FUNDAMENTO TEÓRICO

AGUAS RESIDUALES

Definición del agua residual

Las aguas residuales son aquellas aguas servidas, fecales o cloacales que se

encuentran contaminadas por sustancias fecales y orina procedentes de

desechos orgánicos humanos o animales (Carrillo, 2014).

Las aguas residuales antes de ser vertidas en los cuerpos receptoras deben

recibir un tratamiento adecuado, capaz de modificar sus condiciones físicas,

químicas y microbiológicas, al límite de evitar que su disposición provoque

problemas de polución y de contaminación de las aguas de recepción.

Origen de las aguas residuales

Las aguas residuales tienen un origen doméstico, industrial, subterráneo y

meteorológico, las aguas residuales domésticas son el resultado de actividades

cotidianas de las personas. La cantidad y naturaleza de los vertidos industriales

es muy variada, dependiendo del tipo de industria, de la gestión de su consumo

de agua y del grado de tratamiento que los vertidos reciben antes de su

descarga. (Aguamarket, 2005)

Composición de las aguas residuales

Las aguas residuales se componen básicamente de un 99,9% de agua en su

estado conocido como de agua potable y de un 0,1% por peso de sólidos ya

sean éstos disueltos o suspendidos. Este 0,1% referido es el que requiere ser

removido para que el agua pueda ser reutilizada y pueda ser ocupada en otra

actividad como el riego, la agricultura entre otras actividades. El agua sirve y

actúa como medio de transporte de estos sólidos, los que pueden estar

disueltos, en suspensión o flotando en la superficie del líquido. (Aguamarket,

2005)

Clasificación de las aguas residuales

Las aguas residuales se clasifican según su origen y composición. Las aguas

residuales por su origen se clasifican en:

 Aguas residuales domésticas, urbanas o aguas negras: Son los

vertidos que se generan en los núcleos de la población urbana como

consecuencia de las actividades propias de estos. Los aportes que

generan estas aguas son aguas negras o fecales, aguas de lavado

doméstico, aguas provenientes del sistema de drenaje de calles y

avenidas y aguas de lluvia.

 Aguas residuales industriales: son aquellas aguas que proceden de

los diferentes 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.

 Aguas residuales comerciales: son aquellas aguas provenientes de

los mercados, restaurantes, hoteles.

 Aguas residuales agrícolas: son aquellas aguas 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.

AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES (MARTIN GENERALIDADES)

INDUSTRIA DEL CAFÉ

La industria del café es una de las que más movimiento de producción y

económico desarrolla a nivel mundial, sus procesos industriales tratan el

material seco o por la vía húmeda (De La O Villanueva, 2020).

¿Qué es el café?

El café es la semilla de la planta del café (cafeto), la que al ser tostada y molida

se convierte en la bebida altamente estimulante que todos conocemos. Es uno

de los productos más comercializados del mundo y una de las tres bebidas

más consumidas a nivel global (al lado del agua y el té).

El árbol del café, el cafeto, es un arbusto procedente de regiones tropicales del

género Coffea, de la familia de los rubiáceos, que puede llegar a medir entre 4

y 6 metros de altura, por lo que la mayoría de las veces es cortada para que los

granos se produzcan a una menor altura. Cuentan con hojas persistentes y

opuestas y sus frutos, que son carnosos y rojos o púrpuras cuando están

maduros, se conocen como cerezas de café. En este sentido el café es una

fruta cuyas bayas en su interior poseen dos núcleos, cada uno de ellos con un

grano de café que es la semilla de la planta. Las semillas miden

aproximadamente 1 centímetro y están envueltas por una membrana

semirrígida transparente, llamada pergamino y un mesocarpio rico en mucílago,

que es una capa de pulpa azucarada. Al retirársele esta capa, el grano de café

verde se observa rodeado de una piel plateada adherida, que se corresponde

con el tegumento de la semilla. (JOODS, 2021)

Estructura del grano de café

(Equipo Mundo Cafeto, 2018) menciona que el fruto del café está formado de afuera

hacia adentro por las siguientes partes en (Figura 1):

• Epicarpio o pulpa: cubierta roja o amarilla, de superficie lisa y brillante.

• Mesocarpio o mucílago.

• Endocarpio o pergamino: envoltura cartilaginosa que cubre por separado

cada semilla.

• Espermodermo o película plateada que cubre la semilla.

 Endospermo o grano (semilla) y el embrión.

Ilustración 1Estructura del fruto de café

Fuente: Alvarado, (2007)

El análisis químico de la semilla tal como se extrae de la planta, nos indica que

contiene los habituales componentes de los alimentos vegetales: agua,

celulosa, azucares en forma de dextrina, proteínas, grasas y potasio (Tabla 1).

Pero lo más interesante es que contiene y en cierta abundancia un alcaloide

llamado cafeína, una sustancia astringente, que es el tanino, y un aceite

aromático que le da su olor característico (JACKSON, 1971).

Tabla 1Composición química del café

Fuente: Sánchez, (2005)

Proceso de producción de café

a) Cosecha selectiva: Consiste en retirar de la planta de café frutos

maduros, dejando los frutos verdes y pintones para que maduren para

posteriormente volver a cosechar frutos rojos (HUERTA EN CASA,

2023)

b) Despulpado: Se retira la cáscara o pulpa del fruto liberando los granos

pergaminos debido a la propiedad lubricante del mucílago. Por ello es

importante despulparlos en plena maduración. Se debe hacer esto sin

mezclarlos con granos verdes o sobre maduros, utilizando para ello una

máquina despulpadora; las despulpadoras pueden ser activadas a

mano, motor estacionario o motor eléctrico (Huamani Meneses, 2018)

c) Fermentado: En esta etapa del beneficio se produce en la masa de café

despulpado una fermentación deseable de su capa mucilaginosa, que la

vuelve miel para que facilite su remoción por medio del agua. Lo que se

debe someter a fermentación es el mucílago, no al grano. Otra forma de

remover el mucílago es utilizando el desmucilaginador mecánico, con

 esta labor el café lavado está listo para pasar al proceso de secado

(Huamani Meneses, 2018)

d) Lavado: Es el proceso de eliminación del mucílago descompuesto que

cubre los granos de café, se realiza con agua limpia en el mismo tanque

de fermento o en un canal de correteo (Castañeda, 2000)

e) Secado: El secado natural o al sol debe realizarse de manera continua,

proporcionando aire constante al grano, y evitando así su

deshumedecimiento. El grano debe llegar a un contenido de humedad

aproximado de un 10 a 12%, y permanecer en este rango con un tiempo

de equilibrio de humedad. Para el secado mecánico, la temperatura de

proceso debe estar entre 45 y 50º C. (Huamani Meneses, 2018)

f) Almacenamiento:El almacenamiento del café pergamino seco es un

proceso muy riguroso, el lugar de almacenamiento debe estar libre de

productos químicos, fertilizantes, concentrados, combustibles o cualquier

otro producto que extienda sustancias que pueden ser absorbidas por el

café (Huamani Meneses, 2018)

El café en el Perú

Existe una gran dispersión territorial en la producción del café. En un informe

desarrollado por el Instituto Nacional de la Innovación Agraria (2019), se

estableció una clasificación de los principales departamentos cafetaleros:

 Cluster del norte: Conformado por los departamentos de Cajamarca,

Amazonas y San Martín. Cada uno de estos es representado por

diferentes provincias en donde se concentra la mayor producción. Por

ejemplo, San Ignacio y Jaén, Rodríguez de Mendoza y Moyobamba,

respectivamente.
  Cluster de la selva central: Conformado por los departamentos de

Pasco y Junín, siendo en este último donde se concentran las provincias

más representativas: Satipo y Chanchamayo.

 Cluster del sur: Conformado por los departamentos de Cusco y Puno,

en la que la provincia de La Convención es la más representativa.

Situación actual del café en el país

El Café es el primer producto agrícola peruano de exportación y es el séptimo

país exportador de café a nivel mundial. No solo lidera las exportaciones

agrícolas sino está dentro de los 10 principales productos de exportación,

después de algunos minerales, petróleo, gas natural, harina de pescado, entre

otros.

El Perú es el segundo exportador mundial de café orgánico, después de

México.

El Perú posee 425,416 hectáreas dedicadas al cultivo de café las cuales

representan 6% del área agrícola nacional. El potencial de crecimiento del café

en el país es alrededor de 2 millones de hectáreas.

Las plantaciones de café están instaladas en 17 regiones, 67 provincias y 338

distritos.

En la actualidad, 223,482 familias de pequeños productores están involucrados

con la producción de café a nivel nacional y el 95% de ellos son agricultores

con 5 hectáreas o menos del producto.

Un tercio del empleo agrícola está relacionado al mercado del café. 2 millones

de peruanos dependen de esta actividad. (MINISTERIO DE DESARROLLO

AGRARIO Y RIEGO, 2019)

CONSECUENCIAS DE LA CONTAMINACIÓN DE LAS AGUAS POR EL

BENEFICIO DEL CAFÉ

La utilización del oxígeno del agua por los residuos orgánicos del beneficio del

café, pueden ocasionar los siguientes problemas:

 Muerte de los animales acuáticos y de las plantas por falta de oxígeno y

por la alta acidez del agua.

 Proliferación de microorganismos indeseables.

 Impotabilidad e inutilización de las aguas para el uso doméstico.

 Inutilización de las aguas para el uso industrial, incluyendo el beneficio

del café en otros beneficiadores.

 Proliferación de malos olores, atracción de moscas y otros insectos y

deterioro del paisaje.

TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES PARA LA INDUSTRIA DEL CAFE

Tratamiento de aguas residuales de la industria del café soluble vía

Electrocoagulación - Oxidación Anódica. Selección de los electrodos

Las aguas residuales provenientes de la producción de café soluble poseen

una amplia variedad de contaminantes. Se trata de aguas complejas

conformadas por una mezcla de sustancias como cafeína, melanoidinas,

ligninas, taninos, ácidos húmicos, polisacáridos, entre otros. En general,

contienen altos valores de Demanda Química de Oxígeno (DQO), Demanda

Biológica de Oxígeno (DBO5), Sólidos Suspendidos Totales (SST) y

principalmente un color café marrón oscuro característico. La disposición de

estas aguas residuales en cualquier cuerpo de agua sin un tratamiento previo

puede generar graves daños en la biota acuática, considerando que la relación

DBO5/DQO (< 0.35) sugiere que este efluente no es fácilmente biodegradable.

Diferentes métodos de tratamiento se han evaluado para el tratamiento de las

aguas residuales de la industria del café soluble. Los métodos físico-químicos

convencionales, como coagulación-floculación, logran disminuir ciertos niveles

de materia orgánica y color. Sin embargo, no logran alcanzar los valores límites

permisibles en los vertimientos puntuales a cuerpos de agua superficiales y a

los sistemas de alcantarillado público establecidos por las cada vez más

exigentes legislaciones ambientales alrededor del mundo (en el caso de

Colombia, la definida por el Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible,

MADS, mediante la Resolución No.0631 de 2015). Complementar el

tratamiento primario con un proceso biológico puede ser poco efectivo o

requerir largos tiempos de reacción debido a la presencia de componentes

inhibitorios y recalcitrantes. Otras alternativas reportadas en la literatura para el

tratamiento de las aguas provenientes de la industria de café soluble son los

Procesos Avanzados de Oxidación (PAOs), la combinación de procesos

primarios con PAOs y los procesos electroquímicos, electrocoagulación (EC),

oxidación anódica (OA). (Dobrosz, Gómez, & Ibarra, 2020)

DIGESTIÓN ANAEROBIA DE LAS AGUAS RESIDUALES DE LA INDUSTRIA

DEL CAFÉ INSTANTÁNEO

La industria del café ha generado un crecimiento económico considerable,

debido al alto consumo que registran sus principales productos; por lo tanto, la

generación de residuos sólidos y líquidos es inevitable. Se han reportado tasas

de producción de aguas residuales que indican una generación de 110 m3 por

cada 100 toneladas de café procesado. Además, el residual de esta industria

se define como un efluente con parámetros de contaminación elevados. Entre

las alternativas tecnológicas diseñadas para el tratamiento de aguas

residuales, resaltan los procesos oxidativos y los tratamientos biológicos

aerobios y anaerobios. Si bien todas las tecnologías garantizan la degradación

de materia orgánica presente en los efluentes de carácter residual, la digestión

anaerobia además del tratamiento del residuo genera compuestos con un alto

valor energético (CH4 ) que potencian el uso de dicha tecnología de

remediación. De acuerdo a la revisión bibliográfica efectuada, se demuestra

que la digestión anaerobia es adecuada para tratar las aguas residuales de la

industria del café a partir de diseños que emplean el reactor de flujo

ascendente de manto de lodos (UASB), tanque agitado (CSTR) y filtro

anaerobio (UAF); por ende, debe considerarse que una combinación de estos

diseños puede potenciar la eficiencia del tratamiento anaerobio. (Paredes,

Mendoza, & Moreira, 2018)

DISEÑO DE UN METODO PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS

RESIDUALES PROVENIENTES DE LA INDUSTRIA CAFETALERA

La industria cafetalera es productora de altos volúmenes de aguas mieles de

café, que una vez liberadas al medio ambiente, pueden afectar a las aguas

subterráneas, superficiales y del suelo, por su alta resistencia orgánica y pH

ácido (Coniglio et al. 2008; Torres et al., 2016); este impacto se agrava en los

centros de despulpe de café que se encuentran ubicados en zonas

montañosas, cerca de ecosistemas frágiles (Álvarez et al., 2011).

Las aguas mieles de café provocan un aumento de la demanda bioquímica de

oxígeno (DBO5) en ríos y embalses por encima de 2500 mg. L-1 de O2, y una
elevada presencia de sólidos en suspensión que neutralizan la iluminación

solar, dependiendo del volumen de agua utilizado en el beneficio del café

(Cervantes et al., 2015; Claass, 2003).

La magnitud del problema ambiental se incrementa debido a que las aguas

poseen adicionalmente un intenso color oscuro, el cual puede interferir con la

radiación solar hacia los organismos acuáticos y alterar la cadena trófica de

cualquier cuerpo de agua si estas son vertidas sin un tratamiento previo (Ibarra-

Taquez et al., 2018).

El agua es un factor principal para el prebeneficio del café, necesario en el

despulpado y lavado. Las organizaciones cafetaleras cuentan con acceso al

agua proveniente de ríos, quebradas y vertientes usándose grandes

volúmenes, dificultando la estimación del gasto y la contaminación (López,

2017). La importancia de tratar las aguas mieles de café radica en la oxidación

de la materia orgánica contenida en el agua generada a partir del lavado

(Hernández e Hidalgo 2000; Rodríguez, 2000).

Antecedentes

En un estudio en el sur del Huila en Colombia, construyeron un prototipo a

escala de laboratorio compuesto por un sedimentador y un filtro en serie,

simulando el mismo tipo de sistema y condiciones operacionales del lavado de

café. Los resultados mostraron eficiencias de remoción de sólidos suspendidos

superiores al 95 % y la remoción de DBO5 al 20 % (Gutiérrez et al., 2014). Con

el fin de eliminar nitrógeno y fósforo en aguas domésticas. En otro estudio,

aplicaron biofiltros de aserrín y bagazo de caña de azúcar asemejándose a un

filtro físico (Costa, 2013).

La aplicación de coagulantes químicos, que incluye la remoción de especies en

suspensión, tiene un gran costo. Sin embargo, se tiene como alternativa el uso

plantas naturales. Una de ellas es la tuna, que ha demostrado ser eficiente en

el tratamiento de agua residual (Choque et al., 2018), y la semilla de la

moringa, como coagulante natural en el tratamiento de aguas residuales, puede

disminuir la turbidez en 2000 a 91,5 unidades nefelométricas de turbidez (UNT)

(Mera-Alegría et al., 2016).

Los tratamientos alternativos, a través del aprovechamiento de plantas para

absorber y acumular compuestos orgánicos, ofrecen ventajas en relación con

los métodos fisicoquímicos que se usan en la actualidad (Delgadillo et al.,

2011; Rodríguez et al., 2010; Hoyos et al., 2016). Normalmente se usan las

plantas de jacinto acuático (Eichhornia crassipes) y lenteja de agua (Lemna

minor L.), las cuales presentan una remoción de 70 % y 86 %, respectivamente

(Rodríguez et al., 2010). Es así que la remediación de las aguas mieles de café

con plantas acuáticas, trae beneficios para la población, evitando la

proliferación de plagas y enfermedades de manera que se pueda reaprovechar

para riego de cultivos (Garay y Rivero, 2016). Esta investigación tuvo como

objetivo evaluar tres sistemas de tratamiento de aguas mieles de café en la

cooperativa Alta Montaña, Provincia de Rodríguez de Mendoza, Amazonas,

Perú.

Lugar de ejecución del experimento

El experimento se instalará, en el CCPP de gramazu, Distrito de

Huancabamba, Provincia de Oxapampa, en la asociación de caficultores de la

provincia a cargo del Sr. Juan Mendizábal Soto.

Diseño y distribución de los sistemas biológicos

Las aguas residuales obtenidas del primer lavado de café, se condujeron por

gravedad a un tanque de almacenamiento a través de un sistema de tuberías

de una pulgada (1”). El sistema de almacenamiento contó con una capacidad

de 1000 l, dimensiones de 100 cm * 100 cm *100 cm profundidad. El tanque se

estructuró con madera y fue forrado con plástico negro. Para evitar fugas de

agua se tarrajeó con cemento blanco.

El sistema de tratamiento se compuso por un filtro físico, un filtro biológico y un

filtro con coagulantes de origen vegetal, construidos con las mismas

características del tanque de almacenamiento. El sentido del flujo del agua

residual fue descendente (Figura 1). El filtro 1, denominado “filtro físico”

(PM2), se conformó con una primera capa de piedra pequeña de río de 1” con

volumen de 0,18 m3, la segunda capa de arena de río con volumen de 0,3 m3

y la tercera capa por 0,06 m3 de carbón de madera. El filtro 2, denominado

“filtro bilógico” (PM3), se conformó con 15 plantas de lenteja de agua (Lemna

minor L.) con un tamaño promedio de 12 cm de altura y 15 plantas de jancito

acuático (Eichhornia crassipes) con 13 cm de altura promedio. El filtro 3,

denominado “filtro de coagulantes naturales” (PM4), fue constituido con 5 kg de

semillas de Moringa oleťfera y 5 kg de Opuntia ficus-indica L., ambas trituradas

en polvo.

Metodología

Se realizaron muestreos de agua con periodicidad de 15 días durante dos

meses consecutivos (mayo a junio de 2019), con un total de tres muestreos por

cada punto de muestreo establecido (PM1=Agua miel de café en condiciones

normales, PM2=Filtro físico, PM3=Filtro biológico, PM4=Filtro de coagulantes

de origen vegetales). Los muestreos se realizaron a la salida de cada tanque.

La recolección de muestras, así como el traslado para el análisis en laboratorio

se realizaron de acuerdo con APHA, AWWA & WEF (2017). La toma de datos

para los parámetros de pH y oxígeno disuelto (OD) se realizó insitu, con un

medidor de agua multiparamétrico. Para los parámetros de DBO5, se tomaron

muestras en frascos plásticos oscuros, mientras que para conductividad

eléctrica (CE), sólidos disueltos totales (SDT), sólidos suspendidos totales

(SST), alcalinidad, turbidez, nitratos y fosfatos, se tomaron muestras en frascos

plásticos trasparentes. Todas las muestras fueron refrigeradas a 4 °C durante

su traslado, para su posterior análisis en el Laboratorio de Investigación de

Suelos y Aguas de la universidad nacional Daniel Alcides Carrión.

Figura 1. Diseño y distribución del sistema de

tratamiento de aguas mieles de café