Keywords: wastewater, wet coffee processing, removal, solids suspended, treatment.

INTRODUCCIÓN

En general las áreas cafeteras de Colombia corresponden a zonas de montaña con abundancia en fuentes hídricas; cuando los subproductos del beneficio del café representados por pulpa y mucílago no son manejados adecuadamente, representan respectivamente el 72% y el 28% de la contaminación que llega a las corrientes naturales de agua, en una proporción tal que un kilogramo de fruto procesado contamina igual a las aguas residuales domésticas de un habitante por día (CENICAFE, 2011). El panorama se observa más grave teniendo en cuenta que para producir 11 millones de sacos, se procesan en Colombia cada año aproximadamente 2 700 millones de kg de café cereza (FNC, 2005).

Los sistemas para el tratamiento de aguas residuales procedentes del beneficio de café que están funcionando en el departamento del Huila, constan de dos componentes básicos: uno basado en el proceso de sedimentación y el otro utiliza como principio la filtración; como es costumbre, los caficultores y técnicos del sector los denominan desnatador y filtro. Este último se encuentra compuesto por tres capas con partículas de granulometría graduada (arena, grava y agregados de mayor tamaño) (Gutiérrez et al., 2007).

En el tratamiento de aguas residuales se evalúan los efectos de fuerzas físicas, reacciones químicas, control biológico o acción microbiológica, con el propósito de producir cambios en la calidad del agua. Para el caso específico de tratamiento de aguas residuales producto del beneficio del café, se pueden destacar las investigaciones realizadas por Yacsik & Ramírez (2005), quienes definieron la metodología para el tratamiento de residuos generados en el beneficio del café en la planta de beneficio ecológico de ALEACAF. Orozco et al. (2005) evaluaron una planta piloto de tratamiento de aguas residuales del procesamiento del café de mediano tamaño en el estado de Chiapas México, evaluando pH, DQO, cianuro, cadmio, zinc y níquel, encontrando que todos los parámetros evaluados cumplieron la norma mexicana. Del Panta et al. (2009) realizaron un estudio al sistema de tratamiento de las aguas mieles en Salcedo República Dominicana, cuyos componentes están dispuestos de manera inversa (Filtro - Sedimentador) a los sistemas que utilizan los cafeteros del sur del Huila. Asimismo, Rodríguez (2009) realizó una Tesis Doctoral en la que se diseñó un pos tratamiento biológico integrado que utiliza macrófitas para el tratamiento de las aguas mieles del café.

Como alternativa a los sistemas tradicionales de tratamiento de aguas residuales resultantes del beneficio del café, se vienen desarrollando los Sistemas Modulares de Tratamiento Anaerobio (SMTA), que están compuestos por un reactor hidrolítico-acidogénico y un reactor metanogénico (Orozco, 2003).Sin embargo, su uso no se ha extendido entre los pequeños productores de café del sur del Huila.

La necesidad de contar con infraestructura adecuada para el beneficio de café es uno de los factores que afectan la implantación de un programa de buenas prácticas agrícolas en productores del grano, se incluye en este protocolo el manejo adecuado de los subproductos para evitar afectaciones al medio ambiente (Gutiérrez et al., 2009); adicionalmente, según reporte del Ministerio de Ambiente de Colombia (MINAMBIENTE, 2010), solamente el 51% de los sistemas de tratamiento de aguas residuales tanto domésticos como industriales instalados en Colombia funcionan de manera aceptable.

Lo anterior indica que, si bien es cierto algunos sistemas utilizados para tratar aguas residuales producto del beneficio del café vienen siendo objeto de preguntas de investigación, no se reportan investigaciones puntuales relacionadas con la evaluación de la eficiencia de remoción de los sistemas compuestos por Desnatador-Filtro, que actualmente utilizan los cafeteros en el Huila, ni tampoco se ha definido como objetivo de una investigación proponer rediseños o cambios en la forma de operación de los mismos.

El objetivo del presente trabajo consistió en evaluar la eficiencia expresada en porcentaje de remoción de los parámetros DBO₅ y Sólidos Suspendidos (SS) en el sistema típico de tratamiento de aguas residuales, producto del beneficio húmedo del café que utilizan los pequeños cafeteros del sur del Huila, simulando el proceso de beneficio húmedo a nivel de laboratorio en un prototipo a escala 1:25.

MATERIALES Y MÉTODOS

Se emplearon muestras de café cereza de 12,5 kg, transportadas el mismo día de la recolección hasta las instalaciones del Centro de Investigación CESURCAFE de la Universidad Surcolombiana en Neiva Colombia. La planta de beneficio tipo laboratorio utilizada correspondió a una reproducción a escala 1:25 del sistema de tratamiento de aguas residuales tipo que utilizan tradicionalmente los pequeños productores de la zona cafetera del sur del Huila y que coincide con el sistema de tratamiento reportado por Gutiérrez et al., (2007).

A su llegada a la planta de beneficio, las muestras fueron despulpadas y dejadas en fermentación sin adicionar agua durante 18 horas; transcurrido este tiempo, las muestras fueron sometidas a tres lavados para eliminar los restos de mucílago, se emplearon 20 L de agua, distribuidos en 7 L de agua para el primer lavado, 7 L en el segundo y 6 L en el tercer lavado. Durante cada lavado, el grano se revolvía con una cuchara plástica para facilitar el desprendimiento del mucílago, imitando las condiciones de lavado empleadas por los caficultores en el campo.

El prototipo de planta de tratamiento de aguas residuales construido estaba compuesto por tres sedimentadores, colocados en paralelo de igual volumen útil 20 L y de igual forma (prismática de sección cuadrada en la parte superior y de tronco de pirámide en la parte inferior), variando las dimensiones del lado del cuadrado y la altura; y dos filtros de diferente forma pero de igual volumen, uno FFA empacado con tres lechos de gravas y arena y un filtro de flujo horizontal FFH con los mismos lechos; el flujo en los sedimentadores fue tipo batch y en los dos filtros fue de flujo continuo intermitente.

Se recolectaron tres muestras de agua residual de 1 L cada una, por cada una de las ocho corridas propuestas en el diseño experimental. La primera muestra se tomaba del afluente antes de ingresar al sedimentador proveniente de la mezcla de las aguas del primer, segundo y tercer lavado (M1); la segunda muestra se tomaba del efluente del sedimentador, una vez culminado el proceso de sedimentación, recogiendo el agua ubicada en la parte media del recipiente después de haber sido retirada la nata (M2); la tercera muestra se tomaba del efluente del sistema, en cuanto el agua había completado el proceso de filtración (M3).

Las muestras fueron enviadas al Laboratorio de Aguas de la Universidad Surcolombiana, donde se analizó la DBO₅ y Sólidos Suspendidos (SS). Para determinar la DBO₅ se utilizó el método Titulométrico Winkler (Silva et al., 2009 y El Mabrouki et al., 1999) y para los SS el método Gravimétrico (Rivera et al., 2004). El cálculo del porcentaje de remoción se estimó de acuerdo con la siguiente relación (Scavo, 2004):

El diseño experimental correspondió a un diseño factorial 23 para un total de ocho observaciones con un nivel de confianza del 95%; el diseño permitió estudiar los efectos simples de tres factores, TRH (24 h y 36h), Tipo de desnatador (Geometría cuadrada con área superficial de 1250 cm2 y 625 cm2 y Tipo de filtro (FFA y FFH) en ocho ejecuciones; el diseño se realizó en un solo bloque y el orden de los experimentos fue totalmente aleatorio. El análisis de los datos procedentes de los ocho ensayos permitió definir si los factores estudiados tienen efectos estadísticamente significativos sobre la variable respuesta (porcentaje de remoción de SS y DBO₅). Todos los datos procedentes de la presente investigación fueron sometidos a un completo análisis estadístico, utilizando el paquete estadístico STATGRAPHICS Plus 5.1 (Manugistics, Inc., Rockville MD, USA).

RESULTADOS

Los resultados del análisis de los parámetros DBO₅ y SS realizados en el laboratorio de aguas de la Universidad Surcolombiana para los ocho ensayos ejecutados están presentados en la tabla 1, como se observa, se relacionan los tres puntos de muestreo en el prototipo M1, M2 y M3; los valores tanto de DBO₅ como de SS medidos en el afluente (M1) son considerablemente altos, llegando a alcanzar para el caso de DBO₅ los 9 770 mg O2 /l y para el caso de sólidos suspendidos totales 5 520 mg/l.

La tendencia de evolución de los valores de DBO₅ y de SS está presentada en las Figuras 1 y 2 respectivamente. Los valores de DBO₅  presentan una evolución lineal descendente entre los tres puntos de medición del sistema de tratamiento y en su conjunto, aunque la pendiente de la línea recta no presenta una inclinación acentuada, lo que implica una baja eficiencia de remoción para este parámetro. Lo anterior se corrobora con los valores finales promedio (5165,5 ± 1176,69 mg O2/l) que definitivamente son valores muy altos para aguas residuales tratadas; esto puede ser consecuencia de que los filtros operaron como lechos filtrantes y no como digestores, además no fueron inoculados ni se permitió periodo de arranque, situación similar se presenta en las fincas cafeteras al inicio de cada cosecha.

En el caso de la evolución de los valores de SS, estos presentan una evolución exponencial descendente, siendo más pronunciada entre los puntos de medición M1 y M2; es decir, como consecuencia del proceso de sedimentación. De igual forma, la evolución continúa con tendencia decreciente entre los puntos de medición 2 y 3 alcanzando al final del proceso valores promedio de 32.87 ± 28.29 mg /l, que corresponden a valores bastante bajos, lo que implica una alta eficiencia de remoción para este parámetro.

Con relación a la evaluación de la remoción de SS en el diseño factorial 23, la tabla 2 presenta los valores obtenidos para cada variable estudiada y su efecto sobre la remoción en sólidos suspendidos, teniendo en cuenta que el valor bajo para TRH  en el sedimentador, correspondió a 24 horas y el TRH alto a 36 horas. Como puede verse, después de analizar en conjunto el sistema de tratamiento, se consigue un porcentaje de remoción promedio superior al 99%.

El modelo que describe el proceso de remoción para sólidos suspendidos en función de las tres variables evaluadas y las correspondientes interacciones se expresa de acuerdo con la siguiente ecuación de orden lineal:

R (%) = (98.37)-(0.37*D)+(1.47*F)+(0.0229*T)+(0.31*D*F)+(0.006*D*T)(0.052*F*T)
Donde:
R = Remoción
D = Desnatador
F = Filtro ]]> T = Tiempo de sedimentación

En el ANOVA de los términos que componen la función que permite modelar la remoción de SS, es importante destacar que a pesar de que ninguno de los componentes de la función resulta ser estadísticamente significativo en segmentos separados, el modelo ajustado explica el 65,93% de la variabilidad en la variable respuesta. Además, en la ruta ascendente desde el centro de la región experimental, la respuesta estimada varia rápidamente con una variación mínima en los factores experimentales, indicado localizaciones buenas para ejecutar experimentos adicionales si se busca aumentar la remoción. 

Finalmente, en la Figura 3 se presenta la superficie de respuesta resultante en la expresión de la variable respuesta (Porcentaje de remoción de SS) en función de las tres variables evaluadas; como puede observarse, los máximos valores de retención de SS que pueden llegar a ser del 99,7%, se presentan cuando se utilizó el desnatador -1 (Desnatador de geometría cuadrada con menor área), el filtro -1 (FFA) y un TRH de 30 h en el sedimentador.

DISCUSIÓN

El análisis de los resultados referidos a las concentraciones de los parámetros indicadores de la calidad del agua evaluados, permite resaltar que tanto las concentraciones iniciales de DBO₅  (7264 ± 1422 mg O2/l) como de Sólidos Suspendidos (3641±1039 mg/l) son muy altas; por ejemplo, si se comparan con aguas residuales domésticas que están del orden de DBO₅ = 200 mg O2/L y SS = 250 mg/L, por lo tanto, las aguas residuales del beneficio del café son de alto impacto en el ambiente, especialmente en una región como el departamento del Huila, en donde más de 85 000 familias productoras del grano son potenciales contaminantes con este tipo de aguas residuales a las fuentes hídricas. Las magnitudes iniciales de los parámetros evaluados coinciden con Álvarez et al. (2011) quienes reportaron valores iniciales de DBO₅ entre 6050 y 7720  mg O2/L y de sólidos suspendidos entre 2760 y 3030 mg/L.

El sistema evaluado presentó altas eficiencias de remoción para sólidos suspendidos (superiores al 98%), pero muy bajas para la remoción de DBO₅ (en promedio cercanas al 20%). Las eficiencias de remoción para DBO₅ reportadas para otros sistemas propuestos como el caso del reactor metanogénico tipo UAF superan el 80 % (Orozco, 2003) y los Sistemas Modulares de Tratamiento Anaerobio que alcanzaron el 83% (CENICAFE, 2011); los bajos niveles de remoción para DBO₅ obtenidos en este estudio pueden ser asimilados a las eficiencias que pueden estar obteniendo los sistemas de tratamiento de aguas residuales que tienen instalados los productores de café del sur del departamento del Huila, y pueden ser consecuencia de que este tipo de sistemas no se inoculan ni cuentan con periodo de arranque; pues en la práctica los productores no operan el sistema durante casi cuatro meses, entre las dos épocas de cosecha al año, y al inicio de cada cosecha lo utilizan con las aguas residuales del beneficio de los primeros granos cosechados. En este caso, el sistema de filtración funciona solamente como lecho filtrante.

Teniendo en cuenta que en el sedimentador el TRH es alto (se permitieron operaciones de hasta 36 horas), y que por las características de operación se asimila a un reactor tipo batch anaerobio, el principio de separación predominante sería de tipo físico (sedimentación de partículas), removiendo principalmente SS con alta eficiencia; además, la carga orgánica volumétrica (COV) estaría del orden de 7.74 kg/m3-d, que pueden ser considerados valores altos para el tipo de sistema que se está utilizando en el tratamiento de las aguas residuales producto del beneficio de café. Asimismo, el filtro estaría funcionando más como un complemento a la remoción de SS del sedimentador que como un digestor, por esto la remoción de todo el sistema es alto en SS y muy bajo en DBO, lo que demanda el rediseño de este componente.

CONCLUSIONES

Los resultados obtenidos al simular en laboratorio el proceso de tratamiento de aguas residuales del beneficio del café, en las mismas condiciones de diseño y operación que comúnmente realizan los pequeños productores del sur del departamento del Huila, dejan claro que este tipo de sistemas compuestos por desnatador (sedimentador) y filtro (Lecho filtrante) presentan adecuados eficiencias de remoción de sólidos suspendidos, pero muy bajas eficiencias de remoción de DBO₅, situación que plantea la necesidad de proponer nuevos sistemas de tratamiento o rediseñar los actuales sistemas, proponiendo de paso nuevas condiciones de operación.

Como propuesta para completar la remoción de DBO₅ en los actuales sistemas construidos en las fincas productoras de café, sin necesidad de que los productores incurran en costos elevados, se podría implementar un componente adicional que reciba y trate las aguas que salen del filtro. Dicho sistema podría ser un tratamiento biológico con alguna especie de macrófitas plantadas sobre un pequeño humedal. Es recomendable que previamente se rediseñe el lecho filtrante, aumentando el TRH para mejorar la remoción de DBO₅, y así evitar sobrecarga orgánica en el humedal.

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