El tratamiento de lodos de depuradora describe los procesos utilizados para gestionar y eliminar los lodos de depuradora producidos durante el tratamiento de aguas residuales . El tratamiento de lodos se centra en reducir el peso y el volumen de los lodos para reducir los costos de transporte y eliminación, y en reducir los riesgos potenciales para la salud derivados de las opciones de eliminación. La eliminación de agua es el principal medio de reducción de peso y volumen, mientras que la destrucción de patógenos se logra frecuentemente mediante calentamiento durante la digestión termófila, el compostaje o la incineración . La elección de un método de tratamiento de lodos depende del volumen de lodos generados y de la comparación de los costos de tratamiento necesarios para las opciones de eliminación disponibles. El secado al aire y el compostaje pueden resultar atractivos para las comunidades rurales, mientras que la disponibilidad limitada de tierra puede hacer que la digestión aeróbica y la deshidratación mecánica sean preferibles para las ciudades, y las economías de escala pueden fomentar alternativas de recuperación de energía en las áreas metropolitanas.
El lodo es principalmente agua y se eliminan algunas cantidades de material sólido de las aguas residuales líquidas. Los lodos primarios incluyen los sólidos sedimentables eliminados durante el tratamiento primario en los clarificadores primarios . Los lodos secundarios son lodos separados en clarificadores secundarios que se utilizan en biorreactores de tratamiento secundario o en procesos que utilizan agentes oxidantes inorgánicos . En procesos intensivos de tratamiento de aguas residuales, los lodos producidos deben retirarse de la línea de líquido de forma continua porque los volúmenes de los tanques en la línea de líquido no tienen volumen suficiente para almacenar lodos. [1] Esto se hace para mantener los procesos de tratamiento compactos y en equilibrio (producción de lodos aproximadamente igual a eliminación de lodos). Los lodos extraídos de la línea de líquido pasan a la línea de tratamiento de lodos. Los procesos aeróbicos (como el proceso de lodos activados ) tienden a producir más lodos en comparación con los procesos anaeróbicos. Por otro lado, en procesos de tratamiento extensivos (naturales), como estanques y humedales artificiales , los lodos producidos permanecen acumulados en las unidades de tratamiento (línea de líquido) y solo se eliminan después de varios años de funcionamiento. [2]
Las opciones de tratamiento de lodos dependen de la cantidad de sólidos generados y otras condiciones específicas del sitio. El compostaje se aplica con mayor frecuencia en plantas de pequeña escala con digestión aeróbica para operaciones de tamaño mediano y digestión anaeróbica para operaciones de mayor escala. A veces, el lodo pasa a través de un llamado preespesador que lo deshidrata. Los tipos de preespesantes incluyen espesadores de lodos centrífugos, [3] espesadores de lodos de tambor giratorio y filtros prensa de banda. [4] Los lodos deshidratados pueden incinerarse o transportarse fuera del sitio para su eliminación en un vertedero o su uso como enmienda del suelo agrícola. [5]
Se puede recuperar energía de los lodos mediante la producción de gas metano durante la digestión anaeróbica o mediante la incineración de lodos secos, pero el rendimiento energético a menudo es insuficiente para evaporar el contenido de agua de los lodos o para alimentar los sopladores, bombas o centrífugas necesarios para la deshidratación. Los sólidos primarios gruesos y los lodos de depuradora secundarios pueden incluir sustancias químicas tóxicas eliminadas de las aguas residuales líquidas mediante sorción sobre partículas sólidas en los lodos de clarificación. La reducción del volumen de lodos puede aumentar la concentración de algunos de estos químicos tóxicos en los lodos. [6]
" Biosólidos " es un término utilizado a menudo en publicaciones de ingeniería de aguas residuales y esfuerzos de relaciones públicas por parte de las autoridades locales del agua cuando quieren centrarse en la reutilización de lodos de aguas residuales [7] , después de que los lodos hayan pasado por procesos de tratamiento adecuados. De hecho, los biosólidos se definen como sólidos orgánicos de aguas residuales que pueden reutilizarse después de procesos de estabilización como la digestión anaeróbica y el compostaje . [8] El término "biosólidos" fue introducido por la Water Environment Federation en los EE. UU. en 1998. [8] Sin embargo, algunas personas argumentan que el término es un eufemismo para ocultar el hecho de que los lodos de depuradora también pueden contener sustancias que podrían ser nocivas. al medio ambiente cuando los lodos tratados se aplican al suelo, por ejemplo, contaminantes farmacéuticos ambientales persistentes y compuestos de metales pesados . [7]
Los lodos acumulados en un proceso de tratamiento de aguas residuales deben ser tratados y eliminados de forma segura y eficaz. En muchas plantas grandes, el volumen de los lodos crudos se reduce mediante un proceso de digestión.
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El espesamiento suele ser el primer paso en un proceso de tratamiento de lodos. Los lodos de los clarificadores primarios o secundarios se pueden agitar (a menudo después de agregar agentes clarificantes ) para formar agregados más grandes y de sedimentación más rápida. [9] El lodo primario se puede espesar hasta aproximadamente un 8 o un 10 por ciento de sólidos, mientras que el lodo secundario se puede espesar hasta aproximadamente un 4 por ciento de sólidos. Los espesantes a menudo se parecen a un clarificador con la adición de un mecanismo de agitación. [10] Los lodos espesados con menos del diez por ciento de sólidos pueden recibir un tratamiento de lodos adicional mientras que el excedente del espesante líquido se devuelve al proceso de tratamiento de aguas residuales.
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El contenido de agua del lodo se puede reducir mediante centrifugación, filtración y/o evaporación para reducir los costos de transporte o eliminación o para mejorar la idoneidad para el compostaje. La centrifugación puede ser un paso preliminar para reducir el volumen de lodo para su posterior filtración o evaporación . La filtración puede ocurrir a través de drenajes inferiores en un lecho de secado de arena o como un proceso mecánico separado en un filtro prensa de banda. El filtrado y el centrado normalmente se devuelven al proceso de tratamiento de aguas residuales. Después de la deshidratación, el lodo puede manipularse como un sólido que contiene entre un 50 y un 75 por ciento de agua. Los lodos deshidratados con mayor contenido de humedad generalmente se manejan como líquidos. [11]
Muchos lodos se tratan mediante diversas técnicas de digestión, cuyo objetivo es reducir la cantidad de materia orgánica y el número de microorganismos patógenos presentes en los sólidos. Las opciones de tratamiento más comunes incluyen la digestión anaeróbica , la digestión aeróbica y el compostaje . La digestión de lodos ofrece importantes ventajas económicas al reducir la cantidad de lodos en casi un 50 % y proporcionar biogás como una valiosa fuente de energía. [12]
El propósito de la digestión es reducir la cantidad de materia orgánica y la cantidad de microorganismos patógenos presentes en los sólidos. El proceso a menudo se optimiza para generar gas metano que puede usarse como combustible para proporcionar energía para alimentar la planta o para la venta.
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La digestión anaeróbica es un proceso bacteriano que se lleva a cabo en ausencia de oxígeno. El proceso puede ser una digestión termófila , en la que los lodos se fermentan en tanques a una temperatura de 55 °C, o una digestión mesofílica , a una temperatura de unos 36 °C. Aunque permite un tiempo de retención más corto (y por tanto tanques más pequeños), la digestión termófila es más cara en términos de consumo de energía para calentar el lodo.
La digestión anaeróbica mesófila (MAD) también es un método común para tratar los lodos producidos en las plantas de tratamiento de aguas residuales. El lodo se introduce en tanques grandes y se mantiene durante un mínimo de 12 días para permitir que el proceso de digestión realice las cuatro etapas necesarias para digerir el lodo. Estos son hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis. En este proceso, las proteínas y azúcares complejos se descomponen para formar compuestos más simples como agua, dióxido de carbono y metano. [13]
La digestión anaeróbica genera biogás con una alta proporción de metano que puede usarse tanto para calentar el tanque como para hacer funcionar motores o microturbinas para otros procesos in situ. La generación de metano es una ventaja clave del proceso anaeróbico. Su principal desventaja es el largo tiempo que requiere el proceso (hasta 30 días) y el alto costo de capital. Muchos sitios más grandes utilizan el biogás para combinar calor y energía, utilizando el agua de refrigeración de los generadores para mantener la temperatura de la planta de digestión en los 35 ± 3 °C requeridos. De esta manera se puede generar suficiente energía para producir más electricidad de la que necesitan las máquinas.
La Instalación de Tratamiento de Lodos ("T-PARK") puede proporcionar electricidad para su propio funcionamiento e incluso para la red eléctrica pública de Hong Kong aprovechando el calor generado durante el proceso de incineración de lodos. [14] [15]
La digestión aeróbica es un proceso bacteriano que ocurre en presencia de oxígeno y se asemeja a una continuación del proceso de lodos activados . En condiciones aeróbicas, las bacterias consumen rápidamente materia orgánica y la convierten en dióxido de carbono . Una vez que falta materia orgánica, las bacterias mueren y son utilizadas como alimento por otras bacterias. Esta etapa del proceso se conoce como respiración endógena . En esta fase se produce la reducción de sólidos. Debido a que la digestión aeróbica ocurre mucho más rápido que la digestión anaeróbica, los costos de capital de la digestión aeróbica son menores. Sin embargo, los costos operativos son característicamente mucho mayores para la digestión aeróbica debido a la energía utilizada por los sopladores, bombas y motores necesarios para agregar oxígeno al proceso. Sin embargo, los avances tecnológicos recientes incluyen sistemas de filtrado aireado no eléctricos que utilizan corrientes de aire naturales para la aireación en lugar de maquinaria operada eléctricamente.
La digestión aeróbica también se puede lograr mediante el uso de sistemas difusores o aireadores de chorro para oxidar los lodos. Los difusores de burbujas finas suelen ser el método de difusión más rentable; sin embargo, la obstrucción suele ser un problema debido a que los sedimentos se depositan en los orificios de aire más pequeños. Los difusores de burbuja gruesa se utilizan más comúnmente en tanques de lodos activados o en las etapas de floculación. Un componente clave para seleccionar el tipo de difusor es garantizar que produzca la tasa de transferencia de oxígeno requerida.
Las tecnologías de tratamiento de lodos que se utilizan para el espesamiento o deshidratación de lodos tienen dos productos: el lodo espesado o deshidratado, y una fracción líquida que se denomina líquidos de tratamiento de lodos, corrientes de deshidratación de lodos, licores, concentrado (si proviene de una centrífuga), filtrado. (si procede de filtro prensa de correa) o similar. Este líquido requiere un tratamiento adicional ya que tiene un alto contenido de nitrógeno y fósforo, especialmente si el lodo ha sido digerido anaeróbicamente. El tratamiento puede realizarse en la propia depuradora (reciclando el líquido al inicio del proceso de tratamiento) o como proceso independiente.
Un método para tratar las corrientes de deshidratación de lodos es utilizar un proceso que también se utiliza para la recuperación de fósforo. Otro beneficio para los operadores de plantas de tratamiento de aguas residuales del tratamiento de corrientes de deshidratación de lodos para la recuperación de fósforo es que reduce la formación de incrustaciones de estruvita obstructivas en tuberías, bombas y válvulas. Tales obstrucciones pueden ser un dolor de cabeza para el mantenimiento, particularmente para las plantas de eliminación biológica de nutrientes donde el contenido de fósforo en los lodos de depuradora es elevado. Por ejemplo, la empresa canadiense Ostara Nutrient Recovery Technologies comercializa un proceso basado en la precipitación química controlada de fósforo en un reactor de lecho fluidizado que recupera estruvita en forma de gránulos cristalinos a partir de corrientes de deshidratación de lodos. El producto cristalino resultante se vende a los sectores de agricultura, césped y plantas ornamentales como fertilizante bajo el nombre comercial registrado "Crystal Green". [dieciséis]
El compostaje es un proceso aeróbico que consiste en mezclar lodos de depuradora con subproductos agrícolas de carbono, como aserrín, paja o astillas de madera . En presencia de oxígeno, las bacterias que digieren tanto los lodos de depuradora como el material vegetal generan calor para matar los microorganismos y parásitos que causan enfermedades. [17] : 20 El mantenimiento de condiciones aeróbicas con 10 a 15 por ciento de oxígeno requiere agentes de carga que permitan que el aire circule a través de los sólidos finos del lodo. Los materiales rígidos como mazorcas de maíz, cáscaras de nueces, desechos triturados de poda de árboles o corteza de fábricas de madera o papel separan mejor el lodo para ventilación que las hojas más suaves y los recortes de césped. [6] Se pueden utilizar agentes de carga ligeros y biológicamente inertes, como neumáticos triturados, para proporcionar una estructura donde los materiales vegetales pequeños y blandos son la principal fuente de carbono. [18]
Se puede contribuir a la distribución uniforme de las temperaturas que matan los patógenos colocando una manta aislante de lodo previamente compostado sobre pilas de compostaje aireadas. El contenido de humedad inicial de la mezcla de compostaje debe ser aproximadamente del 50 por ciento; pero las temperaturas pueden ser inadecuadas para la reducción de patógenos cuando el lodo húmedo o la precipitación elevan el contenido de humedad del compost por encima del 60 por ciento. Las mezclas de compostaje se pueden apilar sobre plataformas de concreto con conductos de aire incorporados para cubrirlas con una capa de agentes de carga sin mezclar. Los olores se pueden minimizar usando un soplador de aireación que aspira la pila de compostaje a través de los conductos subyacentes y extrae a través de una pila de filtrado el lodo previamente compostado para ser reemplazado cuando el contenido de humedad alcance el 70 por ciento. El líquido que se acumula en los conductos de drenaje inferior puede devolverse a la planta de tratamiento de aguas residuales; y las plataformas de compostaje pueden tener techo para proporcionar un mejor control del contenido de humedad. [6]
Después de un intervalo de compostaje suficiente para la reducción de patógenos, las pilas de compost pueden tamizarse para recuperar agentes de carga no digeridos para su reutilización; y los sólidos compostados que pasan a través de la pantalla se pueden usar como material enmienda del suelo con beneficios similares a los de la turba. La proporción inicial óptima de carbono a nitrógeno de una mezcla de compostaje es entre 26 y 30:1; pero la proporción de compostaje de los subproductos agrícolas puede determinarse por la cantidad requerida para diluir las concentraciones de químicos tóxicos en el lodo a niveles aceptables para el uso previsto del compost. [6] Aunque la toxicidad es baja en la mayoría de los subproductos agrícolas, los recortes de césped suburbanos pueden tener niveles de herbicidas residuales perjudiciales para algunos usos agrícolas; y los subproductos de madera recién convertidos en abono pueden contener fitotoxinas que inhiben la germinación de las plántulas hasta que los hongos del suelo los desintoxican. [19]
También se utiliza la incineración , aunque en mucha menor medida. [20] : 19–21 La incineración de lodos es menos común debido a las preocupaciones sobre las emisiones al aire y al combustible suplementario (típicamente gas natural o fueloil) necesario para quemar los lodos de bajo poder calorífico y vaporizar el agua residual. Sobre la base de sólidos secos, el valor combustible de los lodos varía desde aproximadamente 9.500 unidades térmicas británicas por libra (5.300 cal/g) de lodos de depuradora no digeridos hasta 2.500 unidades térmicas británicas por libra (1.400 cal/g) de lodos primarios digeridos. [21] Los incineradores escalonados de hogares múltiples con alto tiempo de residencia y los incineradores de lecho fluidizado son los sistemas más comunes utilizados para quemar lodos de aguas residuales. Ocasionalmente se realiza la cocombustión en las plantas municipales de conversión de residuos en energía , siendo esta opción menos costosa suponiendo que ya existan instalaciones para los residuos sólidos y que no haya necesidad de combustible auxiliar. [17] : 20–21 La incineración tiende a maximizar las concentraciones de metales pesados en las cenizas sólidas restantes que requieren eliminación; pero la opción de devolver el efluente del depurador húmedo al proceso de tratamiento de aguas residuales puede reducir las emisiones al aire al aumentar las concentraciones de sales disueltas en el efluente de la planta de tratamiento de aguas residuales. [22]
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En muchos países, especialmente en los países en desarrollo, se utilizan lechos de secado de lodos simples, ya que son un método barato y sencillo para secar los lodos de depuradora. Se debe capturar el agua de drenaje; Las camas de secado a veces están cubiertas, pero generalmente se dejan descubiertas. También se encuentran disponibles en el mercado dispositivos mecánicos para voltear los lodos en las etapas iniciales del proceso de secado.
Los lechos de secado suelen estar compuestos por cuatro capas de grava y arena. La primera capa es de grava gruesa de 15 a 20 centímetros de espesor. Seguido de grava fina de 10 centímetros de espesor. La tercera capa es arena que puede tener entre 10 y 15 centímetros y sirve como filtro entre el lodo y la grava. El lodo se seca y el agua se filtra a la primera capa que se recoge en la tubería de drenaje que se encuentra debajo de todas las capas. [23]
Cuando se produce un lodo líquido, es posible que se requiera un tratamiento adicional para que sea apto para su eliminación final. Los lodos generalmente se espesan y/o se deshidratan para reducir los volúmenes transportados fuera del sitio para su eliminación. Los procesos para reducir el contenido de agua incluyen la formación de lagunas en lechos de secado para producir una torta que se puede aplicar a la tierra o incinerar; prensado , donde el lodo se filtra mecánicamente, a menudo a través de tamices de tela para producir una torta firme; y centrifugación donde el lodo se espesa separando centrífugamente el sólido y el líquido. Los lodos pueden eliminarse mediante inyección de líquido al suelo o mediante eliminación en un vertedero.
No existe ningún proceso que elimine por completo la necesidad de eliminar los lodos de depuradora tratados.
Gran parte del lodo que se origina en áreas comerciales o industriales está contaminado con materiales tóxicos que se liberan en las alcantarillas a partir de procesos industriales o comerciales o de fuentes domésticas. [33] Las concentraciones elevadas de dichos materiales pueden hacer que los lodos no sean aptos para uso agrícola y que entonces sea necesario incinerarlos o eliminarlos en un vertedero.
A pesar de la aparente inadecuación de al menos algunos lodos de depuradora, la aplicación a tierras agrícolas sigue siendo una opción comúnmente utilizada [34]
La instalación de compostaje de Edmonton , en Edmonton, Alberta , Canadá, es el sitio de compostaje de lodos de depuradora más grande de América del Norte. [35]
Los lodos de depuradora se pueden sobrecalentar y convertir en gránulos granulados con alto contenido de nitrógeno y otros materiales orgánicos. En la ciudad de Nueva York , por ejemplo, varias plantas de tratamiento de aguas residuales tienen instalaciones de deshidratación que utilizan grandes centrifugadoras junto con la adición de productos químicos como polímeros para eliminar aún más el líquido del lodo. El producto que queda se llama "torta" y es recogido por empresas que lo transforman en pellets de fertilizante. Este producto, también llamado biosólido, se vende luego a los agricultores locales y a las granjas de césped como enmienda del suelo o fertilizante, lo que reduce la cantidad de espacio necesario para eliminar los lodos en los vertederos. [36]
En las áreas metropolitanas muy grandes del sur de California, las comunidades del interior devuelven los lodos residuales al sistema de alcantarillado de las comunidades en elevaciones más bajas para ser reprocesados en unas pocas plantas de tratamiento muy grandes en la costa del Pacífico. Esto reduce el tamaño requerido de las alcantarillas interceptoras y permite el reciclaje local de las aguas residuales tratadas manteniendo al mismo tiempo la economía de una única instalación de procesamiento de lodos y es un ejemplo de cómo los lodos de depuradora pueden ayudar a resolver una crisis energética. [37]
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