EVALUACIÓN DE EMISIONES DE GASES DE EFECTO INVERNADERO (GEI) EN SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES DEL BENEFICIADO DE CAFÉ

AUTORES

Jorge Herrera, Hugo Beita, Nataly Fuentes,

Carolina Balma,

Karla Corrales,

Cesar Murillo, Felix Rojas y Rolando Chacón.

MSc. Ing. Rolando Chacón Araya

Heredia, Costa Rica [[1]]

Jefe de la Unidad de Industrialización del Instituto del Café de Costa Rica

RESUMEN

En este proyecto se evaluaron los tipos de sistemas de tratamiento de aguas residuales (STAR) de mayor utilización en los Beneficios del café de Costa Rica, de acuerdo con las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI) generadas por estos, y se analizó la viabilidad técnica, económica y ambiental de los diversos sistemas estudiados como respuesta a la necesidad de analizar un STAR que genere baja emisión de GEI y que mantenga la eficiencia de tratamiento de las aguas residuales del proceso de Beneficiado. Esto con el objetivo de reducir el aporte al calentamiento global y evitar la contaminación de los cuerpos de agua.

Para este fin se realizó un diagnóstico de los STAR y mediciones de flujo de emisión de metano, dióxido de carbono y óxido nitroso, con la Técnica de Cámara Estática de Flujos, aplicado a nueve Beneficios ubicados en diferentes zonas geográficas de Costa Rica y diferentes altitudes, capacidad de procesamiento y tipos de sistema de tratamiento.

Fueron analizados los sistemas más utilizados en el sector beneficiador de Costa Rica en el tratamiento de las aguas residuales de la industrialización del café como lo son los sistemas de tratamiento por lagunaje, por reactores anaeróbicos y utilizando aspersión sobre pasto estrella.

Los campos de aspersión sobre pasto estrella mostraron ser el sistema de menor emisión de GEI, con un valor de 4 kg de dióxido de carbono equivalente por 250 kg de fruta procesada (kg CO₂e/400 l de fruta), respecto a las lagunas anaerobias con 14 kg CO₂e/400 l fruta y los reactores anaerobios con 400 kg/CO₂e/ff; debido a que su proceso se realiza mediante degradación aerobia.

En la viabilidad de implementación del STAR, los campos de aspersión mostraron una ventaja sobre las lagunas y reactores, principalmente por su capacidad de tratamiento, facilidad de manejo de lodos, flexibilidad al cambio de las características del efluente, poca necesidad de personal, bajo costo de construcción, eficiencia en el recurso hídrico y baja emisión de GEI.

Sin embargo, cada tipo de STAR tiene ventajas y desventajas que deben ser analizadas antes de implementarlo y se debe decidir por el que mejor se ajuste a las necesidades buscadas.

I. INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES

Costa Rica desde los años 30 ya mostraba preocupación por el deterioro ambiental causado por algunas actividades como el Beneficiado de café, y es por esto que en 1936 se publica el Reglamento de beneficios de café, donde se prohíbe la descarga de cascarilla o broza a los cuerpos de agua.

Los GEI son el vapor de agua (H₂O), el dióxido de carbono (CO₂), el metano (CH₄), los óxidos de nitrógeno (NOx), el ozono (O₃) y los clorofluorocarbonos. El presente documento se centra en dióxido de carbono (CO₂), metano (CH₄) y óxido nitroso (NO₂), ya que estos últimos representan los principales GEI emitidos por las actividades antropogénicas a nivel mundial.

El NO₂ tiene un potencial de calentamiento global 298 veces más potente que el CO₂, además de que participa en la formación de ozono atmosférico (IPCC, citado por Correa, 2016). Este gas se genera como producto intermedio en los procesos de nitrificación y desnitrificación. La nitrificación corresponde al proceso de oxidación del nitrógeno amoniacal (NH₄+) a nitratos (NO₃) en presencia de oxígeno por medio de microorganismos heterotróficos y autotróficos. Por su parte la desnitrificación consiste en la reducción nitratos (NO₃-) a nitrógeno molecular (N₂) por microorganismos heterotróficos los cuales requieren para su buen desarrollo bajas concentraciones de oxígeno y alta disponibilidad de materia orgánica biodegradable.

Uno de los GEI que más se produce en el país es el CH₄, el cual tiene un potencial de calentamiento global 21 veces más poderoso que el CO₂ (IMN, 2014). Este gas se produce principalmente a partir de procesos de descomposición en ausencia de oxígeno, cuyas principales fuentes antropogénicas son la ganadería, la quema de biomasa y los arrozales, así como sistemas de tratamiento de desechos anaerobios.

Los procesos de tratamiento de aguas residuales pueden contribuir a generar GEI a través de la producción de CO₂ y CH₄, desde los procesos en sí o desde la producción de CO₂ a partir de la energía requerida para el tratamiento. Respecto a esto, se indican que el CH₄ producido por los sistemas de tratamiento de aguas residuales, constituye el 5% del generado a nivel mundial.

Uno de los sectores del país que utiliza tratamiento anaerobio es el sector cafetalero conformado por 210 Beneficios, distribuidos en las ocho regiones cafetaleras del país. Estos tratan las aguas residuales principalmente mediante sistemas anaerobios, los cuales presentan distintas ventajas por su bajo costo o facilidad de manejo, sin embargo, muestran la desventaja de que al ser un sistema en ausencia de oxígeno producen grandes cantidades de metano, debido a la descomposición de la materia orgánica por parte de bacterias que trabajan en ambientes anóxicos.

Según bases de datos de ICAFE (2012) la emisión de GEI de la actividad cafetalera del país, corresponde al 25% de las generadas por el sector agrícola. Además, representan un 9% de las generadas en la totalidad del país, sin embargo, estas son estimaciones, ya que no existen datos exactos de la generación de GEI en Beneficios en el país.

Por consiguiente, en los Ministerios de Agricultura y Ganadería (MAG), el de Ambiente y Energía (MINAE) y el Instituto del Café de Costa Rica (ICAFE), surge la preocupación respecto al tema y la necesidad de encontrar las formas de tratar las aguas residuales que se generan en la producción de café en el país, de manera que ayuden a reducir la cantidad de emisiones de GEI generadas actualmente. Es por esto que bajo el marco de la Estrategia Nacional de Cambio Climático (ENCC), se crean las Acciones de Mitigación Nacionalmente Apropiadas (NAMA) en el sector café, para contribuir con la meta de ser un país de carbono neutral para el 2021.

Como parte de uno de los ejes de las NAMA, el sector cafetalero plantea la posibilidad de convertir sus STAR convencionales a un nuevo sistema de tratamiento, de aspersión sobre pasto estrella, en el cual se presenta gran interés debido a que ha mostrado ser más económico; además, no genera un vertido, ya que funciona como un lecho de secado. Sin embargo, el sector debe determinar si este sistema es también más conveniente en términos de emisiones de GEI, hipótesis de la cual se deriva el presente proyecto.

II. OBJETIVO

Evaluar diferentes sistemas de tratamiento de aguas residuales en beneficios de café, en términos de las emisiones de GEI y la viabilidad técnica, ambiental y económica de cada sistema.

III. MARCO METODOLÓGICO

La investigación realizada es principalmente de tipo cuantitativo, ya que durante las diferentes eta- pas se tomaron como bases datos numéricos para la obtención de los principales resultados. Es importante resaltar que este estudio se realizó con base en la información generada en las cosechas de café de Costa Rica de 2015-2016 y 2016-2017.

Los factores que se consideraron para elegir los beneficios que conforman la muestra son:

Zona geográfica del país: De acuerdo con las ocho regiones cafetaleras en las que está dividido el país, a saber: Valle Central, Valle Occidental, Guanacaste, Tres Ríos, Turrialba, Orosi, Brunca y Tarrazú.

Altitud de la zona: Los Beneficios seleccionados estaban presentes en las diferentes altitudes: alta, media y baja.

Tipo de STAR: Se seleccionaron de acuerdo con el tipo de STAR, especialmente los que trabajan en condiciones anaeróbicas, a saber: laguna anaerobia, reactor anaerobio, tanque de oxidación, drenaje, y además, aspersión sobre pasto estrella.

Capacidad de procesamiento: Es la cantidad de fanegas de café que puede procesar un beneficio por cosecha, la cual es diversa y puede variar de los micro Beneficios con aproximadamente 600 fanegas/cosecha o beneficios de gran tamaño, que procesan 250,000 fanegas/cosecha. Una fanega corresponde aproximadamente a 250 kg de fruta o a 400 l de fruta.

Cuadro 1. Herramientas utilizadas para realización del proyecto de investigación.

Herramienta	Tipo de herramienta
	Técnica	Instrumento	Equipo
Técnica de Cámara Estática de Flujos para la medición de la emisión de GEI.	X
Cámara Estática de Flujo.			X
Analizador de gases de combustión. Marca Testo. Modelo 350 ES			X
Tubo Pitot tipo L o estándar			X
Analizador infrarrojo de CO2. Marca EXTECH. Modelo CO250			X
Cromátografo de gases. Marca Agilent. Modelo 7890. Con detectores de captura de electrones (ECD) y de ionización de llama (FID).			X

Finalmente se eligieron nueve beneficios que cumplían con las condiciones requeridas para llevar a cabo los muestreos para la medición de los GEI. La ubicación de los beneficios seleccionados se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Ubicación de los Beneficios para la determinación de GEI.

Figura 2. Flujos promedio totales de los GEI (mg/m2día) según la época de cosecha.

Resultados

Como se puede observar, existe una tendencia creciente en el tiempo en las emisiones de metano y dióxido de carbono. En el caso del óxido nitroso, no se presenta una tendencia clara. Además, se puede observar que las emisiones promedio de CO₂ y CH₄ son de mayor magnitud en comparación con el óxido nitroso, efecto que se verá reflejado posteriormente en los factores de emisión obtenidos.

Las lagunas anaerobias mostraron promedios de metano y dióxido de carbono de 0,7 kg/ff y 0,9 kg/ff, respectivamente, los reactores anaerobios presentaron promedios de 16,7 kg CH₄/ff y 18,0 kg CO₂/ff; mientras que los campos de aspersión emiten alrededor de 0,1 kg CH₄/ff y 0,8 kg CO₂/ff.

En los sistemas de aspersión, a pesar de ser el sistema de tratamiento donde se da la mayor emisión de óxido nitroso, el dióxido de carbono es el gas que representa una mayor emisión. Este comporta- miento está posiblemente relacionado a que en este STAR se presenta un mayor intercambio entre el oxígeno del aire con el agua residual, y se vuelve más aerobio que otros sistemas como las lagunas.

Figura 3. Emisiones de dióxido de carbono equivalente por fanega procesada según los distintos STAR.

Analizando los sistemas de manera integrada, se puede observar que la emisión de dióxido de car- bono equivalente de los campos de aspersión fue menor que la de los otros tipos de STAR, lo que hace que esta tecnología sea una buena alternativa de tratamiento en comparación con las lagunas y los reactores anaerobios, basándose en las emisiones de GEI que genera.

IV. CONCLUSIONES

1. Los factores de emisión promedio de metano de los reactores anaerobios analizados (16,7 kg CH₄/ff) son mayores a los presentados por las lagunas anaerobias y el campo de aspersión sobre pasto estrella, quienes emiten un promedio de 0,7 kg CH₄/ff y 0,1 kg CH₄/ff, respectivamente.
2. Los factores de emisión promedio de dióxido de carbono de los reactores anaerobios analizados (18,0 kg CO₂/ff;) son mayores a los presentados por las lagunas anaerobias y el campo de aspersión sobre pasto estrella, quienes emiten un promedio de 0,9 kg CO₂/ff; y 0,8 kg CO₂/ff; respectivamente.
3. Los campos de aspersión estudiados en promedio emiten más óxido nitroso (5,022,4 mg NO₂/ ff) que las lagunas y reactores anaerobios, quienes muestran promedios de 14,8 mg NO₂/ff y 1372,8 mg NO₂/ff. Sin embargo, estos se emiten en una magnitud menor que el metano y el dióxido de carbono.
4. Los campos de aspersión sobre pasto estrella son el STAR de menor emisión de GEI, comparado en términos de CO₂e, los cuales presentan un promedio de 4 kg CO₂e/ff, mostrando diferencias con los 14 kg CO₂e/ff y 400 kg CO₂e/ff que generan las lagunas y reactores anaerobios respectivamente.

V. RECOMENDACIONES

1. Medir la temperatura del agua de las lagunas y reactores a diferentes profundidades para poder analizar los flujos de emisión en los diferentes niveles y buscar correlación entre estos, ya que la temperatura ambiental no es representativa de lo que sucede en toda la columna de agua. De igual forma, se puede incluir un perfil de sedimentos, de oxígeno disuelto y DQO, en cada una de las unidades que constituyen los diferentes STAR.

VI. BIBLOGRAFÍA

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Benito, Y. 2016. Guía específica de trabajo sobre CO₂ y cambio climático. Fundación San Patricio. Consultado 15 de marzo del 2018. Disponible en: https://www.fundacionsanpatricio.org/es/ investiga/pdf/guias2016-17/Guia%20introductoria%20al%20tema%20CO2%20y%20cambio%20 climatico.pdf

Chacón, R. 2011. Sistema de tratamiento de aguas residuales del Beneficiado por aspersión sobre el Pasto Estrella. Boletín PROMECAFE, 127: 7-11.

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