TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL CON ALTA CARGA ORGÁNICA Y COLOR PROVENIENTES DEL PROCESO DE VINAZA

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1 TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL CON ALTA CARGA ORGÁNICA Y COLOR PROVENIENTES DEL PROCESO DE VINAZA Teresa ZAYAS 1,2, Viviana ROMERO 1, Mónica MERAZ 3, Leonardo SALGADO 4 1 Centro de Química y 2 Posgrado de Ciencias Ambientales del Instituto de Ciencias, Benemérita. Universidad Autónoma de Puebla, 14 Sur # 6301 Col. Jardines de San Manuel, Puebla, México C. P teresa.zayas@icbuap.buap.com. 3 Depto.de Biotecnología, Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa. México D. F. C. P Depto. de Química, Ciencias Básicas e Ingeniería, Universidad Autónoma Metropolitana- Iztapalapa. México D. F. C. P Palabras Clave: vinaza, demanda química de oxígeno, coagulación, floculación, cloruro de hierro. RESUMEN En este trabajo se investiga el tratamiento fisicoquímico de coagulación/floculación aplicado a efluentes de vinaza de la industria del ron de caña de azúcar con previo tratamiento anaeróbio. El proceso químico de coagulación/ floculación fue realizado con sulfato de aluminio, cloruro férrico entre otros, probados en forma individual y combinados, variando la dosis y el ph de la vinaza tratada biológicamente. Se determinó la dosis óptima de coagulante que reduce, significativamente, el color y materia orgánica natural. De acuerdo a los resultados experimentales se puede asumir que el floculante más adecuado, para realizar un postratamiento de los efluentes de la vinaza tratada por vía anaerobia es el cloruro férrico con el cual se obtuvieron eficiencias del 99.8% en color y turbidez y 75.2% en la DQO a ph de 8.4. INTRODUCCIÓN Es bien conocido que durante la producción de licor como por ejemplo el ron, tequila, mezcal o brandy hay un proceso de fermentación seguido por una destilación, en la cual el alcohol es separado del resto de la mezcla. Es decir, cuando se destila mosto fermentado de melazas para obtener alcohol etílico, se obtiene un residuo líquido de color oscuro llamado vinaza. Esta vinaza contiene una relación promedio de 90% de agua y 10% de sólidos. La situación se agrava, debido a que la cantidad de vinaza que se obtiene es del orden de 12 a 13 veces la cantidad de alcohol producido. Las aguas de vinaza, contienen sustancias no biodegradables o muy difíciles de tratar químicamente (FAO, 1998). En México, la producción anual de alcohol a partir de caña de azúcar es alrededor de 225,000m 2 y actualmente los pequeños productores representan el 60% de la industria del licor y generalmente, no cuentan con sistema de tratamiento en aguas de desecho. Esto provoca que las descargas de vinaza contaminen ríos, lagos, o tierras de cultivo provocando daños severos que impiden el cultivo por varios años; sobre todo en el caso de suelos ácidos. Por 1

2 lo tanto, a fin de evitar daños ecológicos y recuperar el recurso vital, es necesario promover métodos óptimos de tratamiento de vinaza. Varios métodos de tratamiento han sido aplicados a efluentes de vinaza, El objetivo principal de esos métodos ha sido disminuir el contenido de materia orgánica y color. Métodos de tratamiento biológicos (Meza y col., 1996; Rajesh y col., 2003; Buzzini y col., 2005) y fisicoquímicos (Vilyssides y col., 1997; Martín y col., 2003 y 2005; Beltrán de Heredia y col., 2005) han sido reportados. La aplicación de procesos biológicos ha permitido alcanzar eficiencias de remoción del orden del 70 y 80% (Álvarez y col., 1995; Álvarez, 1996). Sin embargo, esto no es suficiente, ya que la descarga del efluente con esa eficiencia de remoción aún lleva una elevada concentración en materia orgánica y un color intenso. Esto se debe a que las aguas residuales contienen aún compuestos orgánicos recalcitrantes como compuestos orgánicos poliaromáticos, polifenólicos, productos de lignina, taninos y ácidos húmicos (Narkis y Rebhun, 1975 y 1977; Edwards y Amirtharajarah, 1985). En el tratamiento de vinaza se ha reportado la aplicación del proceso de coagulación-floculación. En este caso, se ha propuesto como floculante más adecuado para la eliminación de color y materia orgánica, el permanganato de potasio (KMnO 4 ), con el cual se han obtenido eficiencias de 90% de color y 55% en Demanda Química de Oxigeno (DQO). Sin embargo, por aspectos económicos, ha resultado más factible la utilización del sulfato de aluminio Al 2 (SO 4 ) 3, con eficiencias del 70% en color y 30% en DQO (Meza et al, 1996). Considerando que la combinación de métodos de tratamiento aplicados a la vinaza puede provocar una mayor eficiencia en la remoción de materia orgánica y color, el presente trabajo tiene por objeto probar la eficiencia del proceso de coagulación/floculación como postratamiento de vinaza de caña de azúcar proveniente de una descarga de un reactor anaerobio tipo UASB. MATERIALES Y MÉTODOS Materiales La demanda química de oxígeno (DQO) fue determinada usando un Thermoreaktor TR 300 (Merck). El valor de la DQO en la muestra fue medida usando tubos de ensaye para DQO ( mg/l, Merck). El proceso de digestión de las alícuotas de 1 ml de la muestra en los viales de DQO fue realizada por 2 horas a 148 C. La absorbancia de la muestra digestada fue medida con un Fotómetro SQ118 (MercK). El color y la turbidez de las muestras también fueron medidas con el fotómetro SQ118 (Merck). Para medir el ph se uso un equipo Conductronic PC 18. El agitador múltiple para la prueba de jarras es de tipo AM-3 marca SEV. Los reactivos utilizados en las pruebas de coagulación-floculación fueron los siguientes: FeCl 3, Al 2 (SO 4 ) 3, Ca(OH) 2 y coagulantes comerciales Optifloc C- 1288, coagulante natural Terrana. Métodos i) Caracterización de vinaza. El efluente de una industria de ron fue colectado directamente en planta y almacenado en refrigeración. La vinaza cruda fue caracterizadas determinando los siguientes parámetros: Demanda Química de Oxígeno (DQO), ph, 2

3 temperatura, color y turbidez. Una vez caracterizada el agua cruda de vinaza, ésta fue sometida al tratamiento anaerobio desarrollado por el departamento de biotecnología de la Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa (Hernandez et al. 2000). Una nueva caracterización con los mismos parámetros fue realizada a la vinaza que proviene del tratamiento anaerobio. Finalmente, la vinaza tratada fue sometida al post-tratamiento fisicoquímico de coagulación/floculación. ii) Coagulación/floculación por el método de prueba de jarras. Para realizar esta prueba se utilizó un agitador de tres plazas, esta técnica es útil para determinar la dosis mas adecuada de reactivo (coagulante/floculante) en función del ph y establecer la relación del coagulante más efectivo. El ensayo consiste en colocar agua residual en vasos de precipitado y añadir, progresivamente, diferentes cantidades de coagulante. Se somete el juego de jarras a una agitación rápida para homogenizar el medio y, posteriormente, a una agitación lenta para favorecer la formación del floculo. Se dejan los vasos en reposo y se analiza tanto el sobrenadante como los lodos producidos. Mediante este ensayo es posible determinar la dosis óptima del coagulante y floculante ph. La determinación de la DQO en las diferentes muestras se realizó con un fotómetro SQ118 (Merck). RESULTADOS Los procesos de coagulación/floculación se han usado intensamente para la remoción de color, turbidez y DQO en los diferentes efluentes residuales de las industrias. Para el caso de la vinaza que proviene del tratamiento anaerobio se puede observar (Tabla1), que la remoción de color y turbidez es del orden del 100% con FeCl 3 6H 2 O. Con Al 3 SO 4 la remoción de color y turbidez es del orden del 90 al 95 %, y esta variación se mantiene cuando el sulfato de aluminio se combina con cal o con el coagulante comercial Optifloc C Cuando el cloruro férrico se combina con el coagulante comercial Terrana el porcentaje de remoción de color y turbidez es del orden del 98%. Por lo tanto, los resultados obtenidos muestran que el coagulante FeCl 3 6H 2 O tiene un efecto notable en la remoción de color, turbiedad al adicionarlo en forma individual con la dosis correspondiente Tabla I. Remoción de Color y turbidez para diferentes dosis de coagulantes. Dosis de Coagulantes Coagulantes (g/l) % Color % Turbidez FeCl Al 2 (SO 4 ) Al 2 (SO 4 ) 3 + cal Al 2 (SO 4 ) 3 + Optifloc C ml Terrana + FeCl

4 De las pruebas realizadas con coagulantes y/o floculantes individuales o combinados que no mostraron capacidad de remover la DQO, color y turbiedad del efluente anaerobio fueron: Terrana, Cloruro férrico + Optifloc C-1288, Cloruro férrico + cal + Optifloc C-1288, El efecto de ph sobre la remoción de DQO, color y turbidez fue analizado con el coagulante FeCl 3 6H 2 O a concentración constante: 10 g/l (Fig. 1a y 1b). El porcentaje de remoción en color, turbidez y DQO se incrementa conforme incrementa el ph. En el caso de color y turbiedad, el porcentaje de remoción es del orden de 85% en ph 4 y alcanza el 99.8%, cuando el ph es de 8.4. Para la DQO a ph 8, se alcanza la máxima eficiencia de remoción del 79% y a ph 8,4 disminuye ligeramente a un 75%. Este resultado indica que la remoción de materia orgánica en vinaza se favorece a valores de ph entre 7 y 8.4. Meza et al, (1996) reportan que el valor más adecuado de ph para la remoción en DQO fue de 6, mientras que Prabhakara et al, (1990) reportan su valor de ph óptimo en % Remocion DQO Color Turbidez ph (a) (b) Figura 1. a) Gráfica de % remoción de la DQO, color y turbidez en función de ph, manteniendo constante la concentración de FeCl 3. b) Fotografía de muestras de vinaza obtenidas a diferentes valores de ph. El comportamiento del porcentaje de remoción de color, turbiedad y DQO en función de la dosis de FeCl 3 6H 2 O a ph constante (8.4), se muestra en la Fig. 2 (a) y (b). Se observa que color, turbidez y DQO varían con la dosis de coagulante. En general a ph 8.4, el incremento en la cantidad de coagulante provoca un incremento en los valores de remoción de esos parámetros. Entre 16 y 20 g/l, se alcanza una remoción del 98.4% de color y del 99.2% turbiedad, y de 65 % en la DQO. Las dosis de coagulante son muy altas, pero esto es debido a la alta cantidad de materia orgánica que contiene la vinaza. Se ha encontrado, en la literatura que la dosis de coagulante a aplicar es dependiente de la concentración del material húmico que contenga la vinaza (Dempsey, 1984). También resalta que 4

5 podría existir cierta estequiometría entre la dosis del coagulante y la concentración del material húmico en la vinaza % Remoción DQO Color Turbidez Dosis de coagulante (g/ml) (a) (b) Figura 2. Grafica de % de remoción de la DQO, color y turbidez en función de las diferentes concentraciones de FeCl 3 a ph 8.4. b) Fotografía de muestras de vinaza obtenidas a diferentes dosis de coagulante. En la Tabla II, se resumen cada uno de los parámetros obtenidos de DQO, color, turbidez y ph después de cada tratamiento aplicado a vinaza. Tabla II. Remoción de contaminantes de vinaza DQO para cada tratamiento aplicado. VINAZA DQO (mg/l) % DQO Color (m -1 ) % Color Turbidez % Turbidez ph Cruda 93, Tratamiento Biológico Tratamiento Coagulación/ floculación CONCLUSIONES Las siguientes conclusiones para este estudio son: (i) El proceso de coagulación/floculación puede ser aplicable para el tratamiento de vinaza tratada biológicamente, ya que se alcanzan buenas eficiencias para la remoción de color, turbiedad y DQO. (ii) De los floculantes probados el FeCl 3 fue el que presento los mejores resultados de remoción en la DQO, color y turbidez del efluente anaerobio a ph de 8.4, que es el obtenido después de tratado biológicamente 5

6 . REFERENCIA Álvarez A. E., Linero J., Espinosa A., Briones R., Ilangovan K., Loyola R. A. (1995). Tratamiento anaerobio de vinazas tequileras, en un reactor de lecho de lodos y flujo ascendente. Memorias del Congreso Nacional de Biotecnología y Bioingeniería, Ixtapa Gro., pp 96. Álvarez A. E. (1996). Tratamiento Anaerobio de Vinazas Tequileras en un reactor de lecho de lodos y flujo ascendente, Tesis de Licenciatura. Beltrán de Heredia J., Domínguez J.R., y Partido E. (2005). Physico-chemical treatment for the depuration of wine distillery wastewater (vinasses). Water Science and Technology. 51(1): pp Buzzini A. P., Motheo A.J. y Pires E.C. (2005). Assessment of electrochemical and chemical coagulation as post-treatment for the effluents of a UASB reactor treating cellulose pulp mill wastewater. Water Science and Technology. 52(1-2): pp Dempsey B. A. Ganho R. M. & O'Melia C. R. (1984). The coagulation of humic substances by means of aluminum salts; Journal AWWA; April Edwards G.A. y Amirtharajarah. (1985). Removing Color Caused by Acids. Journal AWWA.Mar: pp FAO. (1998). Gestión de la Calidad del Agua. FAO: Control de la contaminación en América Latina y el Caribe. Tema 21, Arica, Chile y Tacne, Perú. pp URL: Hernandez A., Meraz M., Fajardo C. and Monroy O Anaerobic treatment of sugar cane vinasses in two stage UASB reactor. Memorias en extenso del VI Taller y Seminario Latinoamericano de Digestión Anaeróbia, Brasil. Martín M.S., Fernández J.B., Martín A.M. y García I.G. (2003).Ozonation of vinasse in acid and alkaline media. Journal of Chemical Technology and Biotechnology.78: pp Martín M.S., Bonilla J.V., Martín A.M. y García I.G. (2005). Estimating the selectivity of ozone in the renoval of polyphenols from vinasse. Journal of Chemical Technology and Biotechnology. 80: pp Meza P. A., Briones M. R. y Ilangovan K. (1996). Floculación-Coagulación como postratamiento del efluente de un reactor anaerobio que trata vinazas tequileras. Instituto Ingeniería UNAM. URL: Narkis N. y Rebhun M. (1975). The Mechanism of Flocculation Processes in the Presence of Humic Substances. Journal AWWA. Feb: pp

7 Narkis N. y Rebhun M. (1977). Stoichiometric Relationship Between Humic and Fulvic Acids and Flocculants. Journal AWWA. Jun: pp Prabhakara R. A., Karthikeyan J. & Iyerngar L.(1990). Removal of color from distillery wastewater. 44 th Purdue Industrial Waste Conference Proceedings, Rajesh S., Bejankiwar K.S., Lokesh T.P., Halappa G. (2003). Colour and organic removal of biologically treated coffee curing wastewater by electrochemical oxidation method. Journal of Environmental Science. 15(3): pp Vilyssides A.G., Israilides C.J., Loizidou M., (1997). Electrochemical treatment of vinasse from beet molasses. Water Science and Technology.36 (2-3): pp