancia (α < 0,05), se rechaza la hip�tesis nula (H_O) y se acepta la hip�tesis alternativa (H_i). (Ferreo y L�pez 2020, p. 1)

La validez del dise�o experimental se realiz� al comprobar el supuesto de normalidad de datos, mediante una gr�fica de predichos vs residuos. El supuesto de interdependencia de datos se verific� con una gr�fica de residuos y finalmente la homocestacidad de datos se confirm� mediante la prueba estad�stica de Levene.

 

An�lisis de Contraste

Los valores obtenidos de la caracterizaci�n de aguas miel y del agua residual despu�s de pasar por el sistema� de filtraci�n, fueron contrastados con los l�mites m�ximos permisibles de descarga a un cuerpo de agua dulce, especificado en la Tabla 9, Anexo 1, Libro VI del A.M. 097 A. (Ministerio del Ambiente 2015, p. 16-17), para poder realizar esta comparaci�n se llev� a cabo un ajuste de conversi�n para los par�metros de Nitratos (NO3-) y Fosfatos (PO4), tomando como referencia los valores de nitr�geno total y f�sforo total respectivamente, las f�rmulas de conversi�n se detallan a continuaci�n en la Tabla 3-3.

 

Tabla 3: F�rmulas de conversi�n

Fuente: Hach 2020, p. 1; Hanna Instruments 2020, p. 1

Realizado por: Los autores, 2021

 

Adicionalmente, los par�metros que cumplieron las condiciones establecidas en el A.M 097-A, se evalu� la eficiencia del sistema de filtraci�n con los caudales propuestos.

 

Ecuaci�n 1: F�rmula utilizada para determinar la eficiencia

Donde:

𝐸: eficiencia

𝐶𝑜: concentraci�n Inicial

𝐶𝑓: concentraci�n Final

An�lisis Explicativo

Se efectu� un an�lisis explicativo de todo el sistema de tratamiento, el cual detalla medidas, materiales y variables del dise�o de la PTAR.

�         Ingenier�a del proyecto

Sistema de Filtraci�n

La planta piloto estuvo conformada por un sistema de filtraci�n, compuesto por un filtro elaborado en un tanque de 20 litros de capacidad.

El filtro fue elaborado con los siguientes materiales: piedra caliza, grava, arena y carb�n activado. Para determinar el tama�o del material filtrante, el espesor del material y la velocidad de filtraci�n se bas� en literatura existente y se detallan en la Tabla 4-3.

 

Tabla 4: Caracter�sticas de dise�o del sistema de filtraci�n

Fuente: Ord��ez y Pesantez 2017, p. 42

Realizado por: Los Autores, 2021

 

El Caudal Te�rico (QT), se determin� con los valores del material del lecho filtrante limitante del sistema (grava), al tener la menor velocidad de filtraci�n se consider� como caudal m�nimo (QMin), y con base en este caudal se propuso un caudal medio (QMed) y un caudal m�ximo (QMax).

 

Determinaci�n del Caudal M�nimo

 

Ecuaci�n 2: F�rmula para determinar el caudal m�nimo

_T

Donde:

Q_Min: caudal (L/s)

V: velocidad (m/s)

A_T: �rea de tanque (m2)

El c�lculo del caudal m�nimo se determin� en base al �rea transversal del tanque de filtraci�n de la planta piloto, con la siguiente f�rmula:

 

Ecuaci�n 3: F�rmula para determinar el �rea transversal del tanque

Donde:

A_TD: �rea transversal del tanque (m2)

D: di�metro del tanque (m)

 

Mientras que la velocidad de filtraci�n se encuentra detallada en la Tabla 4-3; con esos datos se obtuvo el valor del caudal m�nimo, que se muestra en la Tabla 5-3.

 

Tabla 5: Determinaci�n del caudal m�nimo

Realizado por: los autores, 2021

 

Caudales propuestos para el dise�o de la PTAR

Los niveles del caudal utilizados en la planta piloto se consideraron tres, los cuales se detallan a continuaci�n en la Tabla 6-3.

 

Tabla 6: Caudales propuestos

Realizado por: Los autores, 2021

 

Dimensionamiento de los Tanques de Filtraci�n

Para realizar el dimensionamiento de los Tanques de Filtraci�n se calcul� la velocidad de filtraci�n con la siguiente f�rmula:

 

Ecuaci�n 4: F�rmula para determinar la velocidad de filtraci�n

Donde:

w: velocidad de filtraci�n (m/s)

QD: caudal de salida de la planta piloto (m3/s)

ATD: �rea transversal del tanque de la planta piloto (m2)

Con el valor que se obtuvo anteriormente, se determin� el �rea del tanque de filtraci�n para la Empresa Kilamupi Caf�, con la siguiente f�rmula:

A_T=Q/w

 

Ecuaci�n 5: F�rmula para determinar el �rea superficial

Donde:

AT: �rea superficial (m2)

Q: caudal de funcionamiento (m3/s)

w: velocidad de filtraci�n (m/s)

El tiempo de retenci�n hidr�ulica se determin� con la f�rmula que se detalla a continuaci�n:

 

Ecuaci�n 6: F�rmula para determinar el tiempo de retenci�n hidr�ulica

Donde:

AT: �rea superficial (m2)

H: altura (m)

p: porosidad del medio granular

Q: caudal de funcionamiento (m3/s)

Posteriormente se calcul� el volumen necesario con la f�rmula que se presenta a continuaci�n:

 

Ecuaci�n 7: F�rmula para determinar el volumen del tanque

Donde:

V: volumen del tanque (m3)

Q: caudal de funcionamiento (m3/s)�

TRH: tiempo de retenci�n hidr�ulica (s)

Adem�s, se calcul� la altura del tanque con la siguiente f�rmula:

 

Ecuaci�n 8: F�rmula para determinar la altura

Donde:

H: altura del tanque(m)

V: volumen del tanque (m3)

AT: �rea superficial (m2)

 

Para calcular el ancho del tanque de filtraci�n, primero se calcul� el coeficiente de costo m�nimo con la f�rmula que se muestra a continuaci�n

 

Ecuaci�n 9: F�rmula para determinar el coeficiente de costo m�nimo

Donde:

Kc: coeficiente de costo m�nimo

n: n�mero de filtros

 

Ecuaci�n 10: F�rmula para determinar el ancho del filtro

Donde:

af: ancho del filtro (m)

AT: �rea superficial (m2)

Kc: coeficiente m�nimo de costo (adimensional)

Para calcular la longitud del tanque de filtraci�n, se utiliz� los valores del volumen, ancho del filtro y la altura, con la f�rmula que se muestra a continuaci�n:

 

Ecuaci�n 11: F�rmula para determinar la longitud del tanque

Donde:

L: longitud del tanque (m)

b: base del tanque (m)

H: altura del tanque(m)

V: volumen del tanque (m3)

�         Requerimientos de tecnolog�a, equipos y maquinaria

Los requerimientos necesarios para la elaboraci�n de este proyecto se dividen en tres aspectos, el primero se especifica en la Tabla 7-3, donde se detalla los equipos que fueron utilizados para la caracterizaci�n de cada uno de los par�metros de inter�s.

 

Tabla 7: Requerimientos para an�lisis en laboratorio

Realizado por: Los autores, 2021

 

En la Tabla 8-3, se especifica los materiales que se utilizaron en la planta piloto de tratamiento de aguas miel.

 

Tabla 8: Requerimientos para la creaci�n del dise�o y an�lisis de datos

Realizado por: Los autores, 2021

 

Resultados

An�lisis descriptivo

En la Tabla 9-4, se observ� que los valores de la probabilidad del estad�stico de prueba (Anova) son menores al nivel de significancia (0,05) por lo que se rechaz� la hip�tesis nula (Ho) y se acept� la hip�tesis alternativa (Hi), es decir que existe diferencias significativas entre nuestros factores (caudal m�ximo, medio y m�nimo) de estudio.

 

Tabla 9: An�lisis de Varianza (ANOVA)

Realizado por: Los autores, 2021

 

�         Verificaci�n de supuestos

Se verific� el supuesto de normalidad de datos, en donde se visualiz� que los datos al seguir la l�nea de tendencia, mediante una gr�fica de predichos vs residuos, est�n cumpliendo con este primer supuesto. Al mismo tiempo se verific� el supuesto de interdependencia de datos, mediante una gr�fica de residuos, en donde se indic� que los datos se encuentran dispersos y al no seguir una tendencia, cumplen con el segundo supuesto.

Finalmente, se analiz� el tercer supuesto de homocestacidad de varianzas mediante la prueba estad�stica de Levene, en donde se acepta la hip�tesis nula al tener valores mayores a 0,05 de significancia, es decir que las varianzas son iguales.�

�         An�lisis de Contraste

�         Caracterizaci�n de las Aguas Miel de Kilamupi Caf�

En la Tabla 10-4, se detalla los valores obtenidos para cada par�metro de estudio.

 

Tabla 10: Caracterizaci�n de las aguas miel de Kilamupi Caf�

Realizado por: Los autores, 2021

 

�         Ajuste de conversi�n

Una vez realizada la caracterizaci�n de las aguas miel, se realiz� la conversi�n de unidades en los par�metros de Nitratos y Fosfatos, transform�ndolos a nitr�geno total y f�sforo total respectivamente, para comprar los valores obtenidos con los l�mites m�ximos permisibles referentes de la Tabla 9, Anexo 1, Libro VI del A.M. 097-A, como se encuentra expresado la Tabla 11-4.

 

Tabla 11: Ajuste de conversi�n en la caracterizaci�n de las aguas miel

Realizado por: Los autores, 2021

 

El agua residual (aguas miel) producto del procesamiento de Kilamupi caf�, present� altas concentraciones de nitr�geno total de 199,15 mg/L, valor que se encuentran fuera del rango que establece el l�mite m�ximo permisible, para el f�sforo total, el valor obtenido sobrepasa los 10 mg/L correspondientes al l�mite m�ximo permisible con un valor de 11,63 mg/L, el pH se encuentra fuera del rango de 6-9, con un valor de 3,8. Para los s�lidos totales, el valor obtenido fue de 4086 mg/L, es decir, sobrepasa el l�mite m�ximo permisible de 1600 mg/L. La Demanda Bioqu�mica de Ox�geno es la medici�n de la materia org�nica existente en el agua residual, el resultado de este par�metro fue elevado con respecto al l�mite m�ximo permisible, alcanzado los 5358,66 mg/L. La Norma establece que el l�mite m�ximo permisible para el color real debe ser inapreciable en diluci�n 1/20, es decir dar un valor de 0, sin embargo, el valor obtenido fue 44 Pt-Co, encontr�ndose fuera del l�mite m�ximo permisible. Finalmente, la turbidez obtuvo un valor de 1150 mg/L, resultado que se encuentra fuera del l�mite m�ximo permisible.

�         An�lisis de la eficiencia del sistema de filtraci�n

Se evalu� la eficiencia del sistema de filtraci�n con base en las concentraciones de los par�metros de estudios que se obtuvieron tanto en la caracterizaci�n de las aguas miel como en la de las aguas filtradas, consider�ndose estos valores como concentraci�n inicial y final respectivamente.�

Para la evaluaci�n del sistema de filtraci�n de la planta piloto, se establecieron tres caudales: caudal m�ximo (1 L/s), caudal medio (0,5 L/s) y caudal m�nimo (0,22 L/s).� Para cada par�metro de estudio se realizaron pruebas de laboratorio con el agua tratada, a fin de determinar la eficiencia del proceso.

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Tabla 12: Comparaci�n de la de los par�metros antes y despu�s del sistema de filtraci�n

Realizado por: Los autores, 2021

 

Despu�s del tratamiento de las aguas residuales para un caudal de 0,5 L/s se obtuvieron los siguientes resultados 2,78 mg/L para el nitr�geno total, 0,28 mg/L para el f�sforo total, 7,58 para el pH, 100 mg/L para los s�lidos totales, 99 mg/L para la DBO5, 0 Pt-Co para el color real, y 26,83 NTU, para la turbidez, encontr�ndose todos los par�metros dentro de los l�mites m�ximos permisibles.

 

Gr�fico 1:. Tiempo de sedimentaci�n con respecto al volumen sedimentado

Realizado por: Los autores, 2021

 

En el gr�fico 1-4 se representa la curva de sedimentaci�n de las aguas miel, para lo cual se utiliz� 1 litro de agua residual en una probeta de 1000 ml, obteniendo as� los siguientes resultados: en 1 hora de monitoreo se sediment� 50 ml de aguas miel, a las 2 horas sediment� 100 ml, a las 3 horas sediment� 150 ml, a las 4 horas sediment� 200 ml, a las 5 horas sediment� 250 ml, alcanzando su sedimentaci�n m�xima a las 6 horas con un total de 300 ml de aguas miel.

 

Tabla 13: Eficiencia de los par�metros del agua despu�s del tratamiento.

Realizado por: Ortiz & Ortega, 2021

 

En la Tabla 13-4, se puede visualizar la eficiencia que se obtuvo para cada uno de los par�metros de estudio despu�s de pasar por el sistema de filtraci�n a escala piloto.

�         Ingenier�a del proyecto

�         Sistema de Filtraci�n

�         Dimensionamiento del tanque de filtraci�n

Para dimensionar los tanques de filtraci�n se realiz� un dise�o experimental, con el objetivo de determinar cu�l es el caudal �ptimo para dise�ar la PTAR, garantizando el soporte t�cnico del filtro.

C�lculos del dimensionamiento para los tanques de filtraci�n

Velocidad de Filtraci�n

Donde:

w: velocidad de filtraci�n (m/s)

Q: caudal salida de la planta piloto (caudal medio)

A_TD: �rea transversal del tanque de la planta piloto (m2)

 

Ecuaci�n 12: C�lculo de la velocidad de filtraci�n

�rea superficial del tanque de filtraci�n para la empresa Kilamupi caf�

Donde:

A_T: �rea transversal tanque (m2)

Q: caudal de funcionamiento (m3/s)

w; velocidad de filtraci�n (m/s)

 

Ecuaci�n 13: C�lculo del �rea transversal del tanque

Tiempo de retenci�n hidr�ulica

Donde:

A_T: �rea superficial del tanque (m2)

H: altura (m)

p: porosidad del medio granular

Q: caudal de salida de la planta piloto (m3/s)

 

Ecuaci�n 14: C�lculo del tiempo de retenci�n hidr�ulica

Volumen

Donde:

V: volumen (m3)

Q: caudal de funcionamiento (m3/s)�

TRH: tiempo de retenci�n hidr�ulica (s)

 

Ecuaci�n 15: C�lculo del volumen del tanque

7200 s

Altura

Donde:

H: altura (m)

V: volumen (m3)

A_T: �rea superficial del tanque (m2)

 

Ecuaci�n 16: C�lculo de la altura del tanque

Coeficiente de costo m�nimo

Donde:

Kc: coeficiente de costo m�nimo

n: n�mero de filtros

 

Ecuaci�n 17: C�lculo del coeficiente de costo m�nimo

Ancho

Donde:

af: ancho del filtro (m)

AT: �rea superficial del tanque (m2)

Kc: coeficiente m�nimo de costo (adimensional)

 

Ecuaci�n 18: C�lculo del ancho del filtro

Longitud

Donde:

L: longitud del tanque (m)

b: base del tanque (m)

H: altura del tanque(m)

V: volumen del tanque (m3)

 

Ecuaci�n 19: C�lculo de la longitud del tanque

 

Tabla 14: Resultados para el dimensionamiento de la planta de tratamientos de aguas miel en Kilamupi Caf�

Realizado por: Los autores, 2021

Discusi�n

Una vez establecida la l�nea base de las aguas miel de la finca Kilamupi, se cuantificaron los par�metros: de potencial de hidr�geno (pH) 3,8 siendo distinto al pH que deben tener las aguas naturales para mantener la vida acu�tica, que se encuentra en un rango de 6 a 9 (Fern�ndez 2012, p. 13), los par�metros de nitr�geno total y f�sforo total presentan concentraciones elevadas en este residuo, con valor es de 199,15 mg/L y 11,63 mg/L respectivamente, que se encuentran fuera de los l�mites permisibles que establece la normativa. Fern�ndez (2012, p. 18) indica que los aportes excesivos de estos dos par�metros pueden ocasionar fen�menos de eutrofizaci�n, en cuerpos de aguas dulce.

Inicialmente se consider� un tanque de sedimentaci�n como tratamiento primario para la remoci�n de part�culas m�s pesadas por acci�n de la fuerza de� gravedad (Vallejos, et al. 2008, p. 3). Sin embargo, en la fase experimental se evidenci� que la velocidad de sedimentaci�n de las aguas miel es baja debido al tama�o de sus part�culas, pues para un litro de agua residual, se sediment� �nicamente 300 ml en un periodo de 6 horas. Adem�s, utilizando �nicamente el sistema de filtraci�n los par�metros cumplen con los objetivos propuestos, encontr�ndose dentro de los l�mites m�ximos permisibles; con un caudal de 0,5 L/s se obtuvieron valores de 2,78 mg/L para nitr�geno total, 0,28mg/L para f�sforo total, 7,58 para pH, 100 mg/L para s�lidos totales, 99 mg/L para la DBO5, 0 unidades de color Pt-Co para el color real y 26,83 NTU para la turbidez.

De acuerdo a investigaciones realizadas en Colombia, en la finca �Los Arrayanes�, con la aplicaci�n de un humedal artificial de flujo vertical para el tratamiento de las aguas residuales de la producci�n cafetera, los resultados fueron 13,5 mg/L para el nitr�geno, 10,5 mg/L para el f�sforo, y para el pH, el afluente� subi� de� 3,69 a 6,52 (Ort�z y Montes 2018, p. 38, 53). Comparando los valores obtenidos por el humedal artificial de flujo vertical y el sistema de filtraci�n utilizado en la presente investigaci�n, el cual est� compuesto por piedra caliza, grava, arena y carb�n activado, se obtienen mejores resultados para el tratamiento de aguas residuales provenientes del caf�. Ratificando que los procesos f�sicos (secundarios) para la descontaminaci�n de aguas residuales constituyen una opci�n viable.

Seg�n Fern�ndez (2019, p. 70) en su investigaci�n para el tratamiento de aguas negras utilizando un� biofiltro de bagazo de ca�a, piedra caliza, carb�n activado, grava, arena y piedra p�mez, logr� reducir la DBO5 de 175,7 mg/L a 132 mg/L, los s�litos totales de 254 mg/L a 201 mg/L y la turbidez de 52 NTU a 26 NTU. A trav�s de estos estudios se evidencia la efectividad que tienen los materiales filtrantes utilizados en la presente investigaci�n para el tratamiento de aguas residuales con contaminantes org�nicos.

 

Conclusiones

Se realiz� el dise�o de la planta de tratamientos de aguas miel para Kilamupi caf�, para mitigar las afecciones ambientales y cumplir con los l�mites m�ximos permisibles como lo establece la Normativa Ambiental Vigente.

Se realiz� la caracterizaci�n f�sico-qu�mica de las aguas miel procedentes del lavado de caf�, considerando los par�metros de nitr�geno total, f�sforo total, potencial de hidr�geno, s�lidos totales, demanda bioqu�mica de ox�geno, color y turbidez, obteniendo valores de 199,15 mg/L; 11,63mh/L; 3,8; 4086 mg/L; 5358,66 mg/L y 44 Pt-Co y 1150 NTU respectivamente, por lo cual �stas aguas evidencia un alta carga contaminante y no pueden ser descargadas sin previo tratamiento a un cuerpo de agua dulce.

Se realiz� la caracterizaci�n f�sico-qu�mica de las aguas miel pos-tratamiento.� Las pruebas que se realizaron en la planta piloto con caudal de 0,5 L/s (caudal �ptimo de tratamiento) obteni�ndose valores que cumplen con la normativa ambiental vigente; 2,78 mg/L de nitr�geno total, 0,28 mg/L para el f�sforo total, pH 7,58, 100 mg/L de s�lidos totales, 99 mg/L de DBO5 y para el color 0 Pt-Co, evidenciando el funcionamiento adecuado.

Se determinaron las variables de dise�o para el sistema de filtraci�n de la PTAR consider�ndose la velocidad de filtraci�n de 1,14x10-4 m/s y el caudal de operaci�n de 0,00013 m3/s. Determinando que Kilamupi caf� para realizar un correcto manejo de sus desechos l�quidos (aguas miel) necesita un tanque con un �rea transversal de 1,17 m2, que tenga una altura m�nima de 0,82 m y de ancho 1,08 m, con un volumen de 0,93 m3 y una longitud de 1,05 m.

 

Referencias

1.           �LVAREZ, J., HUGH, S., CUBA, N. y LOZA, M., 2011. Evaluacion de un sistema de tratamiento de aguas residuales del beneficiado de cafe (caffea arabica)implementado en la comunidad Carmen Pampa provincia Nor Yungas del Departamento de La Paz. Selva Andina Research Society, pp. 34-42. ISSN 2072-9294.

2.           BOLA�OS, J., CORDERO, G. y SEGURA, G., 2017. Determinaci�n de nitritos, nitratos, sulfatos y fosfatos en agua potable como indicadores de contaminaci�n ocasionada por el hombre, en dos cantones de Alajuela (Costa Rica). Revista Tecnolog�a en Marcha [en l�nea], vol. 30, no. 4, pp. 15. ISSN 0379-3982. DOI 10.18845/tm.v30i4.3408. Disponible en: https://www.scielo.sa.cr/pdf/tem/v30n4/0379-3982-tem-30-04-15.pdf.

3.           CEDRON, O. y CRIBILLEROS, A., 2017. �Diagnostico del sistema de aguas residuales en salaverry y propuesta de soluci�n� [en l�nea]. S.l.: Universidad Privada Antenor Orrego. Disponible en: http://repositorio.upao.edu.pe/bitstream/upaorep/3561/1/REP_ING.CIVIL_OLGA.CEDR�N_ANA.CRIBILLEROS_DIAGN�STICO.SISTEMA.AGUAS.RESIDUALES.SALAVERRY.PROPUESTA.SOLUCI�N.pdf.

4.           CORT�S, Y., RODR�GUEZ, K. y VARGAS, L., 2020. Impactos ambientales de la producci�n del caf�, y el aprovechamiento sustentable de los residuos generados. Produccion y Limpia [en l�nea], vol. 15, no. 1, pp. 93-110. ISSN 23230703. DOI 10.22507/PML.V15N1A7. Disponible en: http://repository.lasallista.edu.co:8080/ojs/index.php/pl/article/view/2333/210210509.

5.           FERN�NDEZ, A., 2012. El agua: un recurso esencial. Qu�mica Viva [en l�nea], vol. 11, no. 3, pp. 147-170. ISSN 1666-7948. Disponible en: https://www.redalyc.org/pdf/863/86325090002.pdf.

6.           FERN�NDEZ, C. y V�ZQUEZ, Y., 2006. Origen de los nitratos (NO3) y nitritos (NO2) y su influencia de la potabilidad de las aguas subterr�neas. Miner�a y Geolog�a [en l�nea], vol. 2, no. 3, pp. 10. Disponible en: https://www.redalyc.org/pdf/2235/223517652002.pdf.

7.           FERN�NDEZ, V., 2019. Dise�o y construcci�n de una sanitario ecol�gico a trav�s de un biofiltro de bagazo de ca�a para aguas negras en la finca ovina San Pablo de la parroquia rural Facundo Vela [en l�nea]. S.l.: Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo. Disponible en: http://dspace.espoch.edu.ec/bitstream/123456789/11136/1/236T0438.pdf.

8.           FERREO, R. y L�PEZ, J., 2020. Qu� es el anova. M�xima Formaci�n [en l�nea]. [Consulta: 27 febrero 2021]. Disponible en: https://www.maximaformacion.es/blog-dat/que-es-el-anova-de-una-via/.

9.           GALINDO, X., 2011. Producci�n e industrializaci�n de caf� soluble: Solubles instantaneos [en l�nea]. S.l.: Universidad de Guayaquil. Disponible en: http://infocafes.com/portal/wp-content/uploads/2017/01/Galindo-Veliz-Xiomara-Raiza.pdf.

10.       HACH, 2020. Cu�l es el factor de conversi�n de NO3-N a NO3. [en l�nea]. [Consulta: 1 febrero 2021]. Disponible en: https://essupport.hach.com/app/answers/answer_view/a_id/1026609/~/%E2%BFcu%E3%A1l-es-el-factor-de-conversi%E3%B3n-de-de-no3-n-a-no3%3F-#:~:text=Para convertir unidades de Nitr�geno,dividir por el valor 4%2C427.

11.       HANNA INSTRUMENTS, 2020. F�sforo: comprender los diferentes tipos de f�sforo m�todos utilizados para medirlo. HANNA Instruments [en l�nea]. [Consulta: 1 febrero 2021]. Disponible en: https://www.hannainst.es/blog/1504/F�sforo--Comprender-los-diferentes-tipos-de-f.

12.       HUAMAN, D., 2018. Situaci�n actual de las aguas residuales producto del beneficio del caf� (coffea arabica L.) sobre el medio ambiente en el Caserio barrio Nuevo, provincia de San Ignacio - Cajamarca [en l�nea]. S.l.: Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo. Disponible en: http://repositorio.unprg.edu.pe/bitstream/handle/UNPRG/8729/Huaman_Garcia_Diana_Marily.pdf?sequence=1&isAllowed=y.

13.       INEN, 2013. Agua. Calidad del agua. Muestreo. T�cnicas de muestreo. INEN [en l�nea]. Quito: Disponible en: https://bit.ly/2C5dMyv.

14.       KILAMUPI, 2019. Kulamupi caf�. [en l�nea]. [Consulta: 13 noviembre 2020]. Disponible en: https://merino-bleumink.com/nuestro_proceso/.

15.       MINISTERIO DE AGRICULTURA Y GANADER�A, 2010. Manual de buenas pr�cticas de manufactura en el beneficio Bio caf� oro de Tarraz� S.A. [en l�nea]. S.l.: Disponible en: http://www.mag.go.cr/bibliotecavirtual/a00205.pdf.

16.       MINISTERIO DE AGRICULTURA Y GANADER�A, 2020. Morona Santiago tiene 1.799 hect�reas de cultivos de caf� y cacao. Ministerio de Agricultura y Ganader�a [en l�nea]. [Consulta: 21 octubre 2020]. Disponible en: https://www.agricultura.gob.ec/morona-santiago-comercializa-mas-de-440-quintales-de-cafe-de-calidad/.

17.       MINISTERIO DEL AMBIENTE, 2015. Norma de calidad ambiental y de descarga de efluentes [en l�nea]. 2015. Ecuador: s.n. 387. Disponible en: http://extwprlegs1.fao.org/docs/pdf/ecu155128.pdf.

18.       ORT�Z, N. y MONTES, C., 2018. Dise�o preliminar de un sistema de tratamiento de aguas residuales de bajo impacto ambiental para una finca cafetera en el municipio de el Pital-Huila [en l�nea]. S.l.: Universidad Militar Nueva Granada. Disponible en: https://repository.unimilitar.edu.co/bitstream/handle/10654/18018/MontesCamposCristian-OrtizSalazarNestor2018.pdf?sequence=2&isAllowed=y.

19.       P�REZ, E., 2013. An�lisis estad�stico multivariante de un conjunto de datos biol�gicos experimentales. [en l�nea]. Granada: Disponible en: http://masteres.ugr.es/moea/pages/curso201314/tfm1314/tfm-septiembre1314/memoriamasterevaristoperezrial/!

20.       �VALLEJOS, G., J, O. y P�REZ, M., 2008. Estudio de la din�mica de sedimentaci�n de lodos mediante un sistema �ptico. Ingenier�a [en l�nea], vol. 12, no. 2, pp. 17-29. ISSN 1665-529X. Disponible en: https://www.redalyc.org/pdf/467/46712202.pdf.

 

 

 

 

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