Se modeló agua residual de la industria de café soluble con características similares a la industria. Cabe mencionar que el agua residual se recolectó de una de las industrias de café instantáneo del país, ubicada en la provincia de Manabí. El sustrato inicialmente es una solución concentrada, mediante la adición de 20 g de café tostado y molido (Fernández y Foster 1993), en 1 L de agua destilada sometida a calentamiento hasta ebullición, posteriormente se filtra la solución mediante gasa fina.

Se definió el volumen de agua destilada de acuerdo a la ecuación 1 propuesta por Morales y Vera (2018), para modelar el efecto de dilución en la muestra concentrada a partir de un balance de materia y fijar la carga orgánica expresada como DQO en 7500 mg/L.

[1]

Donde:

: Volumen de agua añadida, ml

: Volumen de agua concentrada, ml

: Demanda química de oxígeno inicial, mg/L

: Demanda química de oxígeno final, mg/L

El inóculo se recolectó de un reactor anaerobio del tratamiento de residuos de la industria atunera, se almacenó en un envase de 20 L herméticamente sellado y transportado a las instalaciones del laboratorio. Se realizó proceso de desgasificación para evitar el ingreso de oxígeno al sistema durante 30 días, se aclimató alimentando semanalmente con solución de agua residual modelada con una concentración del 25% (p/v) en sacarosa.

Para su caracterización se tomó una muestra representativa para realizar sólidos suspendido volátiles (SSV); según la norma alemana VDI 4630 (2006) la cual indica que la cantidad de sólidos volátiles debe ser ≥50% para ser inoculado en los reactores, caso contrario se continúa alimentando hasta alcanzar dicho valor.

Los reactores de los SM y SB son de tipo FAFA, está construido de acero inoxidable de 2 mm de espesor. Poseen una altura de 35 cm y un diámetro de 14 cm, a su vez está recubierto de un cilindro de 23 cm de diámetro y 24,5 cm de alto; este último actúa como un sistema de calentamiento mediante una resistencia; como medio de empaque se utilizó tubería corrugada PVC de 2,5 cm de alto, 15 mm de diámetro exterior, 11 mm de diámetro interior y 0,55 g de peso. El volumen de reacción calculado fue de 3,956 L.

En el SM se desarrolló las cuatro fases del proceso de DA simultáneamente en un único reactor (Hid, Aci, Ace y Met), como se muestra en la figura 1.

Figura 1
Reactor sistema monofásico

Mientras que en el SB se separan las fases de la siguiente manera: proceso en el primer reactor (Hid-Aci), proceso en el segundo reactor (Ace-Met), como se muestra en la figura 2.

Figura 2
Reactores sistemas bifásicos

Para el arranque del reactor se formuló una mezcla del 40% inóculo y 60% agua modelada en relación al volumen de reacción, sellando herméticamente el reactor, se estableció la temperatura de 35°C y se recirculó la mezcla mediante una bomba peristáltica Jebao DP-4 durante un periodo de 15 días para asegurar que la biomasa activa se adhiera al empaque.

Durante 7 días se alimentó de manera semicontinuo cada 24 h un caudal de 105,5 ml/d correspondiente a una carga orgánica volumétrica inicial (Bv) de 0,2 g L-1. d-1, culminado los 15 días se aumentó la Bv, de acuerdo a la estabilidad del proceso de DA. Adicionalmente el sistema de desplazamiento Boyle-Mariotte se conectó a la campana del reactor mediante una manguera de ¼ in donde circula biogás y entra en contacto directo con la solución del NaOH al 15% P/V.

Para mayor apreciación se llamó al reactor A donde se desarrolló la Hid-Aci y al reactor B donde se desarrolló la Ace-Met. Ambos reactores A y B son inoculados mediante la mezcla 40% inóculo y 60% agua modelada en relación al volumen de reacción. El reactor A se sometió a un tratamiento térmico (choque térmico) que consistió en aumentar la temperatura a 100 ± 2°C durante un periodo de 2 h (Valdez y Poggi, 2009); para contribuir al enriquecimiento de bacterias celulolíticas formadoras de esporas; posteriormente se estableció la temperatura de 35°C y se recirculó la mezcla mediante una bomba peristáltica Jebao DP-4 durante un periodo de 15 días para asegurar que la biomasa activa se adhiera el empaque.

Transcurrido 7 días se alimentó de manera semicontinua cada 24 h un caudal de 105,5 mL.d-1 correspondiente a una carga orgánica volumétrica inicial (Bv) de 0,2 g L-1 d-1, el efluente del reactor A alimenta al reactor B; culminado los 15 días se aumentó la Bv con base en la estabilidad que brinde el proceso en cuanto a sus variables de control. Ambos reactores poseen su propio sistema de desplazamiento Boyle-Mariotte, bajo el mismo principio de desplazamiento descrito en el SM.

Una vez estabilizados los reactores y el inóculo aclimatado, se incrementó periódicamente la carga orgánica volumétrica (Bv), en función de los resultados observados de las variables de control, para determinar el rendimiento de metano. Para establecer el caudal volumétrico y tiempo de retención hidráulico se utilizó las Ecuaciones 2; 3 y 4 propuestas por Diaz (2018).

[2]

Donde:

: Caudal másico, $\text{g}{\text{d}}^{\text{-1}}$

: Carga orgánica volumétrico,$\text{g}{\text{L}}^{\text{-1}}{\text{d}}^{\text{-1}}$.

: Volumen de reacción, L

El caudal volumétrico se define por la siguiente expresión:

[3]

Donde:

: Caudal másico, $\text{g}{\text{d}}^{\text{-1}}$

: Caudal volumétrico, $\text{L}{\text{d}}^{\text{-1}}$

: Carga orgánica, $\text{g}{\text{L}}^{\text{-1}}$

El tiempo de retención hidráulica (TRH) se define como:

[4]

Donde:

: Tiempo de retención hidráulica, d

: Caudal volumétrico, $\text{L}{\text{d}}^{\text{-1}}$

: Volumen de reacción, L

Los ensayos analíticos empleados en la investigación se realizaron según los métodos normalizados para el análisis de aguas residuales (APHA y WPCF, 2012) especificados en el cuadro 1.

Cuadro 1
Métodos aplicados según las variables en estudio

En la presente investigación se modeló agua residual de la industria de café soluble, con base en lo sugerido por García et al. (1995) y por Fernández y Forster (1993) quienes evalúan un extracto muy similar al proceso de producción de café instantáneo, con lo cual se obtuvo los siguientes resultados que se muestran en el cuadro 2.

En la caracterización del agua modelada se puede evidenciar un pH ácido 5,4, un DQO de 7500 mg/L y un índice de biodegradabilidad 0,55 producto de la relación entre DBO5/DQO, lo que indica que es un sustrato con capacidad para degradación biológica, de acuerdo a lo reportado por Crites y Tchobanoglous (2000).

Cuadro 2
Métodos aplicados según las variables en estudio

n=3 Promedio ± desviación estándar

Durante el período de adaptación de los reactores se caracterizó el inóculo obteniendo los valores reportados en el cuadro 3. De acuerdo a lo establecido por la VDI 4630 (2006) este inóculo cumple con los requisitos para el adecuado inicio de la DA, debido a que su contenido de los SV en base seca fue mayor al 50%.

Cuadro 3
Caracterización del inóculo

n=3 Promedio ± desviación estándar

Como se evidencia en el cuadro 4, según prueba de normalidad de Kolmogorov - Smirnov, las variables de seguimiento diario (rendimiento de metano, pH, AGV y FOSTAC) no siguen una distribución normal, por tanto, se realiza una prueba no paramétrica de U de Mann-Whitney.

Cuadro 4
Pruebas de normalidad para variables con seguimiento diario

No son significativamente diferentes (p>0.05)

En el cuadro 5, de resumen de los ADEVA explican que uno de los sistemas (SM o SB) provocan cambios altamente significativos en las variables respuestas estudiadas.

Cuadro 5
Pruebas de U de Mann-Whitney de muestras independientes para variables con seguimiento diario

No son significativamente diferentes (p>0,05)

Como se aprecia en el gráfico 1, se representan los sistemas evaluados en el eje “X” y al rendimiento de metano en el eje “Y”, el cual es expresado en dm³ CH₄/gDQO, los resultados obtenidos mediante la prueba de U de Mann-Whitney para el rendimiento de CH₄ son menor a 0,05, es decir se rechaza la hipótesis nula y se acepta la hipótesis alternativa, con lo que se determina estadísticamente diferencias significativas entre ambos sistemas. Lo que concuerda con Chinchilla (2013) reportando que valores de producción de metano en el SB es mayor al SM, debido a que el SB reúne las condiciones óptimas para la DA.

Gráfico 1
Comparación de gráficas de caja para rendimiento de metano entre los SM y SB

Existe datos atípicos que se evidencian en el gráfico 1, por lo que se procede a realizar la prueba de Moses para constatar la significancia de dichos valores, en el cuadro 6 se evidencia estadísticamente que los valores atípicos del SM son altamente significativos como se muestra en el gráfico 2.

Cuadro 6
Pruebas de Moses de reacción extrema de muestras independientes para rendimiento de CH4

Gráfico 2
Comparación de gráficas en prueba de Mosses para rendimiento de metano entre los SM y SB

Como se aprecia en el gráfico 3, los valores de pH obtenidos mediante la prueba de U de Mann-Whitney para el pH presentaron diferencias significativas (p≥0,05).

El SB presentó mayor estabilidad de los resultados de pH en comparación a los del SM, debido a que durante la separación de fases del SB en el reactor acidogénico los compuestos orgánicos solubles son convertidos en ácidos orgánicos lo que facilita la DA en la siguiente etapa del reactor metanogénico, por lo cual es más fácil controlar un pH en donde la mayoría de su población de microorganismos se encuentra en ambiente neutro-alcalino, lo que concuerda con Göblös et al. (2008).

De similar manera Quintero y Rondón (2012) señalan que es muy importante mantener los valores de pH estable porque los cambios en este parámetro pueden afectar la población metanogénica que están presente en los lodos. Por tanto, Aristizábal (2015) plantea que se debe conocer la cantidad aproximada de base (NaOH) que debe ser agregada para neutralizar el sustrato. Adicionalmente, existen datos atípicos que se evidencian en el gráfico 3, por lo que se procede a realizar la prueba de Moses para contrastar la significancia de dichos valores mostrado en el gráfico 4.

Gráfico 3
Comparación de gráficas de caja para pH entre los SM y SB.

De acuerdo a la prueba de Moses del cuadro 7, los valores atípicos del sistema SB son altamente significativos. Los cuales son evidenciados en el gráfico 4.

Cuadro 7
Pruebas de Moses de reacción extrema de muestras independientes para Ph

Gráfico 4
Comparación de gráficas en prueba de Moses para pH entre los SM y SB

Como se aprecia en el gráfico 5, se representan los sistemas evaluados en el eje “X” y los valores de AGV en el eje “Y”, los resultados obtenidos mediante la prueba de U de Mann-Whitney son menor a 0,05; es decir se rechaza la hipótesis nula y se acepta la hipótesis alternativa, con lo que se determina estadísticamente diferencias significativas entre ambos SD, evidenciando el SB produce ligeramente mayores niveles de ácidos grasos volátiles (mg/L) con mayor estabilidad que en el SM, lo que concuerda con lo reportado por Ashley y Hurst (1981); Speece y Parking (1983) que establecen que la concentración de AGV no debe exceder de los 500 mg/L para el desarrollo óptimo del proceso metanogénico. De similar manera los valores mínimos del SB de la presente investigación son análogos a los reportados por Guardia (2012) en su estudio de DA en SB. Por otra parte, Bolte, Hill, y Wood (1986); Braun, Huber y Meyrath (1981) realizaron estudios con desechos de cerdos donde reportan valores menores de 10 y hasta 527mg/L.

Gráfico 5
Comparación de gráficas de caja para AGV entre los SM y SB

De acuerdo a la prueba de Moses del cuadro 8, los valores atípicos del sistema no son significativos, los cuales se pueden visualizar en el gráfico 6.

Cuadro 8
Pruebas de Moses de reacción extrema de muestras independientes para AGV

Gráfico 6
Comparación de gráficas en prueba de Mosesº para AGV entre los SM y SB.

Como se aprecia en la gráfico 7, se representan los sistemas evaluados en el eje “X” y los valores de FOSTAC en el eje “Y”, los resultados obtenidos mediante la prueba de U de Mann-Whitney son menor a 0,05; es decir se rechaza la hipótesis nula y se acepta la hipótesis alternativa, con lo que se determina estadísticamente diferencias significativas entre ambos SD, sin embargo los mejores valores de la relación de FOSTAC fueron efectuadas en el SB situándose entre 0,42 a 0,60 lo que concuerda con Lossie y Pütz (2011); Failla y Restuccia (2014) en donde mencionan que los rangos de FOSTAC es considerado estable cuando se encuentra entre 0,4 a 0,6 debido a que permite detectar a tiempo los problemas del proceso, hasta el inminente vuelco de la fase biológica del digestor, con lo que pueden tomarse contramedidas inmediatamente.

Gráfico 7
Comparación de pruebas U de Mann-Whitney para FOSTAC entre los SM y SB.

De acuerdo a la prueba de Moses del cuadro 9, los valores atípicos del sistema no son significativos, lo cual se aprecia en el gráfico 8.

Cuadro 9
Pruebas de Moses de reacción extrema de muestras independientes para FOSTAC

Gráfico 8
Comparación de gráficas en prueba de Moses para FOSTAC entre los SM y SB

Como se evidencia en el cuadro 10, según la prueba de normalidad de Shapiro Wills, la remoción de DQO únicamente sigue una distribución normal en el SM a diferencia que en concentración de metano se presenta una distribución normal en ambos SD.

Cuadro 10
Pruebas de normalidad para variables con seguimiento semanal

*. Este es un límite inferior de la significación verdadera.

a. Corrección de la significación de Lilliefors

No son significativamente diferentes (p>0,05)

Como se evidencia en el cuadro 11, según la prueba de homogeneidad de varianza, resultó significativa para la remoción de DQO, a diferencia de la concentración de metano que no presentó diferencia significativa.

Cuadro 11
Prueba de homogeneidad de varianza para variables con seguimiento semanal

Autores de la investigación No son significativamente diferentes (p>0,05)

La remoción de DQO no cumple con los supuestos de normalidad y homogeneidad de varianza por lo cual se utiliza una prueba no paramétrica, la prueba U de Mann-Whitney, en cambio la concentración de metano cumple con ambos supuestos, por tal antecedente se utiliza una prueba paramétrica de ADEVA.

En el cuadro 12 de resumen de los ADEVA se detalla que uno de los sistemas (SM o SB) provocan cambios altamente significativos en la remoción de DQO

Cuadro 12
Prueba de U de Mann-Whitney de muestras independientes para remoción de DQO

No son significativamente diferentes (p>0,05)

Como se aprecia en el gráfico 9, se representan los sistemas evaluados en el eje “X” y los valores de remoción de DQO en el eje “Y”, los resultados obtenidos mediante la prueba de U de Mann-Whitney son menor a 0,05; es decir se rechaza la hipótesis nula y se acepta la minúscula

hipótesis alternativa, con lo que se determina estadísticamente diferencias significativas entre ambos SD, por lo tanto, se evidencia que existe mayor remoción de DQO en el SB lo que concuerda con Guardia (2012) resaltando que un SB es más eficiente que un SM.

Gráfico 9
Comparación de gráficas de caja para remoción de DQO entre los SM y SB

En el cuadro 13, de resumen de ADEVA se evidencia que uno de los sistemas (SM o SB) provocan cambios altamente significativos en la concentración de metano.

Cuadro 13
Prueba de ADEVA para concentración de metano.

Se muestran las significancias asintóticas. El nivel de significancia es 0,05

Como se aprecia en la gráfico 10, se representan los sistemas evaluados en el eje “X” y los valores de concentración de metano en el eje “Y”, los resultados obtenidos mediante la prueba de ADEVA son menor a 0,05; es decir se rechaza la hipótesis nula y se acepta la hipótesis alternativa, con lo que se determina estadísticamente diferencias significativas entre ambos SD, evidenciando que el SM produce ligeramente mayor concentraciones de metano que en el SB, sin embargo, el rendimiento de metano es superior en el SB y los resultados concuerdan con valores similares reportados por Dinsdale et al. (1997); Scano et al. (2014) entre 45 a 60%, siendo así que ambos sistemas son considerados combustibles según Varnero (2011), el cual indica que valores por encima de 45% de concentración de metano son inflamables.

Gráfico 10
Comparación de medidas para concentración de metano entre los SM y SB

Adicionalmente, Guardia et al. (2014) en su estudio relacionado con digestión anaerobia de aguas residuales de café, obtuvo 61% de metano, encontrando concentraciones por encima de la presente investigación.