Evaluación y diseño de Sistemas de Depuración Natural (SDN) aplicados en los efluentes de la industria azucarera en Mozambique

Abstract

Con el aumento de las actividades humanas, especialmente de la agroindustria, se ha producido un incremento del consumo de agua, ya que ésta se encuentra distribuida en el planeta tierra de la siguiente manera: el 97,5% del agua del mundo es salada y no es apta para nuestro consumo directo ni para regar cultivos, y sólo el 2,5% es agua dulce, la mayor parte de la cual (69%) es de difícil acceso por estar concentrada en los glaciares, el 30% es agua subterránea (almacenada en acuíferos) y el 1% está en los ríos, que es la parte útil. Por ello, cualquier proyecto que implique la reducción o la reutilización del agua reviste una importancia fundamental. La reutilización planificada ya es adoptada por muchas empresas en todo el mundo, favoreciendo la reducción del consumo de agua, además de reducir el grado de contaminación que puede causar al medio ambiente. Teniendo esto en cuenta, este estudio tuvo como objetivo caracterizar el efluente de una industria alimentaria en Mozambique (Açucareira de Moçambique-Mafambisse), una industria azucarera situada en el distrito de Dondo, al sur de la ciudad de Beira, a 1 km de la carretera nacional nº 6 (EN6). La azucarera está gestionada por la empresa Tongaat Hulett desde 1996. A Tongaat Hulett es una empresa sudafricana que opera en el sector azucarero en varios países del país: Mozambique, Botsuana, Sudáfrica, Suazilandia, Zimbabue y Namibia. En Mozambique, Tongaat Hulett tiene fábricas en Xinavane, provincia de Maputo, y en el puesto administrativo de Mafambisse, distrito de Dondo, provincia de Sofala, con la misión de promover los servicios y productos derivados de la caña de azúcar, haciéndolos cada vez mejores, buscando la satisfacción del cliente y el desarrollo del país, cuidando y protegiendo siempre el medio ambiente. Normalmente, la industria azucarera se compone de dos sectores productivos: el sector agrícola, es decir, la plantación de caña de azúcar, y el sector de transformación (fábrica). El agua se extrae del río Púngue para enfriar máquinas, rodamientos, molinos, calderas y, en algunos casos, incluso en el área de proceso y otras actividades que utilizan agua. Sin embargo, esta empresa, que pertenece al sector Alimentos, específicamente al sector de producción de azúcar, no cuenta con un sistema de tratamiento y vierte sus efluentes, ya sea en los tres estados físicos del material, directamente al medio ambiente. Con este trabajo, el objetivo inicial fue analizar el efluente generado por la empresa, caracterizarlo, diseñar un sistema de tratamiento, con miras a su reutilización. Se realizaron análisis de los efluentes de todas las áreas de producción de la fábrica, es decir, calderas, talleres y bombas, y se diagnosticó su composición para evaluar el grado de contaminación. Los parámetros elegidos para el análisis fisicoquímico fueron DBO, DQO, Cloruros, Fósforo total, Nitrógeno total, Sólidos en suspensión, Sólidos volátiles, Sólidos totales, Sólidos fijos, pH, Carbono orgánico total y turbidez. Para la caracterización microbiológica se analizaron Coliformes Totales y Coliformes Termotolerantes. Después de analizar las características de estos efluentes de acuerdo con la literatura, se han agrupado en la clase de efluentes considerados biodegradables, de ahí la búsqueda de técnicas apropiadas para su tratamiento adecuado, que comienza con la eliminación de la materia orgánica presente en estas aguas residuales, que puede llevarse a cabo mediante procesos físicos, químicos y biológicos. Los efluentes biodegradables son aquellos que pueden ser fácilmente degradados por organismos vivos como hongos, bacterias presentes en el suelo, agua y aire. Los principales objetivos de este trabajo fueron, en primer lugar, desarrollar un sistema de tratamiento de efluentes a pequeña escala utilizando un biofiltro sostenible, que permitiera, en principio, analizar la parte físico-química de cualquier sistema de tratamiento de aguas residuales, inculcar en las comunidades una ideología de cómo manejar los residuos sanitarios en el entorno inmediato y, a partir de ahí, se desarrollaron varios modelos de tratamiento para que los fenómenos biológicos y físico-químicos se produzcan simultáneamente en sistemas con un mayor flujo de efluentes, como los sistemas municipales y de la industria alimentaria. En el segundo, se analizaron las aguas residuales de la industria azucarera y, considerando sistemas con mayores caudales de agua, con base en las características encontradas, se analizó el método ideal para el proceso de degradación, como lagunas, reactores aeróbicos y anaeróbicos, humedales, así como sistemas de lodos activados, y entre ellos, se encontró el método más económico y ambientalmente aceptable. También se analizó la eficacia de los sistemas de tratamiento en uso en las instalaciones industriales para determinar su mayor eficiencia y viabilidad económica. Para las industrias que no disponen de sistemas de tratamiento, como las azucareras, se dimensionó el sistema de tratamiento más adecuado para su implantación. Finalmente, dependiendo de las características del agua y su biodegradabilidad, se diseñaron sistemas para brindar un mejor modelo de tratamiento a estos efluentes. Como referencia, los sistemas de tratamiento que utilizan lagunas anaerobias/aeróbicas, o incluso un sistema asociado de éstas, son los que proporcionan una mayor eficiencia en la remoción de la carga contaminante, requiriendo únicamente la disponibilidad de espacio para su construcción. Este documento se ha dividido en cuatro partes: La primera incluye el consentimiento de los coautores de los artículos para su inclusión en la tesis. La segunda parte está dedicada a la Introducción. Comienza con la historia y caracterización del objeto de estudio y destaca la importancia de los sistemas naturales de depuración (SEN) en la actualidad. La elección de este tipo de tecnología en las zonas rurales es cada vez mayor, tanto en la ciudad de Beira como en el país (Mozambique) y en todo el mundo. Esta parte también describe los objetivos y presenta los manuscritos publicados, las razones de esta Tesis por Compendio tiene Publicaciones. Posteriormente, el capítulo que justifica la Unidad Temática de la Tesis muestra cómo se desarrolló la investigación a través de los diferentes artículos publicados. Finaliza con el Estado del Arte, donde se presenta el conocimiento sobre los modelos que se han desarrollado en torno a SDN y se plantea la necesidad de aportaciones en futuros trabajos. La tercera parte de esta tesis comienza con una presentación de los artículos publicados, que se han organizado cronológicamente según su fecha de publicación. Esta sección se completa con resúmenes en español de cada uno de estos manuscritos. La cuarta y última parte describe las conclusiones, así como las posibles aportaciones que podrían desarrollar otros grupos de investigación en futuros trabajos.

With the increase in human activities, especially in the agro-industry, there has been an increase in water consumption, since it is distributed on planet Earth in the following way: 97.5% of the world's water is salty and is not suitable for our direct consumption or for irrigating crops, and only 2.5% is fresh water, most of which (69%) is difficult to access because it is concentrated in glaciers, 30% is groundwater (stored in aquifers) and 1% is in rivers, which is the useful part. Therefore, any project that involves the reduction or reuse of water is of fundamental importance. Planned reuse is already adopted by many companies around the world, favoring the reduction of water consumption, in addition to reducing the degree of pollution that it can cause to the environment. With this in mind, this study aimed to characterize the effluent from a food industry in Mozambique (Açucareira de Moçambique-Mafambisse), a sugar mill located in the district of Dondo, south of the city of Beira, 1 km from the national road no. 6 (EN6). The sugar mill is managed by the company Tongaat Hulett since 1996. Tongaat Hulett is a South African company operating in the sugar sector in several countries in the country: Mozambique, Botswana, South Africa, Swaziland, Zimbabwe and Namibia. In Mozambique, Tongaat Hulett has factories in Xinavane, Maputo province, and in the administrative post of Mafambisse, Dondo district, Sofala province, with the mission of promoting services and products derived from sugar cane, making them better and better, seeking customer satisfaction and the development of the country, always caring for and protecting the environment. Normally, the sugar industry is made up of two productive sectors: the agricultural sector, that is, the sugar cane plantation, and the transformation sector (factory). Water is extracted from the Púngue River to cool machines, bearings, mills, boilers and, in some cases, even in the process area and other activities that use water. However, this company, which belongs to the Food sector, specifically the sugar production sector, does not have a treatment system and discharges its effluents, whether in the three physical states of the material, directly into the environment. The initial objective of this work was to analyse the effluent generated by the company, characterise it and design a treatment system with a view to its reuse. Analysis was carried out on the effluent from all production areas of the factory, i.e. boilers, workshops and pumps, and their composition was diagnosed to assess the degree of contamination. The parameters chosen for physical-chemical analysis were BOD, COD, Chlorides, Total Phosphorus, Total Nitrogen, Suspended Solids, Volatile Solids, Total Solids, Fixed Solids, pH, Total Organic Carbon and turbidity. For the microbiological characterization, Total Coliforms and Thermotolerant Coliforms were analyzed. After analyzing the characteristics of these effluents according to the literature, they have been grouped in the class of effluents considered biodegradable, hence appropriate techniques are sought for their adequate treatment, which begins with the removal of organic matter present in these wastewaters, which can be carried out by physical, chemical and biological processes. Biodegradable effluents are those that can be easily degraded by living organisms such as fungi and bacteria present in soil, water and air. The main objectives of this work were, firstly, to develop a small-scale effluent treatment system using a biodigester. This system initially analyzes the physical-chemical part of any wastewater treatment system, to raise awareness in communities about how to handle sanitary waste to the nearest environment and from there, several treatment models were developed so that biological and physical-chemical phenomena occur simultaneously in systems with a higher effluent flow, such as municipal and food industry systems. Second, various water treatment processes were analyzed, whether potable, sanitary or industrial, such as lagoons, aerobic and anaerobic reactors. The effectiveness of the treatment systems in use in industrial facilities was also analyzed to determine their greater efficiency and economic viability. For industries that do not have treatment systems, such as sugar mills, the most appropriate treatment system was sized for their implementation. Finally, systems will be sized for a better effluent treatment model in these treatment systems, which due to their biological characteristics and their level of degradability, use anaerobic and aerobic lagoons, or even an associated system of these, in order to provide greater efficiency in the removal of the pollutant load. This document was divided into four parts: The first Part includes the consent of the co-authors of the articles for their inclusion in the thesis. The second part is dedicated to the Introduction. It begins with the history and characterization of the object of study and highlights the importance that Natural Purification Systems (NSS) currently have. The choice of this type of Technology in rural areas is increasing, both in the city of Beira, in the country (Mozambique), and throughout the world. This part also describes the objectives and presents the published manuscripts, reasons for this Thesis to have Publications. Later, in the chapter justifying the Thematic Unit of the Thesis, the development of the research was shown through the different articles published. It ends with the State of the Art, where knowledge about the models that were developed around SDN is presented and the need for contributions in future work is raised. The third part of this Thesis begins with the presentation of the published articles, which were organized chronologically, according to the date of their publication. This section is completed with the abstracts in Spanish of each of these manuscripts. The fourth and last part describes the final conclusions, as well as the possible contributions that can be developed by other research groups in future work.