Procesos electroquímicos para el tratamiento de aguas residuales provenientes de la industria de café soluble

Abstract

Colombia es el séptimo país exportador de café soluble a nivel mundial y hace parte de un mercado en continuo crecimiento. Sin embargo, su producción conlleva a la generación de aguas residuales caracterizadas por un alto contenido de color, de Demanda Química de Oxígeno (DQO) (ca., 3.6 g de O2/l), de materia orgánica soluble y de algunos componentes inhibitorios para los procesos biológicos. Las empresas productoras de café soluble de la región cafetera colombiana han resuelto parcialmente el problema utilizando métodos convencionales de tratamiento. Sin embargo, se enfrentan al reto del incremento de los vertimientos y a una legislación colombiana cada día más exigente. Con el objetivo de explorar procesos efectivos de tratamiento para reducir el color y obtener altos niveles de mineralización de los efluentes provenientes de esta industria, se estudian en esta tesis dos procesos electroquímicos: Electrocoagulación (EC) y los Procesos Electroquímicos Avanzados de Oxidación (PEAOs). Dentro de los PEAOs se seleccionó la Oxidación Anódica (OA) como la opción más adecuada para tratar las aguas residuales de esta industria. Inicialmente, para EC y OA se encontraron las condiciones óptimas de operación a través de diseños experimentales del tipo Box-Behnken alcanzando reducciones de color de 95% con EC y 96% con OA. Las reducciones de DQO fueron de 56% para EC y de 50% para OA. La primera parte del estudio demostró que el proceso de EC requiere menor cantidad de reactivos y genera menor cantidad de lodos que un proceso de tratamiento primario convencional como Coagulación-Floculación y que la EC necesita ser complementada con otra tecnología para alcanzar los estándares impuestos por la legislación colombiana vigente respecto a la concentración de DQO (i.e., 1.0 g/l). En el caso de OA se predijo que una concentración de DQO dentro de estos estándares se alcanzan a las 2.5 horas de operación, lo que implica altos costos operacionales (ca., 30 USD/m3). Para potencializar sinérgicamente las ventajas y disminuir las limitaciones de EC y OA, en una segunda parte del trabajo se analizaron dos esquemas secuenciales conformados por una primera etapa de EC y una etapa posterior de depuración con OA. El primer esquema utilizó la pareja grafito-acero en la OA y NaCl como electrolito de soporte (E.S.I) mientras que el segundo utilizó la pareja Diamante dopado con boro (DDB)-acero para la misma etapa y Na2SO4 como electrolito de soporte (E.S.II). A través de diseños experimentales y modelos polinómicos se optimizaron estos esquemas para alcanzar los requisitos impuestos por la legislación colombiana con los menores costos operacionales. Así, se obtuvieron reducciones de DQO de 71.4% para E.S.I y 73.7% para E.S.II y costos operacionales de 10.8 y 8.4 USD/m3 para el E.S.I y E.S.II, respectivamente. Respecto a los niveles de mineralización, se alcanzaron reducciones de 65% y 72% del Carbono Orgánico Total (COT) mientras que la reducciones de color fueron mayores a 96%. Considerando el impacto de los efluentes tratados sobre el ambiente se demostró que, con cualquiera de los dos esquemas secuenciales propuestos, la solución bajo estudio se degrada a un efluente que no es tóxico para organismos acuáticos sensibles a la contaminación (Texto tomado de la fuente)

Colombia ranks as sevenths in world exporters of instant coffee and this market is continuously growing. However, its production leads to the generation of wastewater with a high content of color, Chemical Oxygen Demand (COD) (ca. 3.6 g of O2 / l), soluble organic matter and some inhibitory components for biological processes. Colombian soluble coffee companies have partially solved this problem using conventional methods of treatment but they face the challenge of increasing production and meeting the current Colombian environmental legislation (CEL). Thus, two electrochemical processes were studied in this thesis in order to define effective treatment processes to reduce color and to reach high levels of mineralization of wastewater coming from that industry: Electrocoagulation (EC) and Electrochemical Advanced Oxidation Processes (EAPs). Considering EAPs, Anodic Oxidation (AO) was selected as the most suitable option to treat soluble coffee wastewater. Thus EC and AO operating conditions were optimized using Box-Behnken experimental designs. The treated effluent achieved color reductions of 95% and 96%, and COD reductions of 56% and 50% for EC and AO, respectively. In addition, EC required lower amount of chemical reagents than a conventional primary treatment as well as it generated lower volume of sludge. In contrast, the analysis proved that EC needs to be coupled with another technology to reach the permissible discharge limit of COD concentration allowed by CEL (i.e., 1.0 g of O2 / l). On the other hand, a kinetic analysis showed that OA required ca. 2.5 hours to meet COD limits and involved a high operational costs (ca. 30 USD/m3). In order to improve the wastewater treatment, two schemes were proposed. Each one consisted of EC coupled sequentially with OA. The first scheme (E.S.I) used graphite and stainless steel as electrodes in the OA stage and NaCl as the supporting electrolyte. The second one (E.S.II) consisted of boron doped diamond (BDD) and stainless steel electrodes and Na2SO4 as the supporting electrolyte. These schemes were optimized to enhance COD removal with the lowest operational costs. The 71.4% and 73.7% of COD reduction were achieved by E.S.I and E.S.II, respectively, with operational cost of 10.8 and 8.4 USD/m3. Moreover, the E.S.I and E.S.II let to remove 65% and 72 % of the Total Organic Carbon (TOC) while the color removal was higher than 96%. Finally, this research showed that both of the sequential schemes yielded a non-toxic effluent for aquatic organisms sensitive to pollution.