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 la reducción del peso y el volumen de los lodos para reducir los costos de transporte y eliminación, y en la reducción de los posibles riesgos para la salud de las opciones de eliminación. La eliminación del agua es el principal medio de reducción de peso y volumen, mientras que la destrucción de patógenos se logra con frecuencia mediante el 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 ser atractivos para las comunidades rurales, mientras que la disponibilidad limitada de tierras 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.
Los lodos son principalmente agua con algunas cantidades de material sólido removido de las aguas residuales líquidas. Los lodos primarios incluyen sólidos sedimentables eliminados durante el tratamiento primario en clarificadores primarios . Los lodos secundarios son lodos separados en clarificadores secundarios que se utilizan en biorreactores de tratamiento secundario o procesos que utilizan agentes oxidantes inorgánicos . En los procesos de tratamiento intensivo de aguas residuales, los lodos producidos deben eliminarse de la línea de líquido de forma continua porque los volúmenes de los tanques en la línea de líquido tienen un volumen insuficiente para almacenar lodos. [1] Esto se hace para mantener los procesos de tratamiento compactos y en equilibrio (producción de lodos aproximadamente igual a la eliminación de lodos). El lodo eliminado de la línea de líquido va 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 construidos , los lodos producidos quedan acumulados en las unidades de tratamiento (línea de líquidos) y sólo se eliminan después de varios años de operación. [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. El lodo a veces pasa a través de un llamado preespesador que deshidrata el lodo. Los tipos de preespesadores incluyen espesadores de lodos centrífugos, [3] espesadores de lodos de tambor rotatorio y prensas de filtro de banda. [4] El lodo deshidratado puede 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 suele ser 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 por sorción en partículas sólidas en los lodos del clarificador. La reducción del volumen de lodos puede aumentar la concentración de algunas de estas sustancias químicas tóxicas en los lodos. [6]
" Biosólidos " es un término que se utiliza a menudo en publicaciones de ingeniería de aguas residuales y en esfuerzos de relaciones públicas por parte de las autoridades hídricas locales cuando quieren poner el foco en la reutilización de lodos de depuradora [7] , después de que el lodo haya sido sometido a 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 dañinas para el medio ambiente cuando el lodo tratado se aplica a la tierra, por ejemplo, contaminantes farmacéuticos ambientales persistentes y compuestos de metales pesados . [7]
Los lodos acumulados en un proceso de tratamiento de aguas residuales deben tratarse y eliminarse de forma segura y eficaz. En muchas plantas de gran tamaño, los lodos crudos se reducen en volumen mediante un proceso de digestión.
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El espesamiento es a menudo el primer paso en un proceso de tratamiento de lodos. El lodo de los clarificadores primarios o secundarios se puede remover (a menudo después de la adición de agentes clarificadores ) para formar agregados más grandes y de sedimentación más rápida. [9] El lodo primario se puede espesar hasta aproximadamente el 8 o 10 por ciento de sólidos, mientras que el lodo secundario se puede espesar hasta aproximadamente el 4 por ciento de sólidos. Los espesadores a menudo se parecen a un clarificador con la adición de un mecanismo de agitación. [10] El lodo espesado con menos del diez por ciento de sólidos puede recibir un tratamiento de lodo adicional mientras que el rebose del espesador líquido se devuelve al proceso de tratamiento de aguas residuales.
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El contenido de agua de los lodos se puede reducir mediante centrifugación, filtración y/o evaporación para reducir los costos de transporte de eliminación o para mejorar su idoneidad para el compostaje. La centrifugación puede ser un paso preliminar para reducir el volumen de lodos para su posterior filtración o evaporación . La filtración puede ocurrir a través de desagües subterráneos en un lecho de secado de arena o como un proceso mecánico separado en una prensa de filtro de banda . El filtrado y el concentrado se devuelven normalmente al proceso de tratamiento de aguas residuales. Después de la deshidratación, los lodos se pueden manipular como un sólido que contiene entre un 50 y un 75 por ciento de agua. Los lodos deshidratados con un mayor contenido de humedad se suelen manipular como líquidos. [11]
Muchos lodos se tratan utilizando una variedad de técnicas de digestión, cuyo propósito es reducir la cantidad de materia orgánica y la cantidad de microorganismos causantes de enfermedades 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 en términos de costos al reducir la cantidad de lodos en casi un 50% y proporcionar biogás como una valiosa fuente de energía. [12]
El objetivo de la digestión es reducir la cantidad de materia orgánica y la cantidad de microorganismos patógenos presentes en los sólidos. El proceso suele optimizarse para generar gas metano , que puede utilizarse como combustible para generar energía para 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 termófilo , en el que los lodos se fermentan en tanques a una temperatura de 55 °C, o mesófilo , a una temperatura de alrededor de 36 °C. Aunque permite un menor tiempo de retención (y, por lo tanto, tanques más pequeños), la digestión termófila es más costosa en términos de consumo de energía para calentar los lodos.
La digestión anaeróbica mesófila (DAM) también es un método común para tratar los lodos producidos en las plantas de tratamiento de aguas residuales. Los lodos se introducen en grandes tanques y se mantienen allí durante un mínimo de 12 días para permitir que el proceso de digestión realice las cuatro etapas necesarias para digerir el lodo. Estas son la hidrólisis, la acidogénesis, la acetogénesis y la metanogénesis. En este proceso, las proteínas y los 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 utilizarse 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 necesario para el proceso (hasta 30 días) y el alto coste de capital. Muchas plantas de gran tamaño utilizan el biogás para generar calor y electricidad de forma combinada, utilizando el agua de refrigeración de los generadores para mantener la temperatura de la planta de digestión a los 35 ± 3 °C necesarios. De esta forma se puede generar suficiente energía para producir más electricidad de la que necesitan las máquinas.
La planta 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 que 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 hay una falta de materia orgánica, las bacterias mueren y son utilizadas como alimento por otras bacterias. Esta etapa del proceso se conoce como respiración endógena . La reducción de sólidos ocurre en esta fase. 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 filtros aireados 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 el lodo. Los difusores de burbujas finas suelen ser el método de difusión más rentable, sin embargo, el taponamiento suele ser un problema debido a que los sedimentos se depositan en los orificios de aire más pequeños. Los difusores de burbujas gruesas se utilizan con mayor frecuencia en los tanques de lodos activados o en las etapas de floculación. Un componente clave para seleccionar el tipo de difusor es asegurarse de que produzca la tasa de transferencia de oxígeno requerida.
Las tecnologías de tratamiento de lodos que se utilizan para espesar o deshidratar 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 procede de una centrífuga), filtrado (si procede de una prensa de filtro de banda) o similar. Este líquido requiere un tratamiento adicional ya que tiene un alto contenido de nitrógeno y fósforo, en particular si el lodo ha sido digerido anaeróbicamente. El tratamiento puede tener lugar en la propia planta de tratamiento de aguas residuales (reciclando el líquido hasta el inicio del proceso de tratamiento) o como un proceso separado.
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 obstructivas de estruvita en tuberías, bombas y válvulas. Estas obstrucciones pueden ser un dolor de cabeza para el mantenimiento, especialmente en plantas de eliminación de nutrientes biológicos en las que el contenido de fósforo en los lodos de depuradora es elevado. Por ejemplo, la empresa canadiense Ostara Nutrient Recovery Technologies está comercializando un proceso basado en la precipitación química controlada de fósforo en un reactor de lecho fluidizado que recupera estruvita en forma de gránulos cristalinos de las corrientes de deshidratación de lodos. El producto cristalino resultante se vende a los sectores de la agricultura, el césped y las plantas ornamentales como fertilizante bajo el nombre comercial registrado "Crystal Green". [16]
El compostaje es un proceso aeróbico de mezcla de lodos de depuradora con fuentes de carbono de subproductos agrícolas como aserrín, paja o virutas 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 las condiciones aeróbicas con un 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 las mazorcas de maíz, las cáscaras de nueces, los desechos triturados de la poda de árboles o la corteza de las fábricas de madera o papel separan mejor los lodos para la ventilación que las hojas más blandas y los recortes de césped. [6] Se pueden utilizar agentes de carga ligeros y biológicamente inertes como los neumáticos triturados para proporcionar estructura donde los materiales vegetales pequeños y blandos son la principal fuente de carbono. [18]
Se puede lograr una distribución uniforme de las temperaturas que eliminan 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 de alrededor 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 losas de hormigón con conductos de aire incorporados que se cubrirán con una capa de agentes de relleno sin mezclar. Los olores se pueden minimizar utilizando un soplador de aireación que haga el vacío a través de la pila de compostaje a través de los conductos subyacentes y lo extraiga a través de una pila de filtrado de lodo previamente compostado que se reemplazará cuando el contenido de humedad alcance el 70 por ciento. El líquido que se acumula en los conductos de drenaje subterráneo se puede devolver a la planta de tratamiento de aguas residuales; y las losas de compostaje se pueden techar 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 ser tamizadas para recuperar los agentes de carga no digeridos para su reutilización; y los sólidos compostados que pasan a través del tamiz pueden usarse como material de enmienda del suelo con beneficios similares a la turba. La proporción óptima inicial de carbono a nitrógeno de una mezcla de compostaje es entre 26-30:1; pero la proporción de compostaje de los subproductos agrícolas puede determinarse por la cantidad requerida para diluir las concentraciones de sustancias químicas tóxicas 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 suburbano pueden tener niveles residuales de herbicidas perjudiciales para algunos usos agrícolas; y los subproductos de madera recién compostados pueden contener fitotoxinas que inhiben la germinación de las plántulas hasta que son desintoxicadas por hongos del suelo. [19]
También se utiliza la incineración , aunque en un grado mucho menor. [20] : 19–21 La incineración de lodos es menos común debido a las preocupaciones por las emisiones atmosféricas y el combustible complementario (normalmente gas natural o fueloil) necesario para quemar los lodos de bajo valor calorífico y vaporizar el agua residual. Sobre una base de sólidos secos, el valor de combustible de los lodos varía de aproximadamente 9.500 unidades térmicas británicas por libra (5.300 cal/g) de lodos de depuradora no digeridos a 2.500 unidades térmicas británicas por libra (1.400 cal/g) de lodos primarios digeridos. [21] Los incineradores de solera múltiple escalonados con un alto tiempo de residencia y los incineradores de lecho fluidizado son los sistemas más comunes utilizados para quemar lodos de aguas residuales. La co-combustión en plantas municipales de conversión de residuos en energía se realiza ocasionalmente, siendo esta opción menos costosa suponiendo que ya existan las instalaciones para los residuos sólidos y 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 atmosféricas 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 lodos de depuradora. Es necesario captar el agua de drenaje; los lechos de secado a veces se cubren, pero normalmente se dejan descubiertos. También se encuentran disponibles en el mercado dispositivos mecánicos para dar vuelta 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 entre 15 y 20 centímetros de espesor, seguida de grava fina de 10 centímetros de espesor. La tercera capa es de 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, puede ser necesario un tratamiento adicional para que sea adecuado para su eliminación final. Los lodos se espesan y/o deshidratan normalmente para reducir los volúmenes transportados fuera del sitio para su eliminación. Los procesos para reducir el contenido de agua incluyen el almacenamiento en lechos de secado para producir una torta que se puede aplicar a la tierra o incinerar; el prensado , donde el lodo se filtra mecánicamente, a menudo a través de tamices de tela para producir una torta firme; y la centrifugación, donde el lodo se espesa separando centrífugamente el sólido y el líquido. Los lodos se pueden eliminar mediante inyección de líquido a la tierra o mediante su eliminación en un vertedero.
No existe ningún proceso que elimine por completo la necesidad de eliminar los lodos de depuradora tratados.
Gran parte de los lodos que se originan en áreas comerciales o industriales están contaminados con materiales tóxicos que se liberan en las alcantarillas desde procesos industriales o comerciales o desde fuentes domésticas. [33] Las concentraciones elevadas de dichos materiales pueden hacer que los lodos no sean aptos para uso agrícola y, en ese caso, tal vez haya que incinerarlos o desecharlos en vertederos.
A pesar de la aparente falta de idoneidad de al menos algunos lodos de depuradora, la aplicación en tierras agrícolas sigue siendo una opción de uso común [34].
La planta 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 un 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 centrífugas junto con la adición de productos químicos como polímeros para eliminar aún más el líquido de los lodos. El producto que queda se llama "torta" y es recogido por empresas que lo convierten en pellets de fertilizante. Este producto, también llamado biosólido, se vende luego a agricultores locales y granjas de césped como enmienda del suelo o fertilizante, lo que reduce la cantidad de espacio necesario para desechar los lodos en los vertederos. [36]
En las grandes áreas metropolitanas del sur de California, las comunidades del interior devuelven los lodos cloacales al sistema de alcantarillado de las comunidades situadas a menor altitud para que sean reprocesados en unas pocas plantas de tratamiento de gran tamaño en la costa del Pacífico. Esto reduce el tamaño necesario 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 cloacales pueden ayudar a resolver una crisis energética. [37]
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