UNIVERSIDAD DR. JOSÉ MATÍAS DELGADO FACULTAD DE … · 2019. 7. 8. · universidad dr. josÉ...

UNIVERSIDAD DR. JOSÉ MATÍAS DELGADO

FACULTAD DE INGENIERÍA

INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA Y COMUNICACIONES

“PROPUESTA DE DISEÑO DE UN SISTEMA AUTOMATIZADO PARA LA OPTIMIZACIÓN, TRATAMIENTO Y REUTILIZACIÓN DEL AGUA EN

BENEFICIOS DE CAFÉ DE LA ZONA OCCIDENTAL DE EL SALVADOR”

Tesina presentada para optar al título de

INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y COMUNICACIONES

Por:

RENÉ MAURICIO, HÉRCULES MÉNDEZ

Asesor:

ING. CARLOS STANLEY LUNA RODRÍGUEZ

ANTIGUO CUSCATLÁN, LA LIBERTAD, 14 DE ENERO 2018

AUTORIDADES

RECTOR

Dr. José Enrique Sorto Campbell

VICERRECTOR

Dr. José Enrique Sorto Campbell VICERRECTOR ACADÉMICO

Ing. Silvia Regina Barrios de Ferreiro

DECANA DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA

JURADO CALIFICADOR

Ing. Claudia Guadalupe Sandoval Vásquez

COORDINADOR DEL COMITÉ EVALUADOR

Ing. Roberto Gerardo Solórzano Landaverde

EVALUADOR 1

Ing. Oscar René Alvarado Amaya

EVALUADOR 2

Ing. Carlos Stanley Luna Rodríguez

ASESOR

ANTIGUO CUSCATLÁN, LA LIBERTAD, 14 ENERO 2018

i

ÍNDICE INTRODUCCIÓN ........................................................................................................... 1

OBJETIVOS .................................................................................................................. 2

Objetivo General...................................................................................................................... 2

Objetivos específicos .............................................................................................................. 2

CAPITULO I: GENERALIDADES .................................................................................... 2

1.1 Identificación del problema .............................................................................................. 2

1.1.2 Diagrama causa efecto.............................................................................................. 3

1.2 Delimitación ....................................................................................................................... 3

1.2.1 Delimitación geográfica ............................................................................................. 3

1.2.2 Delimitación temporal ................................................................................................ 4

1.3 Alcance .............................................................................................................................. 4

1.4 Justificación ....................................................................................................................... 5

1.5 Hipótesis ............................................................................................................................ 6

CAPITULO II: ANTECEDENTES .................................................................................... 6

2.1 Generalidades cooperativa Hacienda San Raymundo.................................................. 6

2.1.1 Historia de Cooperativa Hacienda San Raymundo ................................................ 6

2.1.2 Generalidades beneficiado de café en Hacienda San Raymundo. ....................... 9

2.1.2.1 Proceso Húmedo .................................................................................................... 9

2.1.2.2 Equipo e instalaciones: .......................................................................................... 9

2.1.2.3 Torrefacción .......................................................................................................... 10

2.1.2.4 Ubicación del lugar del proyecto. ........................................................................ 10

2.2 Generalidades proceso beneficiado de café. ............................................................... 11

2.2.1 Beneficiado Húmedo. .............................................................................................. 12

2.2.2 Beneficiado Seco ..................................................................................................... 16

2.2.3 Contaminantes en las Aguas de Lavado del Café y la Pulpa. ............................. 17

2.2.4 Contaminantes en las Aguas de Despulpe. .......................................................... 19

2.2.5 Contaminantes en las Aguas Mieles. ..................................................................... 19

2.2.6 Consecuencias del vertido de pulpa de café a los cuerpos receptores. ............. 21

2.3. Generalidades de sistema de tratamiento de agua residual sistema. ...................... 23

2.3.1 Concepto de agua residual ..................................................................................... 23

ii

2.3.2 Tipos de procesos/tratamientos de agua residual ................................................ 24

2.3.3 Pre-tratamiento......................................................................................................... 25

2.3.4 Tratamiento primario ................................................................................................ 26

2.3.5 Tratamiento secundario biológico ........................................................................... 26

2.3.6 Tratamiento terciario ................................................................................................ 28

2.4 Ventajas de las plantas de tratamiento de aguas residuales...................................... 30

2.5 Disposición lodos como abono ...................................................................................... 30

CAPITULO III: Cálculos para el diseño de estructura PTAR ........................................... 32

3.1 Pretratamiento ................................................................................................................. 32

3.2 Desarenado ..................................................................................................................... 32

3.2.1 Velocidad de flujo ..................................................................................................... 35

3.3 Cribado ............................................................................................................................ 40

3.4 Tanque IMHOFF ............................................................................................................. 46

3.5 Cálculos para el diseño tanque imhoff .......................................................................... 47

3.6 Tanque UASB ................................................................................................................. 52

3.7 Tanque de almacenamiento .......................................................................................... 59

3.8 Lechos de secado de lodos ........................................................................................... 60

3.9 Sistema de Bombas ........................................................................................................ 62

3.10 Cuarto de Control.......................................................................................................... 64

3.11 Almacén de Químicos .................................................................................................. 66

3.12 Laboratorio de pruebas ................................................................................................ 67

CAPÍTULO IV: DISEÑO DE UN SISTEMA AUTOMATIZADO ........................................ 68

4.1 Descripción del proceso automatizado. ........................................................................ 68

4.2 Equipo mecánico para realizar el proceso.................................................................... 70

4.3 Resumen datos importantes del diseño........................................................................ 71

4.3.1 Resumen medidas tanques para planta de agua residual ................................... 71

4.4 Componentes del sistema automatizado ...................................................................... 72

4.4.1 Sensores ................................................................................................................... 72

4.4.2 Válvulas .................................................................................................................... 73

4.4.3 Aireadores ................................................................................................................ 74

4.4.4 PLC ........................................................................................................................... 75

4.5 Diagramas ....................................................................................................................... 75

iii

4.5.1 Diagrama de flujo ..................................................................................................... 75

4.5.2 Diagrama On Off ...................................................................................................... 76

4.5.3 Programación escalera............................................................................................ 77

4.5.4 Diagrama Grafcet. .................................................................................................... 84

4.5.5 Diagrama de control ................................................................................................ 85

4.5.6 Tabla de cargas del sistema ................................................................................... 86

4.5.7 Corrección del Factor de potencia. ................................................................ 87

4.5.8 Protección de motores .................................................................................. 89

4.5.9 Sistema de visualización ......................................................................................... 93

4.5.10 Esquema unifilar .................................................................................................... 96

CAPITULO V: Estudio Económico ................................................................................ 97

5.1 Inversión inicial ................................................................................................................ 97

5.1.1 Activos tangibles ...................................................................................................... 98

5.1.2 Activos intangibles ................................................................................................... 98

5.1.3 Capital de trabajo ..................................................................................................... 99

5.1.4 Resumen de inversión inicial .................................................................................. 99

5.2 Financiamiento de la inversión. ....................................................................................100

5.3 Estructura de financiamiento: .......................................................................................101

5.4 Pagos de cuotas y amortización de préstamos: .........................................................102

5.5 Cronograma de inversiones ..........................................................................................103

5.6 Costo de mano de obra .................................................................................................104

5.6.1 Costo de mano de obra directa Anual...................................................................105

5.7 Otros Costos Varios .......................................................................................................105

5.8 Gastos Administrativos anuales ...................................................................................106

5.9 Equipo de Seguridad Industrial.....................................................................................106

CAPITULO VI: Estudio Financiero .............................................................................. 107

6.1 Cálculo de la Tasa mínima aceptable de rendimiento (TMAR) .................................107

6.1.1 TMAR del inversionista...........................................................................................107

6.1.2 TMAR del ente financiero .......................................................................................108

6.1.3 TMAR global mixta ..................................................................................................109

6.1.4 Determinación de valor actual neto (VAN) ...........................................................109

6.2 Determinación de la Tasa Interna de Retorno (TIR) ...................................................110

iv

6.3 Relación beneficio/costo ...............................................................................................111

CAPITULO VII: Análisis de Riesgos ............................................................................ 112

7.1 Factores de riesgo asociados a las condiciones de trabajo.......................................112

7.2 Riesgos biológicos .........................................................................................................113

7.2.1 Medidas de manejo para el control de agentes biológicos .................................113

7.2.3 Medidas, capacitación y concientización de trabajadores ..................................114

7.3 Contaminantes químicos ...............................................................................................115

7.4 Jerarquización de riesgos .............................................................................................115

7.5 Descripción del método Mosler ....................................................................................116

7.5.1 Fase 1. Definición del riesgo ..................................................................................116

7.5.2 Fase 2. Análisis del riesgo .....................................................................................116

7.5.3 Fase 3. Evaluación del riesgo ................................................................................120

7.5.4 Fase 4. Cálculo y clasificación del riesgo .............................................................121

7.6 Riesgos definidos ...........................................................................................................121

7.7 Riesgos químicos ...........................................................................................................122

7.8 Riesgo Eléctrico .............................................................................................................123

7.9 Riesgo de Incendio ........................................................................................................123

7.10 Riesgo Biológico ..........................................................................................................124

7.11 Riesgo Mecánico .........................................................................................................125

7.12 Riesgo de Explosión ....................................................................................................126

7.13 Riesgo Acuático ...........................................................................................................126

7.14 Riesgo de Caídas ........................................................................................................127

7.15 Evaluación y Clasificación de los Riesgos. ...............................................................128

7.16 Riesgo de mercado......................................................................................................129

7.17 Riesgo financiero .........................................................................................................130

CAPITULO VIII: ANALISIS IMPACTO AMBIENTAL..................................................... 131

8.1 Descripción del proyecto ...............................................................................................131

8.2 Ubicación del proyecto. .................................................................................................131

8.3 Identificación y cuantificación de los impactos ambientales. .....................................132

8.3.1 Metodología de identificación de impactos ambientales. ....................................132

8.4 Factores ambientales ....................................................................................................133

CAPITULO IX: ANÁLISIS SOCIO – ECONÓMICO ...................................................... 135

v

9.1 Análisis socio – económico ...........................................................................................135

9.1.1 Cuantificación de beneficios durante la vida útil del proyecto ............................135

9.2 Rentabilidad social del proyecto ...................................................................................135

9.3 Empleos ..........................................................................................................................136

CONCLUSIONES ...................................................................................................... 137

RECOMENDACIONES .............................................................................................. 139

BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................... 141

GLOSARIO................................................................................................................ 143

ANEXOS ................................................................................................................... 148

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Diagrama causas y efecto estrés hídrico en El Salvador. ....................................... 3

Figura 2. Laguna de agua residual disposición final hacienda San Raymundo. ................... 7

Figura 3. Agroturismo Hacienda San Raymundo. .................................................................... 8

Figura 4.Torrefacción de café hacienda San Raymundo. ....................................................... 8

Figura 5. Ubicación de la planta de tratamiento de aguas residuales procedentes del

beneficiado de café en la Hacienda San Raymundo. ............................................................ 11

Figura 6. Esquema planta de tratamiento de agua residual. ................................................ 24

Figura 7. Ejemplo planta de tratamiento de agua residual. ................................................... 25

Figura 8. Esquema tratamiento secundario planta de tratamiento de agua residual. ......... 27

Figura 9. Esquema de sedimentación en planta de tratamiento de agua residual. ............ 28

Figura 10. Tratamiento de agua residual y subproductos de café........................................ 29

Figura 11. Abono orgánico a base de composta de café. ..................................................... 31

Figura 12. Descripción visual del desarenador de rectangular de flujo horizontal. ............. 40

Figura 13. Formula tamizado. .................................................................................................. 41

Figura 14. Formula tamizado. .................................................................................................. 42

Figura 15. Parámetros perdidas en rejas. ............................................................................... 43

Figura 16. Ejemplo de rejillas de tamizado. ............................................................................ 44

Figura 17. Ejemplo de rejillas y desarenador. ........................................................................ 46

Figura 18 Ejemplo de tipos de tanque imhoff. ....................................................................... 47

Figura 19. Partes de tanque imhoff. ........................................................................................ 49

Figura 20. Vista de planta tanque imhoff ................................................................................ 51

Figura 21. Medidas de tanque imhoff ...................................................................................... 52

Figura 22. Ejemplo de Rafa. ................................................................................................... 58

Figura 23. Diagrama lecho de secado .................................................................................... 61

Figura 24. Identificación de variables NPHS .......................................................................... 62

Figura 25. Visualización de cuarto de control. ........................................................................ 64

vi

Figura 26. Tablero para almacenamiento de PLC. ................................................................ 65

Figura 27. Visualización de Almacén de químicos................................................................. 66

Figura 28. Visualización de Laboratorio de pruebas químicas para aguas residuales. ...... 67

Figura 29. Pirámide proceso de Automatización.................................................................... 68

Figura 30.Ejemplo de sistema automatizado.......................................................................... 69

Figura 31. Partes y proceso de PTAR..................................................................................... 70

Figura 32. Diagrama de propuesta tratamiento de agua residual beneficio de café. ........ 75

Figura 33. Diagrama on off de propuesta tratamiento de agua residual beneficio de café 76

Figura 34. Programación escalera de propuesta tratamiento de agua residual beneficio de

café. ............................................................................................................................................ 77

Figura 35. Diagrama Grafcet propuesta tratamiento de agua residual beneficio de café. . 84

Figura 36. Diagrama control propuesta tratamiento de agua residual beneficio de café. .. 85

Figura 37. Diagrama control salidas propuesta tratamiento de agua residual beneficio de

café. ............................................................................................................................................ 85

Figura 38. Diagrama de potencia. ........................................................................................... 88

Figura 39. Ejemplo de conexión de capacitor para mejorar el factor de potencia .............. 89

Figura 40. Ejemplo de visualización en Labview 2017 .......................................................... 94

Figura 41. Esquema unifilar del proceso automatizado........................................................ 96

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1: Criterios para diseñar desarenador en planta tratamiento de agua residual. ...... 34

Tabla 2: Datos para velocidad de flujo .................................................................................... 35

Tabla 3: cálculo de la velocidad de sedimentación ................................................................ 36

Tabla 4: velocidad de sedimentación ...................................................................................... 37

Tabla 5: flujo turbulento ............................................................................................................ 37

Tabla 6: Interpolación y valor de K .......................................................................................... 38

Tabla 7: Coeficiente de seguridad ........................................................................................... 39

Tabla 8: Formulas para el cálculo de cribado. ........................................................................ 43

Tabla 9: Tabla resumen de cálculos........................................................................................ 45

Tabla 10: Temperatura y factor de capacidad relativa en un tanque imhoff ........................ 48

Tabla 11: Temperatura de funcionamiento y tiempo de digestión en días. ......................... 50

Tabla 12: Tabla resumen de cálculos. .................................................................................... 51

Tabla 13: Ventajas y desventajas Reactor ............................................................................. 53

Tabla 14: Resumen de variables para cálculos...................................................................... 53

Tabla 15: Calculo carga media de DQO en el afluente (Lo). ............................................... 54

Tabla 16: Verificación de las cargas aplicadas ...................................................................... 54

Tabla 17: Eficiencias del Reactor ............................................................................................ 55

Tabla 18: Producción de metano en tanque UASB ............................................................... 55

vii

Tabla 19: Dimensionamiento de las aberturas para el paso desde el digestor a la zona de

sedimentación ........................................................................................................................... 56

Tabla 20: Verificación de la tasa superficial de los decantadores ........................................ 57

Tabla 21: Resumen de cálculos estructurales y químicos para el tanque UASB. .............. 58

Tabla 22: Cálculos dimensiones tanque de almacenamiento. .............................................. 59

Tabla 23: Variables Entrada para un sistema hidráulico ....................................................... 63

Tabla 24: Presión para cálculos TDH Y NPHS ...................................................................... 63

Tabla 25: Cálculo head dinámico y presión succión. ............................................................. 64

Tabla 26: Equipo para automatizar proceso tratamiento....................................................... 70

Tabla 27: Resumen de datos del proceso .............................................................................. 71

Tabla 28: Resumen cálculos tanques. .................................................................................... 71

Tabla 29: Resumen de cálculos para potencia reactiva compensadora.............................. 88

Tabla 30: Resumen de fusibles, corriente, y protecciones de motores monofásicos. ........ 92

Tabla 31: Costo adecuación del terreno ................................................................................. 97

Tabla 32: Resumen inversión en activos tangibles ................................................................ 98

Tabla 33: Resumen inversión activos intangibles .................................................................. 98

Tabla 34: Monto capital de trabajo. ......................................................................................... 99

Tabla 35: Resumen de inversión inicial .................................................................................. 99

Tabla 36: Tabla Resumen Tasas de interés ..........................................................................100

Tabla 37: Tabla de financiamiento préstamo Davivienda.....................................................101

Tabla 38: Resumen estructura de financiamiento .................................................................101

Tabla 39: Resumen de pago de cuotas y amortización del préstamo a diez años ............102

Tabla 40: Cronograma de inversiones ...................................................................................103

Tabla 41 Costo mano de obra.................................................................................................104

Tabla 42 Calculo de Costos mano de obra a 10 años. .........................................................105

Tabla 43 Estimación de costos ...............................................................................................105

Tabla 44: Gastos administrativos anuales .............................................................................106

Tabla 45: Resumen Equipo seguridad epp............................................................................106

Tabla 46: Calculo tasa para TMAR ........................................................................................108

Tabla 47: TMAR ente financiero .............................................................................................108

Tabla 48: Cálculo TMAR .........................................................................................................109

Tabla 49: Calculo del Valor Actual Neto ................................................................................109

Tabla 50: Cálculo del TIR ........................................................................................................110

Tabla 51: Calculo Relación Beneficio/Costo..........................................................................111

Tabla 52: Resumen Cálculos ..................................................................................................111

Tabla 53: Calculo del TRI ........................................................................................................111

Tabla 54 Criterio de función del método Mosler....................................................................117

Tabla 55: Criterio de Sustitución método Mosler. .................................................................117

Tabla 56: Criterio de Extensión de método Mosler. .............................................................118

Tabla 57: Criterio de vulnerabilidad ........................................................................................118

Tabla 58: Criterio de profundidad según método Mosler. ....................................................119

Tabla 59: Criterio de agresión .................................................................................................119

viii

Tabla 60 Clasificación del riesgo de acuerdo a los cálculos obtenidos. .............................121

Tabla 61: Riesgos Químicos ...................................................................................................122

Tabla 62 Riesgos Eléctricos según la clasificación obtenida. ..............................................123

Tabla 63: Riesgos de incendios ..............................................................................................123

Tabla 64: Riesgos biológicos ..................................................................................................124

Tabla 65: Riesgos mecánicos según Mosler y cálculos obtenidos......................................125

Tabla 66 Riesgos de explosión según cálculos obtenidos. ..................................................126

Tabla 67: Riesgo Acuático ......................................................................................................126

Tabla 68 : Riesgos de caídas según datos obtenidos mediante método Mosler. ..............127

Tabla 69 : Evaluación y Clasificación de los Riesgos. .....................................................128

Tabla 70: Jerarquización de los eventos y el área donde se ve involucrado. ....................129

Tabla 71: Factores Ambientales .............................................................................................133

Tabla 72: Rentabilidad social del proyecto. ...........................................................................135

Tabla 73: Resumen impacto Socioeconómico. .....................................................................136

CONTENIDO ANEXO

Anexo 1 Porcentaje de Nitrógeno en subproductos de Café. ..............................................148

Anexo 2: Estadísticas Cafetaleras Producción......................................................................149

Anexo 3: Estadísticas cantidad de agua y suelo en El Salvador. ........................................150

Anexo 4: Reglamento para disposición de agua residual autoridades aplicación de

medidas y auditorias. ...............................................................................................................151

Anexo 5 Escalas de PH ...........................................................................................................152

Anexo 6 Normativa para el almacenamiento de productos químicos. ................................152

Anexo 7 Pliego tarifario............................................................................................................153

Anexo 8: Química de abono orgánico a base de desechos orgánicos y consumo............153

Anexo 9 Datos para actuadores en PLC s7-300 ...................................................................154

Anexo 10: Créditos para tasas de interés en bancos que operan en El Salvador. ............155

Anexo 11 Inflación en El Salvador ..........................................................................................155

Anexo 12 Actividades de limpieza ..........................................................................................156

Anexo 13 Ficha Técnica sensor pH ........................................................................................157

ix

RESUMEN

En la presente tesina se realiza una descripción de los distintos métodos

para el tratamiento de agua residual, así como se una propuesta de sistema

automatizado para tratar el agua residual procedente del beneficiado húmedo de

café y dar una disposición final como agua de riego y abono orgánico, se realiza

un análisis económico, financiero y de riesgos que conlleva el proyecto, así como

los beneficios que puede aportar al medio ambiente y la sociedad próxima a este.

INTRODUCCIÓN

El presente Trabajo de Investigación “Propuesta de diseño de un sistema

automatizado para la optimización, tratamiento y reutilización de agua en Beneficios de

Café de la zona occidental de El Salvador”, propone un de sistemas de tratamiento para

las aguas residuales producidas por el proceso de beneficiado de café y a su vez el

posterior aprovechamiento de las aguas tratadas y de pulpa del café en el beneficio de

café propiedad de la Cooperativa Hacienda San Raymundo. Se detalla el problema

actual de los beneficios húmedos de café, a su vez se hace una breve reseña de

antecedentes acerca del tema de contaminación por aguas residuales del despulpe y

lavado del café, y la contaminación generada por el vertido de la pulpa a los cuerpos

receptores. Se plantean los objetivos que se persiguen, los alcances y las limitaciones

que tendremos en el desarrollo del tema, el diseño del sistema como tal y los criterios

tomados en cuenta para la elaboración del mismo, así como las características del

beneficio de café el cual sirve como base para nuestra propuesta, conclusiones y

recomendaciones.

2

OBJETIVOS

Objetivo General

Realizar un documento que proponga la implementación de un sistema

automatizado para la optimización tratamiento y reutilización del agua en el beneficio de

café perteneciente a la Cooperativa Hacienda San Raymundo ubicada en el

departamento de Ahuachapán, zona occidental de El Salvador.

Objetivos específicos

Elaborar una propuesta de diseño de un sistema de reutilización del agua

tratada y la pulpa, de acuerdo a las necesidades del beneficio de café.

Evaluar los costos económicos financieros y ambientales de la

introducción de agua tratada del beneficiado de café en los distintos procesos

productivos de la Hacienda San Raymundo.

Investigar los tipos de tratamiento de agua residual.

CAPITULO I: GENERALIDADES

1.1 Identificación del problema

La contaminación que existe en ríos, lagos y cuerpos de agua en El Salvador es

un problema que afecta la sustentabilidad de agua a la población, las principales

causas de la contaminación de los diferentes cuerpos de agua es la cantidad de

nutrientes y materia orgánica que son vertidos en ellos como resultado de las diferentes

actividades realizadas por el ser humano. El exceso de nutrientes en el agua,

3

principalmente nitrógeno y fósforo1, los cuales están presentes en las aguas residuales

provenientes del beneficiado de café, por ende estas aguas residuales al no ser

tratadas de una manera adecuada generan un deterioro del recurso hídrico y en general

de los ecosistemas acuáticos, de tal manera que se ve necesario la inversión, creación

e implementación de un sistema de tratamiento de agua residual generada por el

beneficiado de café, la cual cumpla con estándares internacionales.

1.1.2 Diagrama causa efecto

Figura 1. Diagrama causas y efecto estrés hídrico en El Salvador.

Fuente: Elaboración propia.

1.2 Delimitación

1.2.1 Delimitación geográfica

El estudio se efectuará en el beneficio de café Cooperativa Hacienda San

Raymundo ubicada en la zona occidental de El Salvador.

1 Ver anexo 1 características del Agua residual

4

1.2.2 Delimitación temporal

Los datos históricos y estadísticos que se consultarán, se encuentran

comprendidos desde el año 2002 hasta el 2017, ya que en este intervalo de tiempo se

cuenta con un mayor acceso de la información y es lo más actualizado referente a

datos en volumen de agua, leyes y estudios ejecutados por los distintos Ministerios en

El Salvador.

1.3 Alcance

En el Salvador existen aproximadamente 165 beneficios de café, de los cuales se

hará énfasis en la zona occidental de el salvador que comprende a más del 50% de

zona cultivada de café a nivel nacional según datos de la asociación de cafetaleros de

el salvador2, en específico se estudiará el agua residual generada por la ACPA

Hacienda San Raymundo. Se presentará una propuesta de sistema automatizado de

reutilización de aguas en el beneficio de café perteneciente a la asociación cooperativa

San Raymundo en el cual se incluirá el diseño de estructuras, diagramas de conexiones

eléctricas, y sistema automatizado para dichas aguas residuales las cuales son

generadas a partir del proceso de despulpe y lavado.

La propuesta del sistema automatizado de tratamiento y reutilización de agua

residual podrá ser manejada como plan piloto para la implementación y ejecución de

dicha propuesta en otros beneficios de café a nivel nacional.

2 Ver anexo delimitación geográfica productores de café según consejo salvadoreño del café.

5

Esta propuesta se enfocara en la obtención de agua tratada para ser reutilizada

en riego de áreas verdes y otros cultivos, a su vez se obtendrá abono orgánico en base

lodos procedentes del tratamiento de agua residual de café, se incluirá el sistema de

tratamiento de aguas mieles para mejorar el suelo, se excluirá el proceso

comercialización ni costos de envió, embalaje y otros costos derivados de la

comercialización así como tampoco se incluirá un estudio de mercado de este material

orgánico.

1.4 Justificación

Según datos obtenidos por parte del MARN existe una demanda de 12,387

millones de m³ de agua al año. Tomando en cuenta una población de 6.2 millones de

personas y una dotación de 250 L/personas/día, se requieren para agua de boca unos

557 m3/año, lo que representa un 4,5% de la oferta hídrica total3.

El consumo de los recursos hídricos nacionales según actividad, se distribuyen

en: 4,5% del total utilizado para consumo doméstico, el 92,8% para agricultura, el 2,7%

para usos industriales por ende sería de gran beneficio y una oportunidad de generar

ingresos o reducir costos a partir de la reutilización de dicha agua.

Según datos recogidos de las asociaciones salvadoreñas en pro del café las

aguas residuales provenientes del beneficiado de café generaron más de 50 millones

de metros cúbicos de desechos de pulpa y cascarilla, y 100 millones de metros cúbicos

de aguas provenientes del despulpe y el lavado, de acuerdo a los datos consultados la

mayor parte de beneficios de café no realizan un tratado de aguas residuales sino más

3 Ver anexo estudio de suelos y agua el salvador por parte del MARN

6

bien usan métodos poco eficientes y arcaicos para deshacerse de dichas aguas como

por ejemplo como lagunas de secado de aguas residuales, lagunas de estabilización u

oxidación, tratamiento con cal entre otros.

De ahí surge la necesidad de realizar una propuesta con la cual se pueda obtener

beneficios del tratado de aguas residuales y a su vez cumplir con el Decreto N°394 el

cual tiene por nombre Reglamento Especial para Aguas Residuales en el cual se define

los tipos de tratamiento para agua residual así como las diversas clase agua de reuso.

1.5 Hipótesis

Es posible diseñar un sistema viable económico, social y ambientalmente

sustentable para el reuso de agua tratada en distintos procesos productivos en la

asociación Cooperativa Hacienda San Raymundo.

CAPITULO II: ANTECEDENTES

2.1 Generalidades cooperativa Hacienda San Raymundo.

2.1.1 Historia de Cooperativa Hacienda San Raymundo

Asociación cooperativa de producción agropecuaria San Raymundo, de

responsabilidad limitada (ACPA. SAN RAYMUNDO DE R.L.) Fue fundada el 10 de junio

de 1980, con la intervención del señor Mario Turcios González, delegado del Instituto

Salvadoreño de Transformación Agraria (ISTA) y del señor José Héctor Avilés,

4 Ver Reglamento Especial Aguas Residuales

7

delegado del Ministerio de Agricultura y Ganadería (MAG). Como resultado de la

Reforma Agraria, de conformidad con el artículo número 3 del Decreto número 221 de

la Junta Revolucionaria de Gobierno.

Esta cooperativa se inició con un total de 90 asociados contando con una

extensión de 440.3 hectáreas aproximadamente 303.15 manzanas de tierra a una

altitud promedio de 650 MSNM. Las actividades económicas que desarrolla la

Cooperativa en la actualidad son: cultivo de caña de azúcar, producción de insumos

orgánicos (bocashi y foliares), cultivo de café orgánico, industrialización y torrefacción

del café orgánico, crianza de tilapia en estanques; y desde luego la comercialización.

Figura 2. Laguna de agua residual disposición final hacienda San Raymundo.

Fuente: Hacienda San Raymundo.

8

Figura 3. Agroturismo Hacienda San Raymundo.


Figura 4.Torrefacción de café hacienda San Raymundo.


9

2.1.2 Generalidades beneficiado de café en Hacienda San

Raymundo.

2.1.2.1 Proceso Húmedo

El proceso húmedo se inició en el año 2011 y comprende las actividades

siguientes:

Recepción en la pila de café uva.

Proceso de despulpe (quitar la cáscara)

Pre-lavado

Patios de secado o a las secadoras mecánicas

Almacenaje.

2.1.2.2 Equipo e instalaciones:

En la Cooperativa Hacienda San Raymundo funciona un módulo de beneficio

ecológico de café, el cual es bajo en consumo de energía eléctrica y agua (un metro

cúbico por molida) y cuyos componentes son los siguientes:

Bomba de succión

Sifón de separación

Tolva

Pulpero principal

Tolva y pulpero de repaso

Criba

Lavadora (desmucilaginadora)

10

Motores de 5 hp. Con capacidad de despulpe de 1,300 kilos por hora.

Dos secadoras mecánicas

Dos cilindros de secado con una capacidad de 1,800 kilos de café

oro/pergamino

Hornos.

Patios de secado.

2.1.2.3 Torrefacción

El proceso de torrefacción se inició en el año 2015, anterior a este año el café se

vendía en pergamino, a partir de ese año se comenzó a vender café tostado, molido y

empacado. Se tiene una marca registrada “Café San Raymundo” de la cual existe a la

venta 3 tipos de presentaciones de café tostado, molido y empacado en 400 gramos,

200 gramos y 20 gramos.

2.1.2.4 Ubicación del lugar del proyecto.

El terreno donde se propone la instalación de la planta de tratamiento, se ubica al

norte del casco urbano del municipio de Ahuachapán, cantón Ashapuco. El cual posee

una superficie que permite la fácil instalación de equipo y construcción de la

infraestructura necesaria para la planta de tratamiento de agua residual, encontrándose

cerca el lugar en el que se realizara la descarga del agua residual procedente del

proceso. El área con que cuenta el terreno a utilizar es de 2,500 m².

11

Figura 5. Ubicación de la planta de tratamiento de aguas residuales procedentes del beneficiado de café en la Hacienda San Raymundo.

Fuente: Google Maps

2.2 Generalidades proceso beneficiado de café.

Se conocen dos métodos para el beneficiado de café: método seco y método

húmedo; siendo el más usado en la actualidad el segundo. Luego que el café cereza es

recibido en los beneficios, este es clasificado para que los frutos de más alta calidad

sean transportados hacia el proceso de Beneficiado por cualquiera de los dos métodos.

Después del proceso, el café oro se vuelve a clasificar para ser almacenado y luego

tostado para la exportación.

12

2.2.1 Beneficiado Húmedo.

El beneficiado húmedo es más costoso y requiere más instalaciones, equipo,

maquinaria y conocimiento que el método seco; pero el producto que se obtiene por

método húmedo es de calidad muy superior. Su principal requerimiento es un

abundante abastecimiento de agua y de preferencia el beneficio se instala en un nivel

tan bajo como sea conveniente a fin de eliminar el costo del bombeo del agua. Por

medio del proceso de beneficiado húmedo se obtiene una calidad excelente del café y

mejor precio de venta.

Los principales usos del agua en el beneficiado del café son:

1. Transporte hacia los pulperos

2. Transporte de la pulpa hacia fuera del beneficio

3. Transporte de los granos hacia las pilas de fermentación

4. Lavado del café fermentado

5. Otras operaciones como separación de los flotes, separación de

6. piedras, clasificación hidráulica de los granos y funcionamiento de

calderas.

Aproximadamente un 30% del agua utilizada en un día se emplea en despulpar el

fruto y en transportarlo. El 70% restante se emplea en el lavado del café fermentado

(agua de lavado), y resulta cargado de las sustancias provenientes de la degradación,

13

principalmente el mucílago. El uso del agua implica su recirculación hasta que alcanza

cierta proporción de sólidos cuando se diluye con agua limpia desechando así su

volumen equivalente.

Estas partes de las aguas de desecho se denominan aguas mieles, y presentan

un color pardo rojizo y contiene la mayor parte de las sustancias solubles de la pulpa y

el mucílago.

Las etapas del beneficiado húmedo de café son:

Despulpe

Fermentación o Desmucílaginado

Secado

Trilla

Clasificación

Escogida

a) Despulpe: Luego del recibimiento, el café cereza es almacenado en pilas o

tanques donde permanece toda una noche y comienza a ser procesado en la mañana

del día siguiente. Dicho café, tiene ya de 14 a 20 horas de haber sido cortado del árbol.

Esta operación lleva como propósito, la remoción de las partículas blandas del

grano de café maduro, que son la pulpa y cierta parte del mucílago, para lo cual

requiere el empleo de agua como conductor mecánico de estas partes.

14

Esta operación requiere el empleo de máquinas, llamadas pulperos, existiendo las

llamadas de repaso en donde la remoción de la pulpa es total. La pulpa es el desecho

que potencialmente causa más contaminación, por su alto contenido orgánico, pero con

un buen tratamiento tienen usos como fertilizante, obtención de biogás etc. Cuando la

pulpa se almacena en sitios abiertos, permite el desarrollo de moscas y otros insectos.

La razón más importante para extraer la pulpa de los desechos es para reducir la

posibilidad de serios problemas de contaminación en los cuerpos receptores.

b) Fermentación: el objetivo de esta etapa, es el de remover y convertir el

mucílago, que es la materia insoluble y gelatinosa que recubre el grano de café;

En un producto soluble en agua, que facilita la remoción del grano. El grano cubierto

de mucílago es depositado en pilas de fermentación, las cuales generalmente son

hechas de ladrillo. Este paso es el más delicado y tiene mucha influencia sobre la

apariencia, calidad y precio del producto final.

El tiempo que dura la fermentación en la mayoría de los casos depende de varios

factores ambiéntales, pudiendo ser mayores que 20 horas. La fermentación transforma

el mucílago de un hidrogel a un hidrosol, el cual es fácilmente eliminado mediante

lavado con agua.

En El Salvador, por lo general, lo único que se hace para acelerar la disolución del

mucílago, es transportar el café a las pilas de fermentación mediante aguas de

15

despulpe que han sido recicladas varias veces. Es posible además, emplear aditivos

químicos como ácido sulfúrico, cal, carbonato de sodio, soda cáustica al 2%. Se ha

demostrado que la soda cáustica es el aditivo químico más efectivo, pues desintegra

rápidamente el mucílago. La cantidad de agua requerida para lavar el café fermentado,

lógicamente es igual a la cantidad empleada con café tratado químicamente.

Para el uso de soda cáustica, aproximadamente se requiere 1000 litros de

solución al 1% para tratar 2500 kg de café despulpado, requiriendo un poco más de una

hora para terminar el proceso. Esta operación es conocida como Desmucílaginado.

Lavado: este proceso tiene por objeto lavar con agua limpia el grano del cual se

ha desprendido el mucílago por fermentación o por procesos químicos. Este es el paso

dentro del beneficiado húmedo que emplea más agua sin poder reutilizar, ya que se

requiere que sea limpia. En general esta operación se hace mediante lavadoras

mecánicas, significando un consumo aproximado de unos 10 a 13 litros de agua por

kilogramo de café lavado.

c) Secado: por lo general esta operación se lleva a cabo en patios de secado,

mediante exposición solar. Aproximadamente se requiere un área de 7 a 11 metros

cuadrados de patio para secar 100 kg de café oro y un promedio de 13 días para

alcanzar la humedad media del 13%, sin embargo, estos datos dependen de la cantidad

de aire y sol que reciba el café, así como el espesor de la capa de café en los patios.

16

Este proceso puede acelerarse con el uso de máquinas pre secadoras y

secadoras. Con esta operación el grano de café pierde humedad y afloja la última

Cubierta llamada Pergamino.

d) Trilla: en este paso se desprende el pergamino mediante una máquina similar a

los despulpadores y en las que el grano es friccionado para remover el pergamino. Este

puede utilizarse como combustible en las secadoras. El pergamino es celulosa pura y

no causa problemas sanitarios o ambientales.

e) Clasificación: se realiza con el grano trillado y se basa en forma, tamaño, peso,

color e integridad del grano; separando diferentes cualidades la cual implica diferentes

precios.

2.2.2 Beneficiado Seco

El beneficiado seco se practica en lugares donde el agua es muy escasa o en áreas

subdesarrolladas donde se cultiva el producto en forma extensiva y la calidad no es

muy considerada.

Mediante este procedimiento se obtienen los llamados cafés “naturales”, “fuertes” o

“corrientes”, considerados de inferior calidad que los anteriores. El beneficio seco es el

proceso industrial mediante el cual a partir de café cereza se obtiene el café oro. En

este sistema, se exponen los granos de café cerezas recolectados a la acción del sol

durante varios días hasta que se seca. Luego el café a preparar se deposita en una

17

tolva que alimenta a las zarandas de limpieza previa, para la separación de tierra,

piedras, palos, metales, etc.

El morteado elimina la cascarilla, pajilla o pergamino del café, por fricción o

desgarramiento. La capacidad de morteado define la capacidad del beneficio seco en

qq/hr que se realiza en máquinas diseñadas para este fin.

Después el café es pulido en otras máquinas para quitarle la película plateada.

Inmediatamente después procede la clasificación por tamaño, forma y densidad, a partir

de aire y vibración, así como una clasificación por color, a partir de equipos electrónicos

en la mayoría de los casos, para así enviar a exportación la calidad que cada mercado

exige. El café oro, se envasa en sacos de yute para almacenarse acomodados en

estibas montados en tarimas de madera. Los almacenes mantienen una humedad

relativa del 55 al 60 por ciento a temperaturas de entre 22 y 30 grados centígrados.

2.2.3 Contaminantes en las Aguas de Lavado del Café y la Pulpa.

En El Salvador existe un gran número de beneficios húmedos de café, que originan

gran cantidad de desechos sólidos (pulpa y pergamino) y agua residual (aguas de

despulpe y aguas mieles), cuya disposición adecuada o no, ha sido siempre motivo de

polémica entre los beneficiadores y las instituciones de gobierno como: el Ministerio de

Medio Ambiente y Recursos Naturales (MARN) y el Ministerio de Salud (MINSAL).

18

Estos desechos son causantes de alteraciones en el medio ambiente, y afecta la

salud de las personas que habitan los sitios aledaños en donde son dispuestos ya que

favorecen la proliferación de insectos y malos olores. Pero este problema no es

específico de El Salvador, sino que es característico de los países en donde se utiliza el

beneficiado húmedo para procesar café, con la diferencia en el grado de atención que

se le presta a cada uno de ellos.

Las características de los desechos varían de un beneficio a otro, así como también

dependen del periodo en que se analicen. Los resultados se ven afectos en forma

significativa por la cantidad de agua que se utiliza para el beneficiado total lo cual

sugiere que las alternativas de solución del problema deben adecuarse a las

condiciones de cada beneficio.

Cada beneficio emplea diferentes cantidades de agua para el lavado de una unidad

de peso, pero sin embargo se puede considerar una media de 9 m3 de agua por cada

100 kg de café esto quiere decir que son 90 litros de agua por kg de café o bien 0.09

gramos de café por litro de agua.

La temporada de beneficiado coincide con la estación seca; es decir la época de

caudales mínimos en los ríos, baja capacidad de dilución de los mismos y de mayor

demanda de aguas para riego. Como resultado de todas las etapas de la fase húmeda;

grandes volúmenes de agua contaminada son vertidas a los ríos y quebradas por los

beneficios de café, lo cual provoca altas contaminaciones y degradación del ambiente.

19

2.2.4 Contaminantes en las Aguas de Despulpe.

Es el agua que se utiliza en la primera etapa en el beneficiado y remoción de la pulpa

del café, dejando al grano únicamente con un gel adherido llamado mucílago.

Las aguas del despulpado contienen una gran cantidad de sólidos disueltos como

por ejemplo azúcar y a su vez alto contenido de materia orgánica como lo es la pulpa

de café que se desintegró en el remojo, que contribuyen a una alta contaminación de

los cuerpos receptores de agua por la alta demanda de oxígeno que estas aguas

poseen.

2.2.5 Contaminantes en las Aguas Mieles.

Estas aguas residuales provienen del lavado de café fermentado, esta etapa es

donde se realiza la remoción del mucílago. En algunos beneficios de café, esta agua

residual se desecha después de transportar los granos a los patios, y se utiliza también

en el despulpe como en el transporte de pulpa o transporte de café despulpado. Estos

desechos son más diluidos y débiles en relación a la demanda bioquímica de oxígeno al

compararlas con las aguas de despulpe, pero también tienen bastante material

gelatinoso de la degradación de la pectina y otros productos de la fermentación.

20

Como se analizó anteriormente el agua residual de los beneficios de café contiene

altas cantidades de materia orgánica que al ser vertidas a los cuerpos receptores

implica las siguientes consecuencias:

Aumento de la demanda bioquímica de oxígeno en el agua (DBO): debido

a la diversa y gran población de microorganismos que necesitan oxígeno para

vivir, reproducirse y degradar la materia orgánica.

Disminución del oxígeno disuelto en el agua: debido a que los millones de

microorganismos presentes en el agua consumen grandes cantidades de

oxígeno para degradar la materia orgánica.

Disminución del pH5 en el agua: la acidez del agua de despulpe, altera el

pH de los cuerpos receptores, acidificando el agua de estos, cuyo hábitat se ve

sensiblemente afectado a los cambios de pH.

Alto consumo de agua regularmente proveniente de una fuente o cuerpo

receptor cercano: los beneficios de café, para ahorrar costos, siempre están

ubicados cerca de una fuente perenne de agua, en la época de beneficiado,

estos consumen enormes cantidades de agua provenientes de estos, haciendo

que el caudal disminuya considerablemente.

Acidificación del suelo aledaño a los cuerpos receptores: el agua residual

al ser vertida a los cuerpos receptores o a terrenos, disminuye sus nutrientes

naturales y sus cualidades reproductivas. Las hojas de los árboles y arbustos se

queman, y los tallos presentan grosores inadecuados.

5 Ver escala de pH en anexo 5

21

Afectaciones a la flora y fauna acuática: por falta de oxígeno y el cambio

de pH en el agua, la muerte de los peces es inminente, así como de las plantas

acuáticas.

Erosión potencial debido a cárcavas: el aumento repentino del caudal por

efecto de los vertidos, hace que en los terrenos, ríos o quebradas causen erosión

en estos.

Aumento exagerado de sólidos en suspensión en el agua: debido a la

elevada cantidad de materia orgánica flotante en el agua, esta se va azolvando y

volviendo turbia, restándole belleza paisajística a los cuerpos receptores.

Imposibilidad del uso del agua para consumo humano y animal: por todos

los factores mencionados anteriormente, es imposible el uso del agua, ni para

consumo animal y mucho menos para consumo humano. Por lo que el cuerpo

receptor se convierte en un enorme charco, producto de la contaminación.

2.2.6 Consecuencias del vertido de pulpa de café a los cuerpos

receptores.

El vertido de la pulpa del café a los cuerpos receptores, implica consecuencias más

graves que las aguas mieles, por ser esta completamente materia orgánica, que

necesita una gran demanda bioquímica de oxígeno para ser degradada, y que además

contiene azucares que se fermentan rápidamente.

22

Las consecuencias del vertido de la pulpa son las siguientes:

Elevada demanda biológica de oxígeno y disminución del oxígeno disuelto

en el agua: la pulpa por ser materia orgánica en su totalidad, requiere de

millones de microorganismos que consumen rápidamente el oxígeno disuelto en

el agua.

Acelerada reproducción de microorganismos anaerobios: al carecer el

agua de oxígeno, las bacterias anaerobias se reproducen y descomponen

rápidamente el agua. Y con los nutrientes naturales de la pulpa aceleran la

eutrofización del cuerpo receptor acuático.

Criaderos de moscas: la pulpa al ser vertida en terrenos al aire libre, es el

medio perfecto para la reproducción de moscas, que son atraídas por el

contenido de azúcar.

Malos olores: cuando la pulpa es depositada al aire libre, comienza a

fermentarse por el contenido de azúcar, provocando que las bacterias

anaerobias liberen un olor fétido, que dependiendo de la cantidad del depósito,

puede alcanzar distancias muy extensas.

Acidificación del suelo: si la pulpa se amontona en un predio al aire libre

esta va a escurrir agua que se infiltrara en el suelo, provocando la acidificación y

evitando el crecimiento de plantas en sus alrededores.

23

2.3. Generalidades de sistema de tratamiento de agua residual

sistema.

2.3.1 Concepto de agua residual

Las aguas residuales se pueden definir como aquellas que por uso del hombre,

representan un peligro y deben ser desechadas, porque contienen gran cantidad de

sustancias y/o microorganismos. Dentro de este concepto se incluyen aguas con

diversos orígenes:

Aguas residuales domésticas o aguas negras: proceden de las heces y

orina humanas, del aseo personal y de la cocina y de la limpieza de la casa,

suelen contener gran cantidad de materia orgánica y microorganismos, así como

restos de jabones, detergentes, lejía y grasas.

Aguas blancas: pueden ser de procedencia atmosférica (lluvia, nieve o

hielo) o del riego y limpieza de calles, parques y lugares públicos. En aquellos

lugares en que las precipitaciones atmosféricas son muy abundantes, éstas

pueden de evacuarse por separado para que no saturen los sistemas de

depuración.

Aguas residuales industriales: proceden de los procesamientos realizados

en fábricas y establecimientos industriales y contienen aceites, detergentes,

antibióticos, ácidos y grasas y otros productos y subproductos de origen mineral,

químico, vegetal o animal. Su composición es muy variable, dependiendo de las

diferentes actividades industriales.

24

Aguas residuales agrícolas: procedentes de las labores agrícolas en las

zonas rurales. Estas aguas suelen participar, en cuanto a su origen, de las aguas

urbanas que se utilizan, en numerosos lugares, para riego agrícola con o sin un

tratamiento previo.

2.3.2 Tipos de procesos/tratamientos de agua residual

Tratamiento físico: tamizado, remoción de arena, precipitación con o sin ayuda de

coagulantes separación y filtración de sólidos

Tratamiento biológico: Lechos oxidantes o sistemas ecológicos, la biodigestión

aerobia, anaeróbica y los humedales artificiales utilizan la materia orgánica

biodegradable de las aguas residuales, como nutrientes de una población bacteriana, a

la cual se le proporcionan condiciones artificiales para su crecimiento, de esta manera

se remueve la materia contaminante.

Tratamiento químico: aplicación de productos químicos para la eliminación o

conversión de los contaminantes, precipitación, absorción y desinfección.

Figura 6. Esquema planta de tratamiento de agua residual.

Fuente: http://tratamientodeaguasresiduales.net/etapas-del-tratamiento-de-aguas-residuales/

http://tratamientodeaguasresiduales.net/etapas-del-tratamiento-de-aguas-residuales/

25

2.3.3 Pre-tratamiento

Figura 7. Ejemplo planta de tratamiento de agua residual.

Fuente: de http://tratamientodeaguasresiduales.net/etapas-del-tratamiento-de-aguas-residuales/

Sistemas de enfriamiento, remoción de sólidos flotantes mediante rejillas, remoción

de arenas y grasas.

Remoción de sólidos o cribado: los sólidos que se remueven son de

gran tamaño por medio de rejillas grandes para evitar problemas de tuberías o

que lleguen a dañar algún equipo.

Remoción de arena: esta etapa (también conocida como escaneo o

maceración) típicamente incluye un canal de arena donde la velocidad de las

aguas residuales es cuidadosamente controlada para permitir que la arena y las

piedras de ésta tomen partículas, pero todavía se mantiene la mayoría del

material orgánico con el flujo.


26

2.3.4 Tratamiento primario

Este tratamiento es para reducir principalmente sólidos sedimentables.

Sedimentación: la sedimentación es un proceso físico que aprovecha la

diferencia de densidad y peso entre el líquido y las partículas suspendidas, los

sólidos más pesados que el agua se precipitan produciéndose su separación del

líquido. Estos tanques son comúnmente llamados clarificadores primarios o

tanques de sedimentación primarios. Los tanques son lo suficientemente

grandes, tal que los sólidos fecales pueden depositarse y el material flotante

como la grasa que no ha sido retenida en el pretratamiento sea retenida en este

proceso. El propósito principal de la etapa primaria es producir un líquido

homogéneo capaz de ser tratado biológicamente y unos fangos o lodos que

pueden ser tratados separadamente.

Tanque de homogenización: estos tanques son concebidos para reducir

los picos de caudal, temperatura, pH y contenidos orgánicos para ser

introducidos de manera homogénea en los reactores para su tratamiento.

2.3.5 Tratamiento secundario biológico

El tratamiento secundario está diseñado para degradar sustancialmente el contenido

biológico del agua residual, el cual deriva los desechos orgánicos provenientes de

residuos humanos, residuos de alimentos, jabones, detergentes y en general residuos

orgánicos de procesos industriales.

Fangos activados o lodos activados: el nombre del proceso se deriva de la

formación de una masa de ¨microorganismos activos¨ capaz de estabilizar un desecho

27

orgánico en condiciones aerobias (el ambiente aerobio se logra mediante aireación

difusa o mecánica en un tanque de aireación). En esencia es la agitación y aireación de

una mezcla de agua residual y lodos biológicos, a medida que las bacterias reciben el

oxígeno, consumen la materia orgánica del agua residual y la transforma en sustancias

más simples. Este recibe el nombre de lodo activado. La mezcla de lodos activados y

agua residual recibe el nombre de licor mezclado que se lleva a un tanque de

sedimentación para su purga.

Reactor biológico de cama móvil: el reactor biológico de cama móvil (MBBR, por

sus siglas en inglés) asume la adición de medios inertes en vasijas de fangos activos

existentes para proveer sitios activos para que se reúna la biomasa. Esta conversión da

como resultado un sistema de crecimiento.

Reactores biológicos de membrana: los reactores biológicos de membrana MBR

son un sistema con una barrera de membrana semipermeable o en conjunto con un

proceso de fangos. Esta tecnología garantiza la remoción de todos los contaminantes

suspendidos y sólidos disueltos. La limitación de los sistemas MBR es directamente

proporcional a la eficaz reducción de nutrientes del proceso de fangos activos.

Figura 8. Esquema tratamiento secundario planta de tratamiento de agua residual.

Fuente: https://www.aguasresiduales.info/revista/reportajes/

https://www.aguasresiduales.info/revista/reportajes/proceso-cleargreen-el-tratamiento-biologico-de-efluentes-con-alta-concentracion-de-amonio-de-degremont

28

Sedimentación secundaria: el paso final de la etapa secundaria del tratamiento es

retirar los flóculos biológicos del material de filtro, y producir agua tratada con bajos

niveles de materia orgánica y materia suspendida. En una planta de tratamiento rural,

se realiza en el tanque de sedimentación secundaria.

Figura 9. Esquema de sedimentación en planta de tratamiento de agua residual.


2.3.6 Tratamiento terciario

El tratamiento terciario proporciona una etapa final para aumentar la calidad del

efluente al estándar requerido antes de que éste sea descargado al ambiente receptor

(mar, río, lago, campo, etc.). Se trata de remover nitrógeno o fosforo del efluente tratado

u otros contaminantes difíciles a remover.


29

Filtración: la filtración de arena retiene gran parte de los residuos de

materia suspendida. El carbón activado sobrante de la filtración retiene las

toxinas residuales.

Lagunaje: el tratamiento de lagunas proporciona sedimentación y mejora

biológica adicional por almacenaje en charcos o lagunas artificiales. Se trata de

una imitación de los procesos de autodepuración que un río o un lago somete las

aguas residuales de forma natural. Estas lagunas son altamente aerobias y se da

a menudo la colonización por macrofitos nativos, especialmente cañas.

Desinfección: el propósito de la desinfección en el tratamiento de las

aguas residuales es reducir substancialmente el número de organismos vivos en

el agua que se descargará nuevamente dentro del ambiente. El agua

turbia será tratada con menor éxito puesto que la materia sólida puede blindar

organismos, especialmente de la luz ultravioleta o si los tiempos del contacto son

bajos.

Figura 10. Tratamiento de agua residual y subproductos de café.



30

2.4 Ventajas de las plantas de tratamiento de aguas residuales

No emana olores pestilentes.

Favorece la degradación de materia orgánica.

No prolifera fauna nociva.

Económico en comparación con otros sistemas.

Aumenta la eficiencia de las lagunas de oxidación.

El agua tratada no se vierte a fuentes hídricas.

Los lodos se utilizan como abono orgánico.

2.5 Disposición lodos como abono

Los sistemas de tratamiento generan una cantidad variable de lodos residuales que

son los sólidos contenidos en las aguas residuales y que por diversos procesos deben

separarse de ésta.

La contaminación con la parte sólida de nuestro proceso es sumamente grave ya que

contienen compuestos un alto grado de demanda de oxígeno y demás químicos

producidos del despulpe y demás procesos (esto se puede comparar al desastre

ambiental ocurrido con el derrame de melaza en un rio como ocurrió en el ingenio la

magdalena), se conoce que del café uva solo el 18.5% es café oro, el resto del fruto es

agua (20%), pulpa (41%), cascarilla (4.5%), mucilago (16%).

Por tanto, para garantizar un adecuado manejo del lodo, las sustancias tóxicas, los

microorganismos y el pH deben reducirse a un valor apto para implementarlo en

31

determinado cultivo. Los tratamientos de lodos que combinan la biodegradación y altas

temperaturas, como es el compostaje, pueden alcanzar una calidad adecuada para este

fin.

En la hacienda Cooperativa San Raymundo funciona un agroservicio en el cual se

comercializan distintos tipos de abono, por ende se pretende que para aprovechar la

calidad y el nivel de lodos producidos en la propuesta "planta de tratamiento para el

agua del beneficiado de café" se podría realizar abono con el lodo seco y utilizarlo para

cultivos propios y comercialización.

Figura 11. Abono orgánico a base de composta de café.

Fuente: http://tratamientodeaguasresiduales.net/etapas-del-tratamiento-de-aguas-residuales/


32

CAPITULO III: Cálculos para el diseño de estructura PTAR

3.1 Pretratamiento

El pretratamiento es el proceso que se realiza al agua cruda como antecedente a el

tratamiento primario, secundario y terciario, en este proceso se retiran desechos muy

grandes los cuales no deben llegar a la planta de tratamiento como por ejemplo piedras ,

desechos plásticos, estopas, pedazos de madera, lo cual sirve para proteger el equipo

(bombas y aireadores), y para reducir contaminantes o materiales no permitidos en una

descarga de una planta. Para llevar a cabo el pretratamiento estándar en las plantas de

tratamiento de aguas residuales se usa el cribado, desarenado y desengrasado.

Debido a las características que presenta el agua residual proveniente del

beneficiado de café, se hará uso como pretratamiento del cribado y desarenado.

3.2 Desarenado

El desarenado se hace mediante una estructura diseñada para retener la arena que

traen las aguas residuales, de no aplicarse esta operación, los cárcamos o reactores

biológicos terminarán con varios centímetros o metros de arena depositada en el fondo

de los mismos. Su funcionamiento se basa en la reducción de la velocidad del agua y

de las turbulencias, permitiendo así que el material sólido transportado en suspensión

se deposite en el fondo, de donde es retirado periódicamente.

33

Normalmente se construyen dos estructuras paralelas, para permitir la limpieza de

una de las estructuras mientras la otra está operando.

Existen tres clases de desarenadores:

Flujo horizontal con sección rectangular

Desarenadores aireados

Desarenadores de vórtice

En este trabajo de investigación, nos limitaremos a diseñar desarenadores de flujo

horizontal con sección rectangular, por la sencillez de su diseño y construcción.

Los desarenadores se diseñan para un determinado diámetro de partículas, es decir,

que se supone que todas las partículas de diámetro superior al escogido deben

depositarse. Por ejemplo, el valor de diámetro máximo de partícula normalmente

admitido para plantas hidroeléctricas es de 0.25 mm. En los sistemas de riego

generalmente se acepta hasta diámetros de 1.5 mm.

34

Tabla 1: Criterios para diseñar desarenador en planta tratamiento de agua residual.

Diámetro D (mm)

D < 0,1 mm 51

0.1 mm< D < 1 mm 44

D > 1 mm 36

DATOS

D= 1.5 mm Diámetro de la Partícula

Q= 0.86 L/S Caudal de Diseño

n= 0.018 Rugosidad de Manning H°C°

I= 2 %0 Pendiente Entrada y Salida del Canal

Fuente: elaboración propia.

35

3.2.1 Velocidad de flujo

Tabla 2: Datos para velocidad de flujo


Según datos obtenidos de la página OMS la velocidad en un desarenador se

considera lenta cuando está comprendida entre 0,10 a 0,60 m/s.

A) Ancho de cámara

B= 1.5 m

Tomando en cuenta que:

relación H/B = 0.80

B) Altura de la cámara de sedimentación

C) Verificación del tipo de Flujo

Donde:

Vd = velocidad de escurrimiento cm/s

d = 1.5 Diámetro mm.

a= 36 constante en función al diámetro

Caudal de diseño: Q= 0.0009 m3/s

Por lo tanto:

H= 0.0013 M

Por lo que asumimos: H= 1.2 M

V= 0.0012 m/s

5.136dV

18.0 B

H

Bv

QH

*

A

QV

36

D) Número de Reynolds

E)

Cálculo de la velocidad de sedimentación

Tabla 3: cálculo de la velocidad de sedimentación


Laminar Re

37

Velocidad de Sedimentación según Diámetro de la Partícula. D=1.5 mm diámetro de

la partícula.

Tabla 4: velocidad de sedimentación


Flujo turbulento

Tabla 5: flujo turbulento

Donde

Vs= velocidad de sedimentación(cm/s)

λs = 2.63 peso específico de las partículas (g/cm3)

g= 9.81 aceleración de la gravedad (m/s2)

D= 0.15 diámetro de las partículas (cm)

c= 0.5 coeficiente de resistencia de los granos

Turbulento Ts = 47.5 s. Tiempo que demora la partícula en caer desde la superficie al fondo.

Laminar Ts = 9.705 s. Tiempo considerando flujo Laminar


D mm Vs (cm/s)

1 1 9.44

2 1.5 Vs

3 2 15.29

Vs = 12.365

Vs= 0.124

Vs= 0.0253 m/s

c

DgV ss

*3

**4*)1(

38

F) Longitud de la cámara

Flujo Laminar

Donde:

L=

Longitud de cámara (m)

k=

Coeficiente de seguridad

k es un coeficiente de seguridad usado en desarenadores de bajas

velocidades para tomar en cuenta los efectos de la turbulencia y depende de la

velocidad de escurrimiento de acuerdo a la siguiente tabla:

Tabla 6: Interpolación y valor de K

Interpolación

Vd K

1 0.3 1.5

2 0.44 K

3 0.5 2

k = 1.8523 cm/s


Coeficiente de Seguridad

Velocidad de escurrimiento (m/s)

K

0.2 1.25

0.3 1.5

0.5 2

L= 7.93 m

SdtVkL **

39

Flujo Turbulento

Donde k es un coeficiente de seguridad usado en desarenadores de bajas

velocidades para tomar en cuenta los efectos de la turbulencia y depende de la

velocidad de escurrimiento de acuerdo a la siguiente tabla:

Tabla 7: Coeficiente de seguridad

Coeficiente de Seguridad

Velocidad de escurrimiento (m/s) K

0.2 1.25

0.3 1.5 0.5 2


G) Transición de entrada

Donde:

LT: longitud de la transición m

T2: 1.5 Espejo de agua en la cámara de sedimentación (m)

T1: 1.2 Espejo de agua en el canal de entrada (m)

LT = 0.6766 m

Donde:

L=Longitud de cámara (m)

k=Coeficiente de seguridad

L= 38.8 M

Sd tVkL **

Sd tVkL **

)5.12(*212

oT Tan

TTL

40

H) Dimensionamiento final

Figura 12. Descripción visual del desarenador de rectangular de flujo horizontal.


3.3 Cribado

El objetivo de las rejas es la separación de sólidos flotantes de gran tamaño en el

agua, por ejemplo, trapos, botellas de plástico, estopas, madera etc. y de esta manera

proteger aguas abajo los equipos mecánicos e instalaciones tales como bombas,

tuberías, registros de piezas especiales, desarenadores, sedimentadores etc. Son

dispositivos formados por barras metálicas, paralelas, del mismo espesor e igualmente

espaciadas.

Las rejas se clasifican como de limpieza manual y limpieza mecánica. Las rejas de

limpieza manual se usan con bastante frecuencia en plantas de tratamiento pequeñas;

Canal de Ingreso

Desarenador

Canal de salida

1,2 m

1,5 m

39 m

41

los sólidos removidos de las rejas se colocan sobre una bandeja perforada que esta

sobre el canal que contiene las rejas, para su deshidratación.

Las rejas de limpieza mecánica emplean cadenas sin fin, cables o mecanismos con

ruedas dentadas accionadas por motores, que mueven un rastrillo empleado para

remover los residuos acumulados por la rejilla.

La información básica para el diseño convencional de rejas de limpieza manual o

mecánica se presenta en la tabla. El análisis asociado con el uso de equipos para el

tamizado grueso contempla la determinación de la pérdida de carga producidas con el

paso del agua a través de estas unidades. Las pérdidas hidráulicas a través de rejas

son una función de la velocidad de aproximación del fluido y de la velocidad de flujo a

través de los barrotes. Las pérdidas de carga a través de una reja de tamizado grueso

se pueden estimar por medio de la siguiente ecuación:

Figura 13. Formula tamizado.

Fuente: http://www.academia.edu/5868256/

hL : Pérdida de carga (m)

0.7: Coeficiente empírico, que incluye perdidas por turbulencia y remolinos

V: Velocidad de flujo a través del espacio entre barras (m/s)

42

v: Velocidad de aproximación del fluido hacia la reja (m/s)

g: Aceleración de la gravedad (9.8 m/s2)

La siguiente ecuación, se usa para la perdida de carga para un orificio, y sirve para

considerar a las rejas en condiciones de obstrucción, y cuya velocidad de flujo aumenta

en proporción al porcentaje de área de la rejilla obstruida.

Figura 14. Formula tamizado.


hL: Pérdida de carga (m)

C: Coeficiente de descarga del tamiz, aproximadamente 0.6

V: Velocidad de flujo a través del espacio entre barras (m/s)

v: Velocidad de aproximación del fluido hacia la reja (m/s)

g: Aceleración de la gravedad (9.8 m/s2)

43

Figura 15. Parámetros perdidas en rejas.


Estas ecuaciones y valores son aplicables a las aguas mieles en beneficios húmedos

de café, debido a que se basan en velocidades de flujo, y no a la composición de esta.

Diámetro barras θb = 3/8 pulgadas = 0.952 cm (tabla)

Separación barras (Sb)= 2 cm (tabla)

Inclinación de las rejas (α) = 45º (tabla)

Diámetro tubería aguas residuales (Φ)= 8 pulgadas (Asumido)

Tabla 8: Formulas para el cálculo de cribado.

Área de la tubería

Área de la abertura de las

rejas

Longitud de la rejilla L

44


Figura 16. Ejemplo de rejillas de tamizado.


Ancho total de la abertura

Numero de aberturas

Numero de barras

Ancho de la cámara de rejas

Tirante de la cámara

Longitud de las barras

45

Tabla 9: Tabla resumen de cálculos


Área de la tubería

324.290 cm2

Área de la abertura de las rejas 648.580 cm2

Longitud de la rejilla L 40.64 cm2

Ancho total de la abertura 15.96 cm

Numero de aberturas 6 aberturas

Numero de barras 7 barras

Ancho de la cámara de rejas 20 cm

Tirante de la cámara 30 cm

Longitud de las barras 51 cm

Área de la tubería 324.290 cm2

Área de la abertura de las rejas 648.580 cm2

Longitud de la rejilla L 40.64 cm2

Ancho total de la abertura 15.96 cm

Numero de aberturas 6 aberturas

Numero de barras 7 barras

Ancho de la cámara de rejas 20 cm

Tirante de la cámara 30 cm

Longitud de las barras 51 cm

http://www.academia.edu/5868256/

46

Figura 17. Ejemplo de rejillas y desarenador.

Fuente: https://www.aguasresiduales.info/revista/reportajes/proceso-clear

3.4 Tanque IMHOFF

El tanque imhoff será utilizado para realizar el proceso de tratamiento primario que

tiene como fin específico la remoción de sólidos suspendidos. Los tanques imhoff tienen

una operación muy simple y no requiere de partes mecánicas, pero para que el uso de

estos pueda ser de una mejor manera es necesario que las aguas residuales pasen por

los procesos de tratamiento preliminar de cribado (rejillas) y desarenado.

El tanque imhoff común es de forma rectangular y se divide en tres compartimentos:

Cámara de sedimentación.

Cámara de digestión de lodos.

Área de ventilación y acumulación de natas.

47

Lo

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