UNIVERSIDAD DE CIENCIAS Y ARTES DE CHIAPAS FACULTAD DE CIENCIAS DE LA NUTRICIÓN Y ALIMENTOS TESIS PROFESIONAL CARACTERIZACIÓN DE AGUAS RESIDUALES DE LA INDUSTRIA ACEITERA CHIAPANECA Y SUS EFECTOS AL SUELO QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN PRODUCCIÓN DE ALIMENTOS PESQUEROS PRESENTA ADI LOURDES PÉREZ RAMÍREZ ASESOR BIÓLOGO FRANCISCO JAVIER ESPINOSA NIÑO Acapetahua, Chiapas Mayo 2015 AGRADECIMIENTOS A Dios por darme la oportunidad de realizar uno más de mis sueños y por cuidar de mis pasos. A la industria Aceitera Chiapaneca por su colaboración y apoyo en el proyecto. Biólogo Francisco Javier Espinosa Niño quien dedicó tiempo y esfuerzo al proyecto, comprometiéndose día a día, brindándome su asesoría, su amistad y apoyo para que esto fuera posible. M. en C. Emanuel Rivas Robles e Ing. Edelmi Tadeo Coronel por su colaboración, motivación y apoyo en el proyecto. A mis padres quienes sin condición alguna permanecen a mi lado, apoyando cada una de mis decisiones. A mi hermano Moisés y su familia, por su cariño y apoyo durante todo el proyecto A mi amor… Ervin Hernández Cruz por estar a mi lado, brindándome su amor y comprensión. CONTENIDO INTRODUCCIÓN ...........................................................................................................................1 JUSTIFICACIÓN .............................................................................................................................3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................................................4 OBJETIVOS ......................................................................................................................................5 OBJETIVO GENERAL ..................................................................................................................5 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .........................................................................................................5 MARCO TEÓRICO .........................................................................................................................6 ANTECEDENTES ..........................................................................................................................6 DESCRIPCIÓN DE LA PALMA AFRICANA ..........................................................................8 Raíces ...................................................................................................................................................8 Tronco o estípite ................................................................................................................................9 Hoja......................................................................................................................................................9 Inflorescencias ................................................................................................................................. 10 Racimo .............................................................................................................................................. 10 Fruto ................................................................................................................................................. 11 PROCESO DE EXTRACCIÓN DE ACEITE DE PALMA AFRICANA ........................ 12 Recepción de la fruta fresca ........................................................................................................... 12 Esterilización ................................................................................................................................... 13 Desfrutado ....................................................................................................................................... 13 Digestión .......................................................................................................................................... 13 Prensado ........................................................................................................................................... 13 Clarificación ..................................................................................................................................... 14 TIPOS DE RESIDUOS GENERADOS DURANTE EL PROCESO DE EXTRACCIÓN DE ACEITE DE PALMA AFRICANA ..................................................... 15 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES DE UNA EXTRACTORA DE ACEITE DE PALMA AFRICANA..................................................... 15 Sólidos disueltos .............................................................................................................................. 15 Sólidos en suspensión..................................................................................................................... 16 Olores ............................................................................................................................................... 16 Color ................................................................................................................................................. 16 Turbidez ........................................................................................................................................... 16 Temperatura..................................................................................................................................... 17 Conductividad eléctrica (CE) ........................................................................................................ 17 Dureza total ..................................................................................................................................... 17 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES DE UNA EXTRACTORA DE ACEITE DE PALMA AFRICANA..................................................... 18 Materia orgánica .............................................................................................................................. 18 Demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) .................................................................................. 18 Demanda química de oxígeno (DQO) ........................................................................................ 18 Grasas y aceites................................................................................................................................ 18 Materia inorgánica.......................................................................................................................... 19 Sulfuros de hidrógeno (H2S).......................................................................................................... 19 Metano (CH4) .................................................................................................................................. 19 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DEL SUELO ........................................................................ 20 Textura.............................................................................................................................................. 20 Densidad aparente (Da) ................................................................................................................. 20 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS DEL SUELO ................................................................... 21 Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC) ................................................................................ 21 Potencial de hidrógeno (pH) ......................................................................................................... 21 MANEJO DE EFLUENTES DE UNA PLANTA EXTRACTORA DE ACEITE DE PALMA AFRICANA .................................................................................................................... 21 HIPÓTESIS .................................................................................................................................... 24 METODOLOGÍA ......................................................................................................................... 25 DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN ...................................................................................... 25 ÁREA DE ESTUDIO ................................................................................................................... 25 MUESTRA ...................................................................................................................................... 26 Toma de muestra para estimar el volumen de las descargas de aguas residuales .................. 26 Toma de muestra de agua .............................................................................................................. 26 Toma de muestra de suelo ............................................................................................................. 26 MUESTREO ................................................................................................................................... 27 Volumen de las descargas .............................................................................................................. 27 Agua residual ................................................................................................................................... 27 Suelo.................................................................................................................................................. 27 VARIABLES ................................................................................................................................... 28 INSTRUMENTO DE MEDICIÓN .......................................................................................... 29 Volumen de las descargas .............................................................................................................. 29 Análisis de aguas residuales ........................................................................................................... 29 Análisis de suelo .............................................................................................................................. 29 DESCRIPCIÓN DE LAS TÉCNICAS...................................................................................... 30 Determinación de temperatura NMX-AA-007-SCFI-2000...................................................... 30 Determinación de pH, conductividad eléctrica, sólidos solubles totales ................................ 30 Determinación del contenido de lodos........................................................................................ 30 Determinación de grasas y aceites método Soxhlet ................................................................... 31 Determinación de demanda bioquímica de oxígeno (DBO5)................................................... 33 Determinación de densidad aparente en suelo método de núcleo .......................................... 35 Determinación de pH en suelos ................................................................................................... 36 Determinación de materia orgánica (MO) en suelo método de calcinación .......................... 36 PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS .......................................................... 38 Volumen de descarga de agua residual ........................................................................................ 38 Características físico-químicas del agua residual......................................................................... 39 Relación entre calidad del agua residual y características del suelo .......................................... 42 CONCLUSIONES......................................................................................................................... 47 RECOMENDACIONES ............................................................................................................. 48 LITERATURA CITADA ............................................................................................................. 49 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Toma de muestra de las descargas de aguas residuales .............................................. 26 Tabla 2. Agua residual generada en la planta extractora la Chiapaneca .................................. 38 Tabla 3. Parámetros físico-químicos de las aguas residuales liberadas en el proceso de extracción de aceite de palma africana ......................................................................................... 39 Tabla 4. Lodos, grasas y aceites y DBO5 de aguas residuales de Industria Aceitera Chiapaneca. ...................................................................................................................................... 40 Tabla 5. Análisis de suelo (pH, MO y Da) .................................................................................. 42 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Raíces de palma africana (13)...........................................................................................9 Figura 2: Hoja de palma africana (13). ......................................................................................... 10 Figura 3: Racimo de palma africana (13). .................................................................................... 11 Figura 4: Fruto de palma africana (13). ........................................................................................ 12 Figura 5: Diagrama de flujo del proceso de extracción de aceite de palma africana ............. 14 Figura 6. Concentración de pH de agua residual y de suelo .................................................... 43 Figura 7. Grasas y aceites y Densidad aparente .......................................................................... 44 Figura 8. Demanda bioquímica de oxígeno y Materia orgánica ............................................... 46 INTRODUCCIÓN La actividad productiva es uno de los pilares fundamentales del desarrollo económico, sin embargo, los residuos generados y el excesivo consumo de los recursos naturales, pueden llegar a constituirse en agentes de deterioro del medio ambiente. Las industrias alimentarias dentro de sus actividades generan gran cantidad de residuos, éstos dependen del tipo de materia prima así como de las técnicas de procesamiento. El estado de Chiapas cuenta con plantas extractoras de aceite de palma africana donde se maneja un solo sistema de producción. Se trata de un sistema agroindustrial integral, que inicia con la producción de las plantas de palma y concluye en el proceso de extracción de aceite rojo, entre los cuales se da una serie de procesos que abarcan desde la recepción de la fruta, esterilización, desfrutado, digestión, prensado y clarificación (1). Durante la extracción de aceite se generan residuos sólidos como las tusas o racimos vacíos, resultado del desfrutado de los racimos esterilizados de palma, la fibra resultante del prensado del fruto, el cuesco obtenido del rompimiento de la nuez, las cenizas producidas por la quema de fibra y cuesco en las calderas. Se generan residuos líquidos como los condensados de esterilización y de clarificación que resultan de la eliminación de impurezas. El objetivo de la presente investigación es evaluar la cantidad y calidad de las aguas residuales generadas en el proceso de extracción de aceite de palma africana y determinar el efecto en las características del suelo, identificando características físicas como: sólidos, temperatura, densidad aparente. Químicas tales como: DBO5, grasas y aceites, lodos, materia orgánica y pH (2). La industria aceitera Chiapaneca en su proceso de extracción de aceite de palma africana es generadora de cantidades considerables de residuos sólidos, líquidos y gaseosos, los cuales no tienen una disposición adecuada, por tal motivo provoca serios daños en el medio ambiente. Durante los análisis físicos y químicos realizados a las aguas residuales se obtuvieron los siguientes resultados: temperaturas con valores de 55-70 °C, pH ácidos con valores de 4-5 unidades, demanda bioquímica de oxígeno de 31 875 mg/L, grasas y aceites con niveles de 899 895.19 mg/L, que rebasan los límites permisibles según la NOM-001SEMARNAT-1996. Estas características presentes en el agua residual, alteran propiedades 1 del suelo donde son liberadas, tales como densidad aparente obteniendo valores de 0.871.31 g/cm3, pH ácidos de 4-5 unidades y materia orgánica con valores de 12-97%. Los parámetros evaluados nos permiten identificar que las condiciones en las que se liberan los efluentes son inadecuadas, asumiendo que el proceso de extracción de aceite es ineficiente y es él que determina la calidad y cantidad de las descargas, por consiguiente, al ser arrojados al medio ambiente determinan la calidad del suelo. La relación que existe entre los residuos y el medio ambiente es inevitable por tanto es de vital importancia conocer las características físico-químicas de las aguas residuales generadas en el proceso de extracción de aceite de palma e identificar los efectos que tienen sobre los recursos naturales principalmente en el suelo. 2 JUSTIFICACIÓN En el caso particular las industrias extractoras de aceite de palma africana generan durante el proceso de extracción de aceite varios residuos sólidos y líquidos, mismos que causan un gran impacto al ambiente. Los efluentes pueden ir en un rango de 0.6 a 1 tonelada de efluente por cada tonelada de racimos de fruto fresco (RFF) procesadas. La mala disposición de este desecho provoca un deterioro físico en el suelo, en el aire genera malos olores, modifica el hábitat de los animales y la contaminación de su alimentación. En el agua afectan ríos y lagos con las infiltraciones en los mantos acuíferos provocando con esto posibles enfermedades en el ser humano como infecciones intestinales. La planta extractora Chiapaneca no cuenta con un área adecuada de disposición de residuos líquidos, y se teme que exista la contaminación de manera directa de la materia prima, afectando la seguridad y la calidad de un producto terminado, por tal motivo los palmicultores buscan que el problema de contaminación sea atendido. Es así como Ingenieros en Producción de Alimentos Pesqueros se piensa en un producto terminado y en el impacto que ocasiona con sus desechos al ser arrojados al ambiente, por no contar con las características adecuadas de liberación. Se realizó la evaluación físicoquímica de las aguas residuales de la industria aceitera chiapaneca, para conocer sus características y los posibles daños que pueden ocasionar al ser liberados sin un tratamiento adecuado. 3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La producción industrial aporta bienes, servicios y empleos a la economía, pero es también una fuente importante de contaminación y residuos. La interacción que tiene la industria y el medio ambiente es absolutamente inevitable y debe intentarse en cada caso reducir al máximo sus efectos negativos, ya que extraen del medio una cantidad considerable de recursos y devuelven a él grandes cantidades de desechos los cuales no son tratados antes de ser liberados. La extracción de recursos naturales para la producción ocasiona efectos perjudiciales sobre el medio ambiente en las comunidades con las que se relacionan. En particular las industrias extractoras de aceite de palma africana utilizan materia prima, insumos, energía y agua, generando grandes volúmenes de residuos y perjuicios en el ambiente. En la industria aceitera Chiapaneca, el sistema de extracción del aceite contempla los procesos de esterilización, desfrutado, digestión, prensado y clarificación en los cuales se generan residuos de tipo sólido, líquido y gaseoso, sin embargo, el problema se acentúa debido a la mala disposición final de los residuos líquidos. Al finalizar el proceso de extracción de aceite de palma se genera agua residual con altas temperaturas en un promedio de 70 °C, con un contenido elevado de grasas y lodos, mismas que son transportadas y liberadas hacia las lagunas de oxidación, sin embargo la ineficiencia del proceso de extracción, las características físicas y químicas de las aguas liberadas y la disposición final de los residuos líquidos en las lagunas de oxidación pueden ocasionar efectos adversos en los recursos debido a que no son adecuadas para ser liberadas, provocando con ello un desequilibrio entre la sociedad y en el medio donde son derramados. 4 OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL - Evaluar el volumen y calidad de las aguas residuales generadas en el proceso de extracción de aceite de palma africana y determinar el efecto en las características del suelo. OBJETIVOS ESPECÍFICOS - Estimar el volumen de las descargas de aguas residuales generadas en el proceso de extracción de aceite de palma africana. - Evaluar las características físico-químicas de las aguas residuales generadas en el proceso de extracción de aceite de palma africana. - Establecer la relación entre la calidad de las aguas residuales generadas en el proceso de extracción de aceite de palma africana y las características del suelo donde son derramadas. 5 MARCO TEÓRICO ANTECEDENTES Entre los diferentes enfoques que existen para definir a la agroindustria se dice que es una actividad que integra la producción primaria agrícola, pecuaria o forestal mediante un proceso de beneficio o transformación. Sin embargo, también es la tendencia mundial en el notable crecimiento en generación de residuos, derivados del incremento de productos comercializables. Se entiende por residuo a aquellos que pueden tener o no un valor comercial, porque son poco comunes o porque se generan en bajas cantidades; que al buscar una oportunidad de aprovechamiento, se hace necesaria su caracterización para conocer su composición, la calidad de sus componentes y la cantidad que se genera, con esto se pueden definir las tecnologías más apropiadas para su aprovechamiento y posterior tratamiento. El problema al que se enfrentan los residuos agroindustriales es que no existe una clara conciencia ambiental para su manejo, además de que falta capacidad tecnológica y recursos económicos para darles un destino final (3). Los distintos desechos que se producen en los sectores productivos causan serios daños al ambiente; es por ello que las empresas, independientemente del sector al cual pertenecen, su tamaño y organización, están obligados a lograr un desempeño ambiental aceptable de acuerdo a los criterios establecidos a nivel local, nacional e internacional. Para ello es necesario que adopten alguna modalidad de sistema de gestión ambiental o un proceso continuo interactivo que involucra estructura, responsabilidades, prácticas, procedimientos, procesos, recursos, objetivos y metas ambientales (4). En lo que se refiere a palma africana, en los estados de Chiapas, Veracruz, Tabasco y Campeche, existen 10 plantas extractoras de aceite las cuales siete están ubicadas en Chiapas. Siete son privadas, una más es mixto y sólo una es de capital social (5). Por el sistema de producción y proceso de extracción de aceite de palma africana que manejan, generan varios subproductos mismos que causan un gran impacto al ambiente, entre estos tenemos los efluentes y los residuos sólidos (6). 6 Cabe mencionar que la cantidad de los residuos líquidos y sólidos dependen de la industria y del proceso por tanto sus efectos dependerán del estado en que se encuentren los residuos al ser arrojados al ambiente y la composición del sitio donde son derramados (7). Existen tratamientos que pueden ayudar a mejorar las características de las descargas, disminuyendo el impacto que ocasionan al ambiente, en la población y en los trabajadores. En el caso de las industrias de medicamentos enfrentan un reto al generar residuos químicos los cuales son difíciles de tratar y de eliminar. Afectando con esto los recursos hídricos, en especial los antibióticos que han sido detectados en lagos y corrientes de diferentes partes del mundo, provocando el aumento de la toxicidad de los organismos acuáticos y el surgimiento de especies de bacterias con resistencia antibiótica (8). El adecuado funcionamiento del manejo de efluentes utilizando prácticas de producción más limpia, mitiga y evita posibles impactos ambientales, para esto se realizan actividades preventivas de los impactos ambientales, acompañados de un preciso monitoreo de las mismas, basadas en planes de manejo de residuos, mantenimiento y planes de emergencia. En la actualidad se realiza aislamientos de microorganismos para usarlos en diferentes procesos como biorremediación, biosíntesis de enzimas, producción de biofertilizantes, que se han desarrollado para disminuir el impacto ocasionado al ambiente en los diferentes procesos industriales (9), de acuerdo a la NOM-001-SEMARNAT-1996 que establece los límites máximos permisibles para las descargas de aguas residuales con el objeto de proteger su calidad y posibilitar sus usos. La realidad es que muchas empresas tratan sus problemas medioambientales en un nivel muy superficial. La protección del medio ambiente, potenciada por la nueva conciencia ecológica y por la presión social, tiene como objetivo ofrecer amplias posibilidades económicas y de nuevos mercados. Es por esto que debemos utilizar métodos o técnicas que ayuden al mayor aprovechamiento de las materias primas, para obtener productos de mejor calidad y así minimizar en gran medida los residuos generados durante su procesado o transformación. 7 DESCRIPCIÓN DE LA PALMA AFRICANA La palma africana tiene su centro de origen en la región occidental y central del continente Africano, iniciándose su propagación a mínima escala a través del tráfico de esclavos a comienzo del siglo XVI, en navíos portugueses en los que llego a las costas de Brasil. Conocida también como palma africana por ser nativa de la región del golfo de Guinea de dicho continente. Si bien ha sido utilizada por el hombre desde hace 5000 años, durante los últimos 80 años se ha expandido enormemente en los trópicos del Sur de Asia, Oriental y América (10). La palma africana es una planta perenne, tiene 16 pares de cromosomas y es una planta monocotiledónea, esto significa que su semilla tiene sólo un cotiledón o almendra. Pertenece al orden de las palmales y a la familia Palmaceae, es una planta monoica; las flores masculinas y femeninas se producen independientes, aunque en una misma palma, es alegama, pues su polinización es cruzada (11). Existen dos especies del género de interés económico, la palma (Elaeis guineensis) y la palma americana (E. oleífera). Las plantaciones comerciales del mundo están sembradas casi exclusivamente con E. guineensis, mientras que la E. oleífera es importante en los programas de mejoramiento genético para la obtención de híbridos al cruzarla con la E. guineensis, el cual es resistente a enfermedades y produce un aceite más limpio (12). El cultivo de palma africana presenta las siguientes características físicas: Raíces Poseen raíces de anclaje, raíces primarias, secundarias y terciarias. Las raíces en su mayor parte son horizontales. Se encuentran en los primeros 50 cm del suelo, las raíces primarias descienden en el suelo y algunas llegan hasta a 4.5 m de la superficie, el número es muy variado y continúan produciéndose a lo largo de la vida de la planta. Las raíces se encuentran en las interlineas, como a 3 o 4 m de la palma. 8 Raíz primaria larga Bulbo Cabelleras de raíces absorbentes Raíces primarias cortas Raíces secundaria Figura 1: Raíces de palma africana (13). Tronco o estípite Un solo punto de crecimiento, es de forma cilíndrica y cubierto con las bases de las hojas de los años anteriores, el diámetro es normalmente de 45-68 cm, la circunferencia es más o menos de 355 cm, pero la base comienza más gruesa (14). Hoja Miden de 7-8 m de largo en condiciones normales, las palmas adultas tienen entre 30 y 49 hojas funcionales. Comprende los siguientes componentes: el peciolo, mide 1.15 m de largo y corresponde a la parte de la hoja entre el tronco y el punto de inserción del primer foliolo verdadero y está provisto de espinas. El raquis que mide de 5-6 m de largo, es asimétrico transversalmente, proporciona sostén a los folíolos insertos en las caras laterales. Los foliolos (hojas pinnadas) están insertados en dos hileras a cada lado del raquis. Cada hoja contiene alrededor de 150-250 foliolos, cada uno con una nervadura central y una lámina. Los foliolos miden de 30-50 cm de ancho en el punto medio y 80-120 cm de largo (15). 9 Espina Pecíolo Folíolo Rudimentario Folio Terminal Folio inferior Folíolo superior Raquis Figura 2: Hoja de palma africana (13). Inflorescencias La palma aceitera es monoica, es decir, las flores masculinas se desarrollan separadamente (en el tiempo) de las flores femeninas, pero siempre en la misma planta. Las inflorescencias masculinas y femeninas se forman en las axilas de las hojas; las primeras aparecen aproximadamente entre los 20 – 24 meses y es a partir de esa edad, en condiciones normales, que surgen una por cada hoja que se forma. Racimo El racimo puede ser de varias formas. Por lo general, es ovoide y posee un tamaño promedio de 35 cm de ancho por 50 cm de largo. El número de frutos producido en cada racimo varía con la edad y con el material genético. Su peso puede variar de 2 a 3 kg en palmas jóvenes y alcanzar hasta 100 kg por racimo en adultas. 10 Espiga con frutos Racimo maduro Raquis Figura 3: Racimo de palma africana (13). Fruto El fruto es una drupa sésil, ovoide, que presenta color oscuro o negro cuando está inmaduro y color predominantemente rojo en su madurez. Existen variaciones en el color y forma del fruto que son genéticamente controladas (16). La cantidad de aceite producido por una palma aceitera depende de dos factores: composición del racimo y calidad del fruto. 11 1: Estigma 2: Exocarpo 3: Mesocarpo o pulpa 4: Endocarpo o cuesco 5: Endospermo o almendra 6: Embrión 7: Dura 8: Pisífera 9: Ténera Figura 4: Fruto de palma africana (13). PROCESO DE EXTRACCIÓN DE ACEITE DE PALMA AFRICANA La extracción de aceite de palma africana se lleva a cabo mediante procesos mecánicos, para esto la materia prima tiene que pasar por diferentes etapas, las cuales se describen a continuación: Recepción de la fruta fresca Los racimos del cultivo de palma son pesados y clasificados de acuerdo a sus características de maduración. Son almacenados en la rampa para posteriormente ser depositados en góndolas para poder ser sometidos a esterilización. 12 Esterilización Los racimos se esterilizan con vapor de agua a una presión de 3 kg/cm2 durante 90 minutos, esto inactiva la enzima lipasa evitando el incremento de los ácidos grasos libres, debilita la unión entre los frutos y el racimo facilitando el desfrute, reduce la resistencia de los tejidos de la pulpa para extraer el aceite, deshidrata parcialmente las almendras contenidas en las nuez del fruto favoreciendo la posterior recuperación y minimiza el rompimiento de las nueces y el quebrado de las almendras durante el prensado. Desfrutado Los racimos esterilizados son alimentados por un extremo de un tambor cilíndrico horizontal rotatorio donde los frutos se desprenden y separan del racimo por la acción de los continuos golpes; los frutos sueltos son transportados mecánicamente a los digestores, mientras los racimos vacíos que salen por el otro extremo del tambor rotatorio, se llevan a la zona asignada para su disposición (17). Digestión El fruto es depositado en un cilindro llamado digestor el cual tiene unas paletas para macerar el fruto por medio de agitación circular, se aplica vapor de agua. Con el objetivo de desprender la pulpa de las nueces y romper las celdas para liberar el aceite que contienen y calentar la masa de los frutos y darle el contenido de humedad necesario para preparar la extracción. Prensado Cuando el fruto ha pasado por la digestión se procede a prensarlo. Se aplica agua a la salida del digestor y en la parte inferior de la prensa con el fin de lavar las fibras y lograr que la extracción de aceite sea eficiente, además se le da la dilución adecuada para realizar la separación en la sección de clarificación. La eficiencia del prensado depende de varios factores; la presión aplicada a los conos de los tornillos y el estado de desgaste que tienen los tornillos y conos. Del prensado salen dos productos; uno sólido y otro líquido. El sólido está compuesto por semilla del fruto y las fibras producidas en el proceso de prensado, el líquido es una mezcla de aceite, agua y lodos (18). 13 Clarificación Es el proceso mediante el cual se separa y purifica el aceite de la mezcla líquida extraída en la prensa, la cual contiene aceite, agua, lodos livianos (compuestos por pectinas y gomas) y lodos pesados (compuestos por tierra, arenas y otras impurezas). Para lograr dicha separación se aprovecha las características de inmiscibilidad entre el agua y el aceite. El aceite crudo de palma que entra a clarificación, teóricamente debe contener 35% de aceite, 5% de lodos ligeros, 35% de agua y 25% de lodos pesados. El proceso de clarificación se lleva a cabo en varias etapas, donde predomina el consumo de vapor como fuente calórica (19). Recepción de RFF Esterilizador Prensa Digestor Desfrutado Fruta Aceite crudo Condensados Racimos vacíos Efluentes líquidos Clarificador Tanque de almacenamiento Figura 5: Diagrama de flujo del proceso de extracción de aceite de palma africana 14 TIPOS DE RESIDUOS GENERADOS DURANTE EL PROCESO DE EXTRACCIÓN DE ACEITE DE PALMA AFRICANA En el proceso de extracción de aceite palma se generan varios subproductos de interés técnico y económico tanto para la planta como para el manejo agronómico del cultivo de palma de aceite. Entre ellos se pueden mencionar el raquis, resultado del desfrutado de los racimos esterilizados de palma, la fibra resultante del prensado del fruto, el cuesco obtenido del rompimiento de la nuez, las cenizas producidas por la quema de fibra y cuesco en las calderas (20). Se generan residuos líquidos como los condensados de esterilización que son el producto de la deshidratación que sufre el fruto en la etapa de cocimiento y los residuos líquidos de clarificación que resultan de la eliminación de impurezas, los efluente producidos en las plantas extractoras de aceite de palma, en proporción con la fruta procesada, oscilan entre 0.55 y 1.2 m3 de lodo/TMFP (fruto procesada), con un promedio de 0.83 m3 de lodo/TMFP (1). Por el volumen de efluentes y residuos que pueden generar y su ubicación con respecto a los cuerpos de agua superficiales; este sector agroindustrial puede adquirir una categoría tan importante como aquellos con mayor potencial de impacto ambiental de hecho, el sector ha sido calificado como aquél de impacto intermedio (tipo B) sobre la salud y el ambiente, y responsable de aproximadamente el 50% de las descargas líquidas (4). CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES DE UNA EXTRACTORA DE ACEITE DE PALMA AFRICANA Sólidos disueltos Es la fracción de sólidos insolubles que se depositan por la acción de la gravedad. Indican la cantidad de lodos que podrían separarse por sedimentación de un efluente. Los sólidos disueltos o salinidad total, es una medida de la cantidad de materia disuelta en el agua, determinada por evaporación de un volumen de agua previamente filtrada. Corresponde al 15 residuo seco con filtración previa. El origen de los sólidos disueltos puede ser múltiple, orgánico o inorgánico, tanto en aguas subterráneas como superficiales. Sólidos en suspensión Los sólidos en suspensión (SS) es una medida de los sólidos sedimentables (no disuelto) que pueden ser retenidos en un filtro. Se pueden determinar pesando el residuo que queda en el filtro, después de secado. Son indeseables en las aguas de proceso porque pueden causar depósitos en las conducciones, calderas y equipos (21). Olores Las causas más comunes que generan malos olores son: materia orgánica en solución, ácido sulfúrico, cloruro de sodio, hierro y manganeso. La determinación del olor en el agua es útil para evaluar la calidad de la misma. El test del olor no constituye una medida, sino una apreciación, y ésta tiene por lo tanto un carácter personal. Color Se distingue generalmente el color aparente debido a las materias en suspensión y en solución y el color verdadero debido solamente a las materias en solución. La determinación del color es importante para evaluar las características del agua, la fuente del color y la eficiencia del proceso usado para su remoción. La remoción del color se practica para hacer un agua adecuada para usos generales o industriales. Turbidez Es una propiedad óptima de una suspensión que hace que la luz sea remitida y no trasmitida a través de la suspensión. Puede ser causada por una variedad de materiales en suspensión que varían en su tamaño, desde dispersiones coloidales hasta partículas gruesas (22). 16 Temperatura Las temperaturas elevadas en el agua son indicadores de actividad biológica, química y física en el agua, lo anterior tiene influencia en los tratamientos y abastecimientos para el agua, así como en la evaluación limnológica de un cuerpo de agua, por lo que es necesario medir la temperatura como un indicador de la presencia de compuestos y contaminantes en el agua. El valor de temperatura es un criterio de calidad del agua para la protección de la vida acuática y para las fuentes de abastecimiento de agua potable, es también un parámetro establecido como límite máximo permitido en las descargas de aguas residuales y una especificación de importancia en los cálculos de balance de energía y de calor de los procesos industriales (23). Conductividad eléctrica (CE) La medida de conductividad permite evaluar rápida pero muy aproximadamente la mineralización global del agua. Para las necesidades urgentes, facilitará la eliminación de las aguas de mineralización demasiado elevada. Una conductividad eléctrica del agua superior a 1500 S/cm hace considerar a un agua como inutilizable en las zonas irrigadas. Para los usos industriales, la interpretación de los resultados debe hacerse en función de un análisis completo del agua. Dureza total Salvo excepciones muy particulares, la dureza tiene un carácter natural y corresponde al lavado de los terrenos atravesados. Cuanto más dura es el agua, mayor es el costo de los usos (incrustación, blanqueo, tratamientos industriales). Una dureza de 80 a 100 mg/L puede considerarse como satisfactoria. Se ha de tener en cuenta que, en ciertas descargas, la descomposición de la parte vegetal puede conducir a la liberación de grandes cantidades de anhídrido carbónico, que arrastrado en las aguas subterráneas por infiltración de las aguas de lluvia puede disolver el calcio del suelo y contribuir a las variaciones de la dureza (24). 17 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES DE UNA EXTRACTORA DE ACEITE DE PALMA AFRICANA Materia orgánica El inconveniente de las materias orgánicas es que favorecen la aparición de malos gustos, que podrán exacerbarse por la cloración, y facilitar el desarrollo de gérmenes, algas y hongos. No es posible determinar verdaderamente las materias orgánicas de origen animal o vegetal que contienen las aguas. Pueden obtenerse por la diferencia entre los residuos secos y los residuos calcinados, así como por la determinación de elementos de base como el carbono y el nitrógeno. Los principales grupos orgánicos encontrados en las aguas residuales son: Demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) Es una medida de la cantidad de oxígeno consumido en la degradación bioquímica de la materia orgánica mediante procesos biológicos aerobios. Se utiliza para determinar la contaminación de la aguas, cuando la carga de materia orgánica es excesiva los microorganismos no se dan abasto para oxidar toda la materia orgánica presente y se generan focos de contaminación en todo el cuerpo receptor influyendo negativamente en el color, olor y sabor del agua. Demanda química de oxígeno (DQO) Es la cantidad de oxígeno necesaria para descomponer químicamente la materia orgánica e inorgánica. Se utiliza para medir la cantidad total de contaminantes orgánicos presentes en aguas residuales (25). Grasas y aceites Se acumulan en la parte superior de los cuerpos receptores de agua, generando grandes cantidades de espuma, por lo que los rayos del sol no pueden penetrar en el agua del cuerpo receptor, por lo que deben de eliminarse en la primera etapa del tratamiento del 18 agua residual (26). Los efectos que ocasionan se reflejan en el suelo, modificando sus características físicas y químicas. Los contenidos superiores a 500 mg/L en las aguas residuales pueden perjudicar considerablemente la explotación de estaciones de tratamientos. Los disolventes orgánicos que son algunas veces sus asociados pueden perturbar la depuración biológica y la digestión de los fangos. Materia inorgánica La caracterización inorgánica debe incluir pruebas que suministren información sobre la toxicidad potencial de desechos tales como metales pesados y amoníaco, los contaminantes que requieran un tratamiento específico como acidez o alcalinidad, pH y sólidos en suspensión, la evaluación de nutrientes como nitrógeno o fósforo y sustancias interferentes o inhibidoras como cloruros o sulfatos (27). Los gases más importantes son el sulfuro de hidrógeno y el metano. Sulfuros de hidrógeno (H2S) Se forma durante la descomposición de la materia orgánica que contiene azufre y es el responsable del olor a huevo podrido y del ennegrecimiento del agua residual y del fango, debido a su combinación con el hierro presente formando sulfuro de hierro. Metano (CH4) Principal subproducto de la descomposición anaerobia de la materia orgánica del agua residual. El metano es un hidrocarburo combustible de alto valor energético, incoloro e inodoro que se encuentra en pequeñas cantidades en el agua residual (2). De acuerdo a lo anterior, podemos decir que el suelo ha sido utilizado para depositar los residuos, incluyendo los que han sido removidos del aire y de la tierra. En los últimos años, la mayor parte de los esfuerzos en cuanto a la protección ambiental se han abocado a limpiar el aire y el agua, así como en evitar que se sigan contaminando, esto porque su relación con los problemas de salud en la población es más directa. Sin embargo, no se deben descuidar los aspectos de contaminación del suelo, ya que amenazan no sólo a los 19 usos futuros del mismo sino también la calidad de aire, el agua superficial y el agua subterránea (28). El suelo constituye el soporte material y la fuente de alimentos para al desarrollo de los seres vivos que lo habitan. Una composición típica del suelo, muestra un contenido de sólidos de aproximadamente del 50% en volumen, mientras que el resto es una mezcla de agua y aire. Lejos de tener una estructura homogénea, existe un perfil vertical de composición química y estructura física que, en forma simplificada, puede considerarse compuesto (29). CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DEL SUELO Textura La textura de un suelo está determinada por las cantidades de partículas minerales inorgánicas (medidas como porcentajes en peso) de diferentes tamaños (arena, limo y arcilla) que contiene. La proporción y magnitud de muchas reacciones físicas, químicas y biológicas en los suelos están gobernadas por la textura, debido a que ésta determina el tamaño de la superficie sobre la cual ocurren las reacciones, además de la plasticidad, la permeabilidad, la facilidad para trabajar la tierra, la sequedad, la fertilidad y la productividad que varían dependiendo de la región geográfica. Densidad aparente (Da) La densidad aparente, es la medida en peso del suelo por unidad de volumen (g/cm3). La densidad aparente está relacionada con el peso específico de las partículas minerales y las partículas orgánicas así como por la porosidad de los suelos. Casi todos los suelos minerales tienen una densidad aparente que varía de 0.4 a 2.0 (g/cm3). La densidad aparente es importante para estudios cuantitativos de suelo. Los resultados de las densidades aparentes son fundamentales para calcular los movimientos de humedad, los grados de formación de arcilla y la acumulación de los carbonatos en los perfiles de suelo (30). 20 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS DEL SUELO Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC) La Capacidad de Intercambio Catiónico es una medida de cantidad de cargas negativas presentes en las superficies de los minerales y componentes orgánicos del suelo y representan la cantidad de cationes que las superficies pueden retener. Estos serán intercambiados por otros cationes o iones de hidrógeno presentes en la solución del suelo y liberados por las raíces. El nivel de CIC indica la habilidad de suelos a retener cationes, disponibilidad y cantidad de nutrientes a la planta, su pH potencial entre otras. Un suelo con bajo CIC indica baja habilidad de retener nutrientes, arenoso o pobre en materia orgánica. Potencial de hidrógeno (pH) El potencial de hidrógeno (pH) determina el grado de adsorción de iones (H+) por las partículas del suelo e indica si un suelo está acido o alcalino. Es el indicador principal en la disponibilidad de nutrientes para las plantas, influyendo en la solubilidad, movilidad, disponibilidad y de otros constituyentes y contaminantes inorgánicos presentes en el suelo. El valor de pH en el suelo oscila entre 3.5 (muy ácido) a 9.5 (muy alcalino). Los suelos muy ácidos (<5.5) tienden a presentar cantidades elevadas y tóxicas de aluminio y manganeso. Los suelos muy alcalinos (>8.5) tienden a dispersarse. La actividad de los organismos del suelo es inhibida en suelos muy ácidos y para los cultivos agrícolas el valor de pH ideal se encuentra en 6.5 (31). MANEJO DE EFLUENTES DE UNA PLANTA EXTRACTORA DE ACEITE DE PALMA AFRICANA En el proceso de extracción de aceite de palma africana utiliza agua y vapor de agua que sumados a la humedad e impurezas de la fruta obtenidas en la purificación del aceite forman las aguas de desecho conocidos como “efluentes”. El volumen de efluentes que se genere en una planta depende de la amplitud en el diseño de los sistemas de proceso y en el 21 control de los mismos, del mantenimiento de los equipos y del cuidado y limpieza de la planta. Estos efluentes pueden ir en un rango de 0.6 a 1 tonelada de efluente por cada tonelada de racimos de fruto fresco (RFF) procesadas (32). El manejo de los efluentes provenientes de las plantas extractoras de aceite de palma se originó en Malasia en la década de 1970, cuando la preocupación ambiental coincidió con el aumento del número de plantas extractoras en ese país. La cantidad de efluentes que fluían a los ríos estaba aumentando, lo cual conducía al agotamiento del oxígeno y por consiguiente destruía los sistemas vivos (33). Los tratamientos a los que se deben someter los efluentes tienen que garantizar la eliminación o recuperación del compuesto orgánico en el grado requerido por la legislación que regula el vertido del efluente o para garantizar las condiciones mínimas del proceso en el caso de reutilización o recirculación de la corriente para uso interno. El nivel máximo admisible de contaminante puede conseguirse mediante la utilización de diversas técnicas como la incineración y la absorción así también se considera los tratamientos físicos, químicos y biológicos (34). Los efluentes de las plantas extractoras de aceite de palma, generan contaminación, principalmente por la gran cantidad de materia orgánica, sólidos y aceites que poseen. Esto se debe a que la extracción del aceite se hace mediante procesos físicos y mecánicos, mediante diferencias de densidades se separan los sólidos, el agua y el aceite, el sector palmero a nivel nacional en los últimos dos años ha venido dando un fuerte impulso a la búsqueda de soluciones a los problemas ambientales. A través del Centro de Investigación (CENIPALMA) se han desarrollado actividades en la identificación de lodos microbiológicos para el tratamiento de este tipo de desechos y de una metodología de arranque y operación de lagunas de estabilización (35). Los principales efectos físicos y químicos que provocan las grasas y aceites presente en las aguas residuales son la transferencia de oxígeno entre las fases de agua y aire, al formarse películas de estos materiales sobre la superficie del agua. En la vida acuática interfieren con las actividades reproductivas de crecimiento y de alimentación de las especies. En la salud humana los efectos se presenta por dos vías principales: la primera al ingerir agua con estos compuestos y la segunda al ingerir alimentos contaminados con dichos materiales (36). 22 El uso de grandes cantidades de aguas industriales en terrenos aledaños a los sitios de producción de dichas aguas puede degradar el suelo, el agua y el aire. Los subproductos, componentes o productos de degradación pueden causar problemas de olores, liberar gases a la atmósfera o contaminar el suelo y el agua con nutrientes, elementos tóxicos y/o microorganismos. El deterioro físico se refleja en la estructura del suelo, la capacidad de infiltración y el decremento de la porosidad e incremento de la Da; así, suelos con degradación física pueden tener impedimentos de drenaje y una rápida saturación de agua (37). 23 HIPÓTESIS Ho: Las características físico-químicas de las aguas residuales generadas durante el proceso de extracción de aceite de palma africana de la Industria Aceitera Chiapaneca si afectan la calidad del suelo donde son derramadas. Ha: Las características físico-químicas de las aguas residuales generadas durante el proceso de extracción de aceite de palma africana de la Industria Aceitera Chiapaneca no afectan la calidad del suelo donde son derramadas. 24 METODOLOGÍA DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN En el presente trabajo se utilizará una investigación descriptiva ya que buscan especificar las propiedades, las características y los perfiles de procesos. Es decir, se pretenden medir o recoger información de manera independiente o conjunta sobre las variables. Pero también es correlacional al evaluar el grado de asociación entre dos o más variables, midiendo cada una de ellas (presuntamente relacionadas) después, cuantificando y analizando su vinculación (38). Considerando que se trata de una investigación descriptiva-correlacional se toman las siguientes variables: temperatura, pH, sólidos solubles totales, lodos, grasa y aceites, conductividad eléctrica y DBO5. En el caso del suelo se consideró densidad aparente, pH y materia orgánica, esto con la finalidad de explicar el efecto que tienen las características de las agua residuales en las propiedades del suelo. ÁREA DE ESTUDIO Actualmente la industria aceitera chiapaneca, está constituida por 152 socios los cuales son beneficiarios directos de la compra y venta de aceite crudo. La planta tiene una capacidad de producción de 10.5 toneladas de racimo de fruto fresco (TRFF/h) generando una producción aproximada de 150-200 toneladas por 24 hrs. La planta extractora se encuentra en el kilómetro 12 desvió el Pataste, ejido Jiquilpan, Acapetahua, Chiapas con ubicación geográfica 15°19.357´ LN y 92° 49.312´ de LO. El estudio comprende la caracterización físico-química de las aguas residuales generadas en el proceso de extracción de aceite de palma de la industria aceitera chiapaneca, así como también el análisis de suelo de la laguna de oxidación. Durante los meses de Julio a Octubre de 2014. 25 MUESTRA Toma de muestra para estimar el volumen de las descargas de aguas residuales Se tomaron muestras simples durante 60 minutos a intervalos de tiempo que cubrieran las variaciones en una jornada laboral, la muestra se tomó directamente de las descargas, para determinar el volumen de las aguas residuales, se midió el volumen de agua recolectado en un intervalo de tiempo de 5 segundos, los sitios de muestreo fueron laguna de oxidación y piletas. Toma de muestra de agua Se obtuvieron muestras simples, que fueron tomadas directamente de las descargas de los efluentes en diversos periodos de tiempo a lo largo de una jornada laboral de 8 hrs. Así mismo se utilizaron muestras compuestas, las cuales se obtuvieron de la mezcla de varias muestras simples. El intervalo de tiempo entre la toma de cada muestra simple para integrar la muestra compuesta, debe ser el suficiente para determinar la variación de los contaminantes liberados en el agua residual del proceso de extracción de aceite. Para obtener las muestras tanto las simples como compuestas se utilizó la metodología propuesta en la norma NMX-AA-003-1980. La muestra compuesta se tomó de tal manera que cubra las variaciones de las descargas durante 12 horas como mínimo (39). Tabla 1. Toma de muestra de las descargas de aguas residuales Punto de muestreo Horario Tanque florentino 7:00 am, 10:00 am, 13:00 pm y 16:00 pm Toma de muestra de suelo La muestra de suelo, se tomó como referencia el método AS-01 de la NOM-021RECNAT-2000. Se obtuvieron seis muestras simples, a una profundidad de 20 cm, el muestreo en zigzag permitió abarcar toda el área de la laguna de oxidación. A partir de estas muestras simples se formó una muestra compuesta, se homogenizo y se formó una torta 26 que se dividió mediante el método de cuarteos, se repite este proceso hasta obtener una muestra compuesta correspondiente a 1.5 kg. También se tomó una muestra testigo, la cual se obtuvo en un terreno alejado de las descargas de aguas residuales, a una profundidad de 20 cm, con un volumen de 5 kg. MUESTREO Volumen de las descargas La toma de muestra se realizó directamente de las descargas de aguas liberadas de las piletas y laguna de oxidación. Se tomaron 31 muestras en cada punto de muestreo, donde se midió el volumen capturado a intervalos de 5 segundos. Las muestras se midieron con un recipiente de 20 y 2 L. Agua residual Se llevaron a cabo tres muestreos, los cuales se dividieron entre los meses de julio a octubre de 2014, mismos que se realizaron el día 11 de julio, 01 de septiembre y 25 de septiembre, identificándose como primer, segundo y tercer muestreo respectivamente. En cada muestreo se tomaron cuatro muestras simples del efluente del tanque florentino, considerando una jornada de trabajo de 12 horas, las muestras fueron tomadas en un intervalo de tres a cuatro horas entre una y otra. La muestra compuesta se obtuvo de la mezcla de las cuatro muestras simples tomadas a lo largo del día. Tanto para las muestras simples como para la compuesta se tomaron muestras representativas superior a 1 L, las cuales fueron transportadas en un frasco de vidrio de boca ancha con tapa, manteniéndola a 4 °C hasta realizar los análisis. Suelo Para obtener las muestras de suelo se tomaron muestras representativas a 5 kg por cada punto de muestreo, las muestras se obtuvieron en el sitio donde son derramadas las aguas residuales y una muestra testigo que se tomó en un sitio alejado de las descargas de aguas, el día 20 de octubre del 2014. Se tomaron seis muestras las cuales se almacenaron en bolsas 27 de plástico, etiquetadas y trasladadas al laboratorio de alimentos de UNICACH para realizar los análisis correspondientes. VARIABLES Para medir la cantidad las descargas se tomaron muestras simples, considerándose el volumen y el tiempo. La toma de muestra se realizó directamente en las piletas y laguna de oxidación, donde son derramadas las descargas de aguas residuales. A cada muestra simple y muestra compuesta se le determinó diversos parámetros físicoquímicos in situ las cuales fueron temperatura, pH, conductividad eléctrica y sólidos solubles totales. El análisis de la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5) se realizó en el Colegio de la Frontera Sur (ECOSUR, Unidad Tapachula), el análisis de grasas y aceites se realizó en el laboratorio de alimentos de la UNICACH subsede Acapetahua. En las muestras de suelo se determinó Da, pH y materia orgánica. La determinación de la densidad aparente se llevó a cabo mediante el método de núcleo, la determinación de pH se realizó mediante el método AS-02 de la NOM-021-RECNAT-2000 y la determinación de materia orgánica mediante el método de calcinación. Los análisis fueron realizados en el laboratorio de alimentos UNICACH subsede Acapetahua. 28 INSTRUMENTO DE MEDICIÓN Volumen de las descargas 1. Cronómetro 2. Galón de plástico con capacidad de 20 L 3. Galón de plástico con capacidad de 2 L Análisis de aguas residuales 1. Determinación de temperatura: Termómetro de alcohol marca Initial by Brannan. 2. Determinación de pH, conductividad eléctrica, sólidos solubles totales se utilizó el Combo pH y CE marca waterpootby HANNA HI: 98130. 3. Determinación de lodos, se realizó con la centrifuga marca Physicians Nacional con 115 volts/1.5 AMPS/60 HZ. 4. Determinación de grasas y aceites, se realizó con el método de Soxhlet marca CRAFT MODELO ES-600. Análisis de suelo 1. Determinación de densidad aparente: balanza analítica de precisión (0.0001). 2. Determinación de pH en suelo: Multiparametro EC/RESISTIVITY/TDS/NaCl Marca HANNA HI 3512. 29 pH/ORP/ISE & DESCRIPCIÓN DE LAS TÉCNICAS Determinación de temperatura NMX-AA-007-SCFI-2000 1. Se realizó la medición directamente de la descarga de agua, tomar 1 L de muestra de tal manera que el termómetro de alcohol marca Initial by Brannan quede debidamente inmerso, esperar el tiempo suficiente para obtener mediciones constantes. Enjuagar con agua destilada el instrumento de medición para su limpieza. 2. Las lecturas se obtienen directamente de la escala del aparato medidor de temperatura, y se informan en grados Centígrados (º C) (23). Determinación de pH, conductividad eléctrica, sólidos solubles totales 1. Se obtiene la muestra a analizar correspondiente a 1 L de tal manera que el combo pH y CE marca waterpootby HANNA HI: 98130 quede debidamente inmerso, esperar el tiempo suficiente para obtener mediciones constantes. Enjuagar con agua destilada el instrumento de medición para su limpieza. 2. Las lecturas se obtienen directamente del parámetro medidor. Determinación del contenido de lodos 1. Agregar con una pipeta 10 mL de agua residual a un tubo para centrifuga de 10 ml. 2. Colocar los tubos en la centrifuga marca Physicians Nacional con 115 volts/1.5 AMPS/60 HZ durante 20 minutos. 3. Colocar los tubos en un recipiente y extraer el líquido residual con una pipeta. 30 4. Los resultados se obtienen restando los mililitros de lodos depositados en el fondo del tubo para centrifuga a los 10 mililitros de agua residual depositados en el tubo. Determinación de grasas y aceites método Soxhlet 1. Medir el pH de las muestras el cual debe ser menor de 2, si no tiene este valor acidifique con ácido clorhídrico 1:1 o ácido sulfúrico 1:1. 2. Preparar los matraces de extracción introduciéndolos a la estufa a una temperatura de 103°C - 105°C, enfriar en desecador y pesarlos, repetir el procedimiento hasta obtener el peso constante de cada uno de los matraces. 3. Preparar el material filtrante colocando un papel filtro en el embudo Büchner, colocar el embudo en un matraz Kitazato y agregar 100 mL de la suspensión de tierra de diatomeas-sílice (10 g/L) sobre el filtro, aplicar vacío y lavar con 100 mL de agua. 4. Transferir el total de la muestra acidificada al embudo Büchner preparado aplicando vacío hasta que cese el paso de agua. Medir el volumen de la muestra. 5. Con ayuda de unas pinzas, transferir el material filtrante a un cartucho de extracción. Limpiar las paredes internas del embudo y el frasco contenedor de la muestra, así como la parte interna de la tapa del frasco con trozos de papel filtro previamente impregnados de disolvente (hexano) tener cuidado en remover la película de grasa y los sólidos impregnados sobre las paredes; colocar los trozos de papel en el mismo cartucho. 6. Secar el cartucho en una estufa a 103°C - 105°C por un período de 30 min. Transcurrido este período colocar en el equipo Soxhlet. 31 7. Adicionar el volumen adecuado de hexano al matraz de extracción previamente puesto a peso constante y preparar el equipo Soxhlet. Evitar tocar con las manos el cartucho y el matraz de extracción, para ello utilizar pinzas ó guantes de látex. 8. Colocar el equipo de extracción sobre la parrilla de calentamiento, controlar la temperatura del reflujo y extraer a una velocidad de 20 ciclos/hora durante un período de 4 h. 9. Una vez terminada la extracción retirar el matraz del equipo Soxhlet, y evaporar el disolvente. 10. El matraz de extracción libre de disolvente se coloca en el desecador hasta que alcance la temperatura ambiente. 11. Pesar el matraz de extracción y determinar la concentración de grasas y aceites recuperables. 12. Analizar un blanco de reactivo bajo las mismas condiciones de la muestra Fórmula: (A ) A Dónde: G y A= grasas y aceites (mg/L). A= peso final del matraz de extracción (mg). B=peso inicial del matraz de extracción (mg). V=volumen de la muestra, en litros (40). 32 Determinación de demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) 1. Preparación de agua para dilución a) Colocar el volumen requerido de agua en un frasco y añadir por cada litro de agua 1 mL de cada una de las siguientes disoluciones: b) Disolución de sulfato de magnesio (Pesar aproximadamente 22.5 g de sulfato de magnesio heptahidratado (MgSO4•7H2O) disolver en agua y diluir a 1 L. c) Disolución de cloruro de calcio (Pesar aproximadamente 27.5 g de cloruro de calcio anhídro (CaCl2) disolver en agua y diluir a 1 L. d) Disolución de cloruro férrico (FeCl3•6H2O) Pesar aproximadamente 0.25 g de cloruro férrico hexahidratado (FeCl3•6H2O), disolver en agua y diluir a 1 L. e) Disolución amortiguadora de fosfatos (Pesar aproximadamente 8.5 g de fosfato monobásico de potasio (KH2PO4), 21.75 g de fosfato dibásico de potasio (K2HPO4), 33.4 g de sosfato dibásico de sodio heptahidratado (Na2HPO4•7H2O) y 1.7 g de cloruro de amonio (NH4Cl), disolver en 500 mL de agua y aforar a 1 L. El pH de la disolución debe ser de 7.2. Desechar el reactivo (o cualquiera de los siguientes reactivos) si hay algún signo de crecimiento biológico en el frasco de almacenamiento). 2. Antes de usar el agua de dilución debe ponerse a una temperatura aproximada de 20ºC. Saturar con oxígeno aireando con aire filtrado, libre de materia orgánica durante 1 h. Preparar el agua de dilución diariamente. 3. Preparar diluciones que den lugar a un oxígeno inicial (OD) residual mayor de 1 mg/L y una captación de OD dé al menos 2 mg/L después de 5 días de incubación producen los resultados más confiables. Hacer varias diluciones (al menos 3) por duplicado de la muestra preparada para obtener una captación de OD en dicho intervalo. 4. Preparar diluciones directamente en frascos tipo Winkler. Utilizando una pipeta volumétrica, añadir el volumen de muestra deseado a frascos Winkler individuales 33 de 300 mL. Añadir cantidades adecuadas del material de siembra al agua de dilución. Llenar los frascos winkler con suficiente agua de dilución, sembrada si es necesario, de tal manera que, la inserción del tapón desplace todo el aire, sin dejar burbujas. 5. Determinar el OD inicial en uno de los frascos de cada una de las diferentes diluciones. En los frascos de los duplicados de cada una de las diluciones, ajustar herméticamente el tapón, poner un sello hidráulico y la contratapa e incubar durante 5 días a 20ºC. 6. Determinación del OD inicial con el Método yodométrico a) Para fijar el oxígeno, adicionar a la botella tipo Winkler que contiene la muestra (300 mL), 2 mL de sulfato manganoso (Disolver en agua 480 g de sulfato manganoso, filtrar y diluir a 1 L. Esta disolución debe usarse siempre y cuando no de color al adicionarle una disolución ácida de yoduro de potasio en presencia de almidón. b) Agregar 2 mL de la disolución alcalina de yoduro-azida (Disolver en agua 500 g de hidróxido de sodio (NaOH), 700 g de hidróxido de potasio (KOH) y 150 g de yoduro de potasio (KI), diluir a 1 L con agua destilada. A esta disolución agregar 10 g de azida de sodio (NaN3) disueltos en 40 mL de agua. Esta disolución no debe dar color con la disolución de almidón cuando se diluya y acidifique.). c) Tapar la botella tipo Winkler, agitar vigorosamente y dejar sedimentar el precipitado. d) Añadir 2 mL de ácido sulfúrico concentrado (H2SO4), volver a tapar y mezclar por inversión hasta completar la disolución del precipitado. e) Titular 100 mL de la muestra con la disolución estándar de tiosulfato de sodio 0.025 M agregando el almidón hasta el final de la titulación, cuando se alcance un color amarillo pálido. Continuar hasta la primera desaparición del color azul. f) Calcular OD inicial con la siguiente fórmula: 34 m m io ao Dónde M= molaridad de tiosulfato. 8= gramos/ equivalente de oxígeno. 98.7= volumen corregido por el desplazamiento de los reactivos agregados a la botella tipo Winkler. 7. Reportar los resultados en mg/L. de OD con la precisión correspondiente (41). Determinación de densidad aparente en suelo método de núcleo 1. Tomar una muestra del suelo usando un cilindro de volumen conocido. 2. Introducir el cilindro en el suelo y luego sacar cuidadosamente. 3. Numerar el cilindro para fácil ubicación, tiene usualmente 0.05 m de largo y 0.05 m de diámetro. 4. Llenar completamente el cilindro. 5. Secar la muestra obtenida del cilindro a 105 °C durante 12 hrs. 6. Calcular los resultados mediante la siguiente formula: a p o o m n Dónde: Da= densidad aparente 35 o o i o Determinación de pH en suelos Las muestras de suelo se secaron al aire, posteriormente fueron tamizadas con una malla de < 2 mm Ø. 1. Pesar 10 g de suelo en un frasco de vidrio o plástico de boca ancha. Adicionar 20 mL de agua destilada al frasco conteniendo el suelo. 2. Con una varilla de vidrio, agitar manualmente la mezcla de suelo y agua a intervalos de 5 minutos, durante 30 minutos. 3. Dejar reposar durante 15 minutos. 4. Calibrar el medidor de pH con las soluciones reguladoras pH 4.0, 7.0 y 10.0 según el suelo enjuagando con agua destilada los electrodos antes de iniciar las lecturas de las muestras. 5. Agite nuevamente la suspensión e introduzca el electrodo en la suspensión. 6. Registre el pH al momento que la lectura se haya estabilizado (42). Determinación de materia orgánica (MO) en suelo método de calcinación 1. Pesar previamente un plato de porcelana 2. Pesar la muestra, utilizar una balanza analítica. 3. Transferir a una mufla y quemar a 550 º C durante 4 horas para eliminar MO. 4. Dejar enfriar en un desecador y pesar la muestra calcinada. 36 Obtener el resultado mediante la siguiente formula: A Dónde: % MO= porcentaje de materia orgánica A= peso de la muestra B= peso de la muestra calcinada (43). 37 PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS Volumen de descarga de agua residual El volumen de las descargas de aguas residuales generadas durante el proceso de extracción de aceite de palma africana de la Industria Aceitera Chiapaneca corresponde a 260 462.131 L por una jornada laboral de 12 hrs. El rango de capacidad de procesamiento de la planta extractora es de 10.5 TRFF/h con un promedio de 96 toneladas en un turno de 8 hrs generando un volumen correspondiente a 173 641.421 L. Sin embargo, la producción de la palma presenta periodos de muy alta y muy baja producción, por lo cual, los diseños de sistemas tratamientos de efluentes deben ajustarse para el máximo caudal, así, si la jornada laboral es de 24 hrs/día, los efluentes producidos serían de 520 924.262 L. Tabla 2. Agua residual generada en la planta extractora la Chiapaneca Lugar de muestreo Volumen (L) en 12 hrs Pileta Laguna de oxidación 15 930.93 69 291 En la tabla 2 los resultados obtenidos reflejan que el volumen de los efluentes del proceso de extracción de aceite que se generen en una planta depende de la amplitud en el diseño de los sistemas de proceso y en el control de los mismos, del mantenimiento de los equipos y del cuidado y limpieza de la planta. Estos efluentes pueden ir en un rango de 0.6 a 1 tonelada de efluente por cada tonelada de racimos de fruto fresco (RFF) procesadas (32). 38 Características físico-químicas del agua residual Se presentan los resultados de los análisis físicos y químicos realizados en las aguas residuales que se generan en el proceso de extracción de aceite de palma africana. El análisis de la calidad se realizó durante los meses de Julio-Octubre del 2014. Tabla 3. Parámetros físico-químicos de las aguas residuales liberadas en el proceso de extracción de aceite de palma africana Parámetros Temperatura(°C) pH SST (ppt) CE (micromohos/cm) Muestreo 1 65.82 5.33 3.94 7920 Muestreo 2 66.20 4.85 3.14 6330 Muestreo NOM-001-SEMARNAT3 1996 55.50 40 4.82 6-9 1.25 ---2410 2 500-3 000 pH: potencial de hidrógeno SST: sólidos solubles totales CE: conductividad eléctrica En la tabla 3 los valores de temperatura registrados variaron de 65.82 °C en el muestreo uno hasta 55.5 °C en el muestreo tres. Es importante mencionar que los valores registrados de temperatura superan entre un 38 a 68% a los límites establecidos en la NOM-001SEMARNAT-1996, que establece una temperatura de 40 °C como límite permitido para la liberación de aguas residuales. Por lo tanto, no son adecuados para la liberación a cuerpos de agua o para riego agrícola, ya que en ocasiones favorecen el crecimiento de bacterias y evitan el crecimiento de algas o de plantas que pueden reducir el impacto ambiental que ocasionan estas descargas (44). Los valores que se observan en el agua residual pueden ser explicados primeramente por la naturaleza del proceso de extracción. En el caso de la temperatura, las etapas de esterilización, digestión y clarificación del aceite repercuten de manera directa en la temperatura final del agua residual. Los valores de pH, se presentan en un rango de 4.82 a 5.33 unidades, encontrándose el valor más bajo en el muestreo tres con un valor de 4.82, con base a estos resultados se observa que el agua residual liberada puede ser catalogada como una agua residual ácida. Mediante el análisis de pH podemos tener un control de los rangos establecidos entre los niveles ácidos y alcalinos, sirve para evitar olores putrescibles o de metano. En el caso del 39 pH, el agua residual tiene presencia de aceites, que al entrar en contacto con el oxígeno, inicia el proceso de oxidación, provocando la disminución del pH del agua que se libera. La determinación de los sólidos solubles totales (TDS, por sus siglas en inglés) se observa que en el muestreo uno presentó el valor más alto de 3.94 ppt y un valor más bajo de 1.25 ppt registrado en el muestreo tres. En el análisis de la CE los valores superan los niveles establecidos por la norma, registrando el valor más alto en el muestreo uno, con un valor de 7920 (micromohos/cm), y el valor más bajo en el muestreo tres de 2410 (micromohos/cm). Tanto los TDS y la CE presentaron el mismo comportamiento, es decir, al disminuir la cantidad de sólidos disueltos, disminuye la CE presente en el agua residual, esto es porque la conductividad eléctrica evalúa la mineralización global del agua y los sólidos representan la suma de los cationes, aniones y sílice disueltos en el agua. La TDS y la conductividad eléctrica están estrechamente relacionadas. Cuanto mayor sea la cantidad de sales disueltas en el agua, mayor será el valor de la conductividad eléctrica. La mayoría de los sólidos que permanecen en el agua tras una filtración de arena, son iones disueltos. Se observó una relación inversamente proporcional en los valores de pH, TDS y CE, lo cual disminuye la calidad de las aguas residuales liberadas durante el proceso de extracción de aceite de palma y las convierte en aguas no aptas para ser liberadas al ambiente por los efectos que pueden ocasionar al ser derramadas. Tabla 4. Lodos, grasas y aceites y DBO5 de aguas residuales de Industria Aceitera Chiapaneca. Parámetros Lodos (ml/L) Aceites y grasas (mg/L) DBO5 (mg/L) Muestreo Muestreo Muestreo NOM-001- 1 2 3 SEMARNAT-1996 161 459 646.71 136 193 98.24 249 899 895.19 1-2 15-20 27 925 31 875 23 975 30-150 DBO5: demanda bioquímica de oxígeno En la tabla 4 la concentración de lodos presento valores más altos en el muestreo tres siendo de 249 (ml/L) y más bajos en el muestro uno con valores de 161 (ml/L). El agua 40 residual presenta elevadas concentraciones de grasas y aceites, ya que, los valores registrados en el muestreo uno fue de 459 646.72 (mg/L) y en el muestreo tres fue de 899895.20 (mg/L), siendo éste último el valor más alto. Se puede observar una relación entre la cantidad de lodos y la cantidad de grasas y aceites, ya que al aumentar la cantidad de lodos presentes en el agua residual, aumenta la concentración de grasas y aceites. Respecto a la DBO5 los valores más elevados se registraron en el muestreo dos con 31 875 (mg/L) y el valor más bajo se registró en el muestreo tres con 23 975 (mg/L), en lo anterior descrito, se observa que la demanda bioquímica de oxígeno en el agua residual es muy elevada y supera a los límites establecidos en la norma NOM-001-SEMARNAT-1996, observándose que la DBO5 es directamente proporcional con la cantidad de grasas y aceites presentes en el agua, es decir, que al aumentar la cantidad de grasas y aceites, aumenta la DBO5. Sin embargo, respecto a la cantidad de lodos no se presenta el mismo comportamiento, ya que, al disminuir la cantidad de lodos, aumenta la DBO5. De acuerdo a los valores reportados por CENIPALMA, 1996 se puede observar que los parámetros que caracterizan a un efluente de palma africana son altas temperaturas (67.4 °C), niveles bajos de pH (4.55 unidades), altas demandas bioquímicas de oxígeno (48 873 mg/L) y elevadas concentraciones de grasas y aceites (18 747 mg/L). Estos resultados comparados con los obtenidos en la Industria Aceitera Chiapaneca demuestran que ambos casos presentan el mismo comportamiento, y están por encima de los límites establecidos por la NOM-001-SEMARNAT-1996. 41 Relación entre calidad del agua residual y características del suelo Los resultados obtenidos en el análisis realizado al suelo donde son liberadas las aguas residuales y a una muestra testigo, que está libre del contacto con las aguas residuales generadas en el proceso de extracción de aceite de palma. Tabla 5. Análisis de suelo (pH, MO y Da) Parámetros pH (unidades) Materia orgánica (%) Densidad aparente (g/cm3) Muestra 1 4.69 Muestra 2 5.26 Muestra 3 6.49 Muestra 4 4.89 Muestra 5 4.7 Muestra testigo 6.54 Muestra compuesta 12.38 32.74 17.15 97.74 20.44 7.97 27.15 1.2329 1.1502 0.8768 1.0796 1.2985 1.3194 1.1276 4.36 En la tabla 5 los valores de pH en suelo de la laguna de oxidación oscilan entre 4-5 unidades encontrándose en niveles ácidos provocando con esto problemas de fertilidad en el suelo, sin embargo, la muestra testigo presenta valores de pH de 6.54 unidades, la cual presenta condiciones ideales para la actividad agrícola. Los valores de densidad aparente corresponden a rangos de 0.87-1.2 g/cm3, esto indica que el suelo tiene severos daños en su estructura, comparados con el testigo que presento un valor de 1.3 g/cm3, el cual no ha sido alterado por la actividad industrial. La materia orgánica, presenta porcentajes elevados en cada una de las muestras con valores que van desde 12.38-97.74 % comparados con la muestra testigo, que presenta valores menores de 7.97 %, las descargas de aguas residuales contienen altas concentraciones de MO, sin embrago es imposible de degradar por el contenido de grasas y aceites y el nivel de pH que presentan los efluentes. Por sí mismo, el suelo no es un vector importante de dispersión de contaminantes, pero en combinación con la acción del aire y del agua puede constituir un importante foco de emisión de contaminación. La movilidad y destino final de los compuestos del suelo depende de varios factores, entre los cuales destacan; la existencia, profundidad y dirección de escurrimiento de la napa freática, la porosidad, la temperatura, la capacidad de adsorción 42 e intercambio iónico de las partículas del suelo, el contenido de agua y aire, y la presencia de organismos vivos (29). Para poder entender mejor este fenómeno se presenta la relación que existe entre el grado de contaminación de las descargas de aguas residuales y el suelo donde son derramadas. Observemos en la fig. 6 que los niveles de pH en cada descarga afecta en gran medida las propiedades físicas del suelo. 7 6 pH (unidades) 5 4 3 2 Muestra testigo Muestreo 3 Muestra compuesta pH DEL AGUA pH DEL SUELO Muestreo 2 Muestreo 1 0 Laguna de oxidación 1 Figura 6. Concentración de pH de agua residual y de suelo En la fig. 6 se puede observar que existe una correlación positiva entre el pH del agua y el pH del suelo, ya que al disminuir los niveles de pH en el agua residual, disminuye el pH en el suelo donde son derramadas, generando suelos ácidos hecho que se hace evidente al comparar los valores registrados en una muestra de suelo testigo, donde se observan valores de 6.54 unidades, con lo que se puede decir que se trata de un suelo normal. Los valores encontrados en el suelo afectado, indican que estamos hablando de un suelo acido porque los rangos son de 4-5 unidades, por lo tanto, puede causar diversas afectaciones 43 como evitar el crecimiento de plantas y microorganismos que son incapaces de sobrevivir en ese medio, la mayoría de las plantas se desarrollan bien en suelos ligeramente ácidos con valores de pH de 6.0 y 7.0 (45). Los residuos se pueden encontrar ubicados sobre la superficie del suelo o enterrados bajo tierra, una vez depositados en el suelo, los residuos están sujetos a transformaciones, debido a los procesos físicos, químicos y biológicos naturales, lo que puede facilitar su transporte, dependiendo de las características de los contaminantes primarios y secundarios, y de las características geoquímicas del medio (29). Los parámetros físicos y químicos que determinan la calidad del agua residual varían, presentando características inadecuadas de liberación, en este caso podemos identificar que los valores de grasas y aceites afectan la densidad aparente del suelo. En la fig. 7 se presenta 1.4 2.0e+5 1.3 1.5e+5 1.2 1.0e+5 1.1 5.0e+4 1.0 0.0 0.9 Grasas y aceites (mg/L) 3 2.5e+5 Densidad aparente (g/cm ) este comportamiento. 0.8 0 1 2 3 4 Muestreo GRASAS Y ACEITES DENSIDAD APARENTE Figura 7. Grasas y aceites y Densidad aparente 44 5 6 7 En la fig. 7 se presenta la relación entre el contenido de grasas y aceites presentes en el agua residual y la densidad aparente del suelo donde son derramados, se puede observar una correlación positiva, debido a que conforme disminuye o aumenta la cantidad de grasas y aceites, disminuyen y aumentan los valores de densidad aparente. Las grasas y aceites al caer al suelo no son biodegradables e impiden el paso de oxígeno, contaminando aguas superficiales y subterráneas y destruyendo la fertilidad de los suelos por tanto alterando en gran medida la densidad aparente del suelo (30). Los efectos que ocasionan se reflejan en el suelo, ya que están cambiando sus características físicas y con ello provocando cambios en el ambiente. Los contenidos superiores a 500 mg/L de grasas y aceites en las aguas residuales pueden perjudicar considerablemente la explotación de estaciones de tratamientos. Los disolventes orgánicos que son algunas veces sus asociados (tetracloruro de carbono, tricloroetileno, cloroformo) pueden perturbar la depuración biológica y la digestión de los fangos (22). 45 En la fig. 8 se observa la relación que existe entre la demanda bioquímica de oxígeno del agua residual y la materia orgánica del suelo. Figura 8. Demanda bioquímica de oxígeno y Materia orgánica En la fig. 8 se observa que cuando el agua residual del proceso de extracción de aceite se libera en el suelo, altera las concentraciones de materia orgánica donde son derramadas, hecho que se hace evidente al comparar un suelo de referencia sin afectación de las aguas residuales, donde se obtuvo un porcentaje bajo de 7.97 % de materia orgánica. Este comportamiento puede ser atribuido a que los microorganismos presentes en el suelo no son capaces de degradar las altas concentraciones de materia orgánica que están siendo depositadas por las aguas residuales en el suelo. Cabe mencionar que la DBO5 indica el nivel de contaminación del agua residual (25). 46 CONCLUSIONES De acuerdo a la hipótesis planteada podemos concluir que las descargas de las aguas residuales resultantes del proceso de extracción de aceite de palma africana ocasionan un efecto negativo en el sitio donde son derramadas. Provocan alteraciones en las propiedades físicas y químicas del suelo tales como pH, densidad aparente y materia orgánica. La calidad de las aguas residuales generadas en el proceso de extracción de aceite de palma africana es muy deficiente, ya que sobrepasan los valores establecidos por la norma NOM-001-SEMARNAT-1996 por lo tanto, presentan características inadecuadas para su liberación. Los efectos que ocasionan los efluentes líquidos están siendo reflejados en el suelo donde son derramados, alterando características como la densidad aparente, materia orgánica y pH, estos vertidos están alterando la condición natural del suelo. 47 RECOMENDACIONES Por tal motivo se hace una invitación a que se consideren sistemas de manejo de residuos que permiten disminuir el impacto de los mismos, así como también, eficientizar el proceso de producción para reducir el volumen del vertido hacia las lagunas de oxidación y apegarse a lo reglamentado según la NOM-001-SEMARNAT-1996 para mejorar la calidad de las descargas. 48 LITERATURA CITADA 1. Evaluación del tratamiento de desechos líquidos de una planta extracctora de aceite de palma africana. Gómez Coyoy, Gilda Elizabeth. Guatemala : s.n., Noviembre de 1999, págs. 23-27. 2. 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