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Procesos y tecnologías para el tratamiento de lodos

El tratamiento de lodos generados en los procesos de tratamiento de aguas residuales está regulados bajo legislaciones específica, permitiendo una vez tratados adecuadamente, emplearlos en el sector agrícola como fertilizantes. Así, la calidad de los lodos varía conforme a la composición del agua residual de partida.

CLASIFCACIÓN DE LOS LODOS

En función del criterio empleado podemos disponer de 3 clasificaciones de los lodos generados durante los procesos de tratamiento de aguas residuales:

a) Según el origen del efluente a tratar:

  • Lodos urbanos
  • Lodos industriales

b) Según la etapa del tratamiento del agua residual se hayan generado: Figura similar

  • Lodos Primarios
  • Lodos Secundarios (biológicos)
  • Lodos Mixtos
  • Lodos Terciarios (químicos o físico-químicos)

Clasificación de los lodos

c) Según el tipo de tratamiento en la línea de lodos

  • Espesamiento: lodos Espesados
  • Estabilización: lodos Estabilizados (digeridos)
  • Deshidratación: lodos Deshidratados

TRATAMIENTO DE LOS LODOS

Posteriormente a la caracterización de los lodos a tratar mediante diversos sistemas de análisis, entre los que destacan: cromatografía, espectroscopia fluorescente de Rayos X, análisis bacteriológico…se establecen los valores de los siguientes parámetros que permitirán determinar los procesos de tratamiento de lodos más adecuados en base a su destino final.

Tratamiento de lodos

Concretamente, los parámetros que inciden mayoritariamente en la adecuación de los lodos para su uso agrícola y que por tanto deben analizarse antes y después del tratamiento de los mismos son:

a) Metales pesados: Cd, Cr, Ni, Hg, Pb, Zn y Cu

Los metales pesados son uno de los parámetros a tener en cuenta para la caracterización de los lodos. Desde la década de los 70, se ha producido una reducción muy significativa en el contenido de los mismos en los lodos de depuradora. Las razones principales de esta drástica reducción han sido las distintas legislaciones que han ido surgiendo en los distintos países, con el fin de regular y limitar este tipo de elementos debido a sus efectos nocivos sobre el medioambiente. Esto ha llevado a la industria y a las distintas administraciones implicadas a desarrollar y optimizar sistemas de gestión de los mismos que han permitido reducir los niveles de metales pesados emitidos al medioambiente. Los dos procesos que más han contribuido a este hecho han sido:

  • Reciclaje
  • Sustitución

Gracias al desarrollo de tecnologías cada vez más optimizadas y procesos alternativos vinculados con ambos puntos se ha alcanzado una reducción muy significativa de las emisiones de de metales como el Cadmio, que en los últimos 30 o 40 años ha disminuido drásticamente su emisión al medioambiente (http://www.cadmium.org/environment/cadmium-emissions)

b) Microorganismos patógenos: Salmonella spp, Escherichia colli
c) Agronómicos: pH, Conductividad H, MO, NT, org NH3, P, Ca, Mg, K y Fe
d) Contaminantes orgánicos: AOS, LAS, Ftalatos, Nonilfenoles, Hidrocarburos aromáticos policíclicos, Policlorobifenilos, Dioxinas y furanos, Difenil éteres bromados

Así, teniendo en cuenta la línea de lodos podemos diferenciar 3 grandes etapas de tratamiento, en las que encontramos distintos procesos asociados:

1. Espesamiento

Los procesos de tratamiento de lodos que representan a esta etapa permiten una reducción del volumen del lodo a tratar, eliminando agua y aumentando así la concentración en sólidos. El objetivo principal es el incremento de la eficacia y la optimización económica de los procesos posteriores.

Los principales procesos de espesamiento son:

  • Espesamiento por gravedad: emplea la fuerza de la gravedad. La alimentación se produce por la zona central, en la parte inferior se recogen los lodos espesados y en la superior queda el sobrenadante. Este sistema se emplea en lodos primarios, físico-químicos y mixtos que decantan bien por gravedad. Los lodos biológico decantan lentamente
  • Espesamiento por flotación: el lodo se concentra en la parte superior, por la unión de microburbujas, generalmente de aire, a los sólidos en suspensión, que acaban siendo menos densos que el agua. Este tipo de sistema está indicado para el espesado ´de fangos biológicos debido a su baja capacidad de sedimentación.
  • Espesamiento mecánico: la concentración de lodo se lleva a cabo aumentando las fuerzas gravitacionales.
    • Centrifugación: se aplica una fuerza centrífuga que permite la separación. Se emplea principalmente en lodos biológicos. Suelen ser equipos caros que requieren medidas adecuadas de mantenimiento.
    • Tambor rotativo: separación por filtración, a través del tambor rotativo. Se emplea en caso de lodos biológicos. Los costes de intervención no son elevados, requieren de poco espacio y no producen olores.
    • Mesas espesadoras: la separación se produce por drenaje del agua a través de una cinta horizontal porosa en movimiento. Están indicadas para lodos activos o digeridos. No es adecuado en el caso de lodos físico-químicos.

2. Estabilización

Cualquiera de los 3 procesos principales empleados en la estabilización de los lodos permite una reducción de la MO presente en los mismos, con el fin de:

a) Reducir los patógenos
b) Eliminar olores
c) Reducir o eliminar la capacidad de putrefacción de la MO

Los procesos de estabilización se dividen en:

2.1. Estabilización biológica

2.1.1 Estabilización aeróbica

Proceso biológico en el que, por acción microbiológica, se oxida MO, mediante un aporte de oxígeno en los digestores abiertos. De este modo se reduce la masa final del lodo, modificándolo para adecuarlo a procesos posteriores.

Se emplea como tratamiento secundario de una EDAR sin tratamiento primario. También puede emplearse para lodos mixtos con un aporte más elevado de oxígeno. Los factores que afectan a este proceso son:

  • Tiempo de retención
  • Temperatura
  • Necesidades de oxígeno y de mezcla

2.1.2 Estabilización aeróbica termófila

Se trata de una digestión aeróbica autotérmica termófila desarrollada para conseguir cumplir las regulaciones cada vez más estrictas. Se basa en la conservación de la energía térmica generada en la digestión aeróbica de la MO de los lodos, para alcanzar y mantener temperaturas termófilas (50-70 ºC).

2.1.3 Compostaje

Se trata de un proceso de descomposición bilógica y estabilización de MO en condiciones controladas y aeróbicas, desarrollando temperaturas termófilas, producto del calor generado biológicamente. El resultado es un producto estable y libre de patógenos. La MO se descompone en CO2, agua, minerales y MO estabilizada.

Se puede llevar a cabo solo con lodos o mezclándolos con agentes estructurantes que faciliten las condiciones aeróbicas. Las principales etapas son:

  • Mezclado
  • Fermentación o compostaje
  • Maduración
  • Refino

Es efectivo en la descontaminación de contaminantes orgánicos como: Hidrocarburos de petróleo, compuestos monoaromáticos, explosivos, clorofenoles, algunos pesticidas y compuestos aromáticos policíclicos.

Los microorganismos pueden actuar mineralizándolos o transformándolos parcialmenete.

En el caso de los contaminantes metálicos no son retirados significativamente durante el proceso. Se producen reacciones de oxidación y reducción de los mismos que influyen en la solubilidad, reduciéndose su disponibilidad y toxicidad en la fracción sólida.

Es necesario un adecuado control, de los parámetros críticos (pH, aireación, humedad, relación C/N) para evitar condiciones anaeróbicas en la masa de compostaje que provoquen aumento de olores

2.1.4 Estabilización anaeróbica

Es uno de los métodos más comunes para la estabilización de lodos. Consiste en la degradación de la MO, por la acción de en ausencia de oxígeno, liberando energía, metano (CH4), dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O), gracias a la acción de algunos tipos de bacterias.

Se produce en 4 etapas: Hidrólisis, Acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis.

Estos sistemas se clasifican en: baja carga, alta carga, contacto anaeróbico y con separación de gases. En este proceso deben controlarse:

  • pH
  • Temperatura
  • Alimentación de fango
  • Tiempo de retención
  • Producción de gas

2.2 Estabilización química

Es una alternativa a la estabilización biológica para el tratamiento de lodos. El objetivo de este tipo de estabilización es la de reducir o minimizar los patógenos y reducir sustancialmente los microorganismos capaces de producir olores.

2.2.1 Estabilización con cal

El producto aplicado mayoritariamente es la cal. Se añade al lodo a la dosis adecuada para mantener el pH a 12 durante el tiempo suficiente (mínimo 2 h) para eliminar o reducir los microorganismos patógenos y los responsables de los olores. Este sistema se suele usar:

  • Depuradoras pequeñas con incorporación de lodos a terrenos naturales o almacenados antes del transporte
  • Depuradoras con necesidad de estabilización adicional
  • Sistema complementario de estabilización durante periodos en que otros sistemas están fuera de servicio

Normalmente se incorpora antes del secado de los lodos aunque también puede emplearse a posteriori, empleando menores cantidades de cal. La dosificación de cal depende de:

  • Tipo de lodo
  • Composición química del lodo (incluyendo la MO)
  • Concentración del lodo

Durante el proceso de tratamiento de lodos mediante cal viva es necesario mantener el pH por arriba de 12, por un tiempo mínimo de 2 horas, para asegurarse la destrucción de los patógenos y proporcionar la suficiente alcalinidad residual para que el pH no descienda a menos de 11. Permitiendo, así, el tiempo suficiente para almacenamiento o disposición del lodo estabilizado. La cantidad de cal necesaria para estabilizar el lodo está determinada por el tiempo del mismo, su composición química y la concentración de sólidos. A grosso modo, el rango va desde el 6 hasta el 51%. Teniendo en cuenta que los lodos primarios son los que menos cantidad de cal requieren y los lodos activados los que mayor cantidad emplean.

2.2.2 Oxidación con cloro

Se incorpora una dosis alta de cloro al lodo a tratar. Se lleva a cabo en reactores cerrados y se necesitan periodos de retención cortos. Por ahora este sistema no está extendido a nivel industrial.

estabilización biológica de lodos

Estabilización química de lodos

2.3 Acondicionamiento

Los lodos de consistencia gelatinosa pueden dificultar las operaciones de secado. En estos casos se realiza un acondicionamiento previo para mejorar las características del lodo para su deshidratación. Los métodos más frecuentes son:

2.3.1 Acondicionamiento químico

Da como resultado la coagulación de los sólidos y la liberación del agua absorbida, Se usa antes de cualquier proceso de secado. Los productos químicos empleados son:

  • Cloruro férrico
  • Cal
  • Sulfato de alúmina
  • Polímeros orgánicos

Los 3 primeros proveen desinfección y estabilización del lodo. Los polímeros no provocan desinfección pero son más fáciles de alimentar y suelen ser más económicos.

El objetivo de este tipo de estabilización es la de reducir o minimizar los patógenos y reducir sustancialmente los microorganismos capaces de producir olores.

2.3.2 Acondicionamiento térmico

Se lleva a cabo un calentamiento de los lodos a temperaturas que varían entre 160-210 ºC durante cortos períodos de tiempo bajo presión. Esto provoca una coagulación de los sólidos y un cambio en la estructura, reduciéndose la afinidad del agua por parte de los sólidos del lodo.

El lodo queda esterilizado, prácticamente desodorizado y aumentando significativamente su capacidad de deshidratación

3. Deshidratación

Se trata de una operación física (natural o mecánica) empleada para reducir el contenido de humedad del lodo y su volumen. Sus objetivos principales son:

  • Aumentar el contenido de materia seca del solo de un 3-40%
  • Disminuir los costes de transporte por reducción de volumen
  • Mejorar el manejo y transporte de los lodos
  • Evitar olores
  • Aumentar el poder calorífico por disminución de la humedad

Los sistemas más extendidos son los mecánicos por delante de los naturales. Desde el punto de vista económico las tecnologías de deshidratación prevalecen en orden descendente:

  • Centrífugas
  • Filtros de prensa de correa
  • Filtros de prensa

3.1 Sistemas mecánicos

3.1.1 Centrífugas

Consisten en un tambor cilindro-cónico de eje horizontal que se fundamenta en la fuerza de centrifugación para la separación de la fase sólida del agua. Hay dos tipos de centrifugación en la deshidratación de los lodos:

a) Centrifugación contra corriente: los sólidos y el líquido circulan en sentido contrario dentro del cilindro.
b) Centrifugación equicorriente: la fracción sólida y la líquida discurren en el mismo sentido.

3.1.2 Filtro de prensa

Los filtros prensa constan de una serie de placas rectangulares verticales dispuestas una detrás de otra sobre un bastidor. Sobre las caras de estas placas se colocan telas filtrantes, generalmente de tejidos sintéticos. El espacio que queda entre dos placas, en su parte central hueca, es el espesor que adquirirá la torta resultante. Este espesor puede oscilar entre 15-30 mm.

La superficie de los filtros prensa puede ser de hasta 400 m2, y la superficie de las placas de 2 m2. Estos filtros suelen estar formados por más de 100 placas. El proceso de filtrado varía entre 25 horas, dependiendo de la duración de las diferentes etapas que pasamos a enumerar a continuación:

  • Llenado
  • Filtrado
  • Descarga
  • Limpieza

Con este proceso de tratamiento de lodos se consigue una estanqueidad del 35-45%, según las características del lodo a tratar. Se necesita personal especializado y cualificado para su mantenimiento y explotación.

3.1.3 Filtro de banda

Es un sistema de alimentación continua de fango, donde se realiza también un acondicionamiento químico, generalmente con polielectrolitos.

En los filtro banda primero se produce un drenaje por gravedad y después se hace pasar al fango por una aplicación mecánica de presión para que se produzca la deshidratación, gracias a la acción de una telas porosas.

Es un método barato, ya que no necesita una gran inversión inicial, los costes de mantenimiento y explotación son bajos y la instalación representa un bajo consumo energético.

3.2 Sistemas naturales

3.2.1 Eras de secado

Se trata de un sistema de deshidratación natural. Son capas de materiales drenantes dispuestas de forma vertical en un receptáculo.

El fango se hace pasar sobre estas capas de grava o arena produciéndose el filtrado y la deshidratación de los lodos por evaporación. Esta evaporación dependerá de las condiciones climáticas de la zona, los días de exposición de los lodos y las características del lodo.

El material drenante suele estar formado por por capas de 10 cm de arenas sobre una capa de grava de 10-20 cm, colocando una red de tuberías en la parte inferior para recoger el agua que volverá a ser tratada en la E.D.A.R. La capa de arena debe reponerse cada cierto tiempo ya que se pierden arenas en el proceso de filtrado y recogida de los lodos.

El inconveniente que presenta este proceso es la gran superficie de terreno que se requiere.