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“LA CAL EN LA HIGIENIZACIÓN DE LOS
LODOS Y EN LA OBTENCIÓN DE COMPOST”
Mª del Carmen Cartagena CausapéDepartamento de Química y Análisis Agrícola
E. T. S. I. Agrónomos
Los lodos de depuradora
• Los lodos o fangos se generan en las Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR)
• En una EDAR convencional se forman diferentes tipos de lodos conforme se avanza en la depuración del agua.
• Los diferentes tipos son mezclados para tratarse conjuntamente– el lodo primario procedente una sedimentación más
un proceso físico-químico (tratamiento primario)– lodo secundario procedente un tratamiento
biológico convencional (tratamiento secundario).
Los problemas de los lodos• Diariamente se producen en elevados volúmenes, valores que
tenderán al alza debido a la cada vez más exigente normativa respecto a la depuración de aguas
• Su composición presentan gran cantidad de materia orgánica fácilmente putrescible, que entre otros efectos ocasiona malos olores
• Presencia de microorganismos patógenos (legionelas, amebas, bacterias), que suponen un riesgo para la salud humana
• Contenido en metales pesados altamente contaminantes (As 10, Cd 10, Cr 500, Co 30, Cu 800, Fe 17000, Pb 500, Mn 260, Hg 6, Mo 4, Ni 80,Se 5, Sn 14 Zn 1700, mg de metal / kg de lodo seco, Metcalf y Eddy,1998)
• Presencia de hidrocarburos aromáticos policíclicos (5.5 mg PAH / kg de lodo seco, Zheng y col.,2007 ).
Incineración
Vertido
Aplicación al suelo
OPCIONES PARA LOS LODOS DE DEPURADORA
Los lodos en las ERAR
En las ERAR debe de existir una línea de tratamiento de lodos, consistente en dos procesos fundamentales:
• Estabilización del lodo: la eliminación de la carga patógena, de olores desagradables, del potencial de putrefacción.
• Deshidratación del lodo o secado térmico. Indispensable para su correcto manejo, almacenamiento, transporte, etc y posteriorvalorización del producto.
Unidad de proceso Método Funciones
Estabilización
Lodo bruto
Concentración
Acondicionamiento
Concentración
Deshidratado
Secado
Eliminación del residuo
Digestión aerobiaDigestión anaerobiaEstabilización químicaCompostaje Tratamiento térmicoIrradiaciónLagunaje
Control de la putrescibilidadDestrucción de patógenosControl de oloresReducción de volumenReducción de pesoProducción de gas (subproducto)
Adición de reactivosElutriaciónTratamiento térmico
Mejora de la deshidrataciónMejora de la captura de sólidosAumento de la velocidad de producción
CentrifugaciónFlotación por aire disueltoSedimentación por gravedad
EspesamientoEliminación de aguaMezcla de lodos
CentrifugaciónEras de secadoLagunajeFiltros a presiónFiltros a vacío
Eliminación de aguaReducción de volumenReducción de pesoFormación de una torta seca
Tratamiento térmicoIncineraciónPirolisisOxidación húmeda
Eliminación del aguaReducción del volumenReducción de pesoUtilización del producto final
Fijación químicaAplicación al terrenoLlenado de zanjasInyección en pozo
Eliminación del residuoUtilización del producto final
Deshidratación y estabilización de lodos
• Los lodos deshidratados según el grado de humedad se pueden dividir en:– Lodos pastosos: 30-50 % de materia seca. Permite
su vertido al terreno.– Lodos secos: 50-90 % MS. Lodos estabilizado y sin
olor.– Lodos totalmente secos: > 90 % MS. Lodo
estabilizado y sanitariamente seguro. Permite un almacenamiento de larga duración.
• La estabilización se puede clasificar en:– Tratamiento químico: Encalado– Tratamiento biológico: Digestión anaeróbica. Más
usual
Tratamiento de los lodos en las distintas Comunidades Autónomas (MARM,2009)
¿Por qué higienizar los lodos?
Producción de lodos:1.200.000 t de materia seca/año
Valorización agrícola:725.000 t de materia seca/año
Porcentaje del destino final de los lodos (MARM, 2009)
Patógenos en lodos de depuradora (Strauch,1998)
Virus Bacteria FungiEnteric virusRespiratory virusAdenovirusAstrovirusCalicivirusCoronavirusEnterovirusParovirusReovirusRotavirusVirus hepatitis A ProtozoosAcanthomoebaDientamoebaFragilisEntamoebaHystoliticaGiardia lambliaGiardia intestinalisIsospora belliPalantidium coliSarcocystis sppToxoplasma gondii
Aeromonas sppBacillus cereus y anthracisBrucella sppCitrobacter sppClostridium botulinum y perfringensEnterobacteriaceaeEscherichia coliKlebsiella ppLeptospiraIcterohaemorrhagiaeListeria monocytogenesMycobacterium tuberculosisPasteurellaPseudotuberculosisProteus sppProvidencia sppPseudomonas aeruginosaSalmonella sppSerratia sppShigella sppStaphylococcus aureusEnterococcus sppVibrio cholerae
Aspergillus fumigatusCandida albicansCandida guillermondiiCandida KruseiCandida tropicalisCryptococcus neoformansEpidermophyton sppGeotrichum candidumMicrosporum sppPhiolophora richardsiiTrichosporon cutaneumTrichophyton sppHelmintosAnkylostoma duodenaleAscaris lumbricoidesEchinoccus granulosusEchinococcusMultilocularisEnterobium vermicularisNecator americanusStrongyloides stercoralisTaenia saginataTaenia solium
La cal en el tratamiento de lodos, biosolidos
• La cal viva (CaO) y la cal apagada (Ca(OH)2 ) se han venido utilizando en el tratamiento de residuos orgánicos desde hace mas de 100 años
• El tratamiento con cal de lodos de tratamiento de aguas residuales urbanas (biosolidos) está específicamente preescrito en las EPA (USA)
¿Cómo actúa la cal viva?
proceso basado en:El incremento de temperatura
CaO + H2O Ca(OH)2 + 1.140 kJ/ kg
El valor de pHla alcalinidad producida por los
grupos (OH)- generados• 1 kg of CaO genera 0,607 kg
(OH)-
Óxido de calcio
• Cuando se utiliza la cal viva CaO se produce una reacción exotérmica con el agua. El calor generado aumenta l temperatura del residuo hasta 70ºC provocando su pasterización.
• El alto valor del pH precipita la mayoría de los metales pesados presentes en el residuo y reduce su solubilidad y movilidad
• Reacciona con los compuestos de fósforodisminuyendo su solubilidad y movilidad
¿Efectos de la cal viva ?
¿Cómo actúa la cal hidratada (apagada) ?
• El Ca(OH)2 es un compuesto alcalino que aumenta el pH hasta 12.4
• A valores de pH superiores a 12, la membrana celular de los microorganismos patógenos se destruye
• Barrera a los vectores: previene la trasmisión de enfermedades por insectos
• Persistencia debido a la baja solubilidad en agua de la cal que ayuda a mantener el pH y previene el rebrote de patógenos
¿Cómo actúa la cal ?
• El Ca(OH)2 proporciona iones Ca2+
libres que reaccionan y forman complejos con compuestos de azufre: SH2 y mercaptanos disminuyendo el olor
• La adición de cal incrementa el contenido en sólidos del residuos, haciendo más fácil su manejo y almacenaje
SENCILLO
VERSATIL EFECTIVO
BARATO
CAL VENTAJAS
Tratamiento de lodos: Adición de cal viva
Comportamiento de indicadores (unidades logarítmicas) durante diferentes tipos de tratamientos (De Bertoldi et al 1991; UKWIR 2002;Mocé-Ilivina et al, 2003;
Schwartzbrod 1997)
Trat. térmico
Acondicionamiento con cal Digestión anaerobia mesofílica
Digestión anaerobia termofílica
Compostaje
Lodos Bioresiduo
Patógenos 2.00 4.00
Coliformes fecales 1.30->6.70 0.68->6.00
Enterococos >2.70 2.22 3.00-4.00 0.05-1.00 0.71-4.00
Clostridium 0.30 2.30
C.perfringens 0.10->4.00
S.senftenberg 4.71-7.95 4.18 2.09-2.39
E.coli >3.60 2.57 4.35-4.76 3.37 6.18
Cryptosporidium 0.00-1.98 2.67
L.monocytogenes 6.75 2.23 2.44-3.10
Virus 0.50-2.00 6.00
Polivirus 6.50-6.82 4.46 7.85
Lodos de depuradora PLAN NACIONAL INTEGRADO DE RESIDUOS (PNIR)
(2007-2015)
Prevención y reducción de la contaminación en origenCaracterización suelos receptores
Mapa de MO y MP de los suelos agrícolas y pastizalesMapa del contenido en P
Caracterización de los LDCEDEX, CIEMAT, IMIDRA 66 depuradoras
Tratamiento de lodosCalidad del compost de los LDNormativa sobre el compost
Real decreto 824/2005 sobre Productos fertilizantesNormativa analítica de los LD
Proyecto HorizontalProgramas I+D+i
Prevención de la contaminación de los LD.Códigos de buenas prácticas en fertilización agrícola a base de LD.Calidad de los tratamientos de los LD, en particular del Compostaje.Búsqueda de nuevos usos de los LD
Caracterización de los lodos de depuradoras generados en España MARM (2009)
CALCIO• Su presencia en los lodos está condicionada no
sólo por el origen del agua residual, sino también por el tratamiento que recibe en las EDARs.
• Los resultados obtenidos para el Ca asimilable presentan un amplio rango de valores desde 100 a 30.000 mg/kg de materia seca.
• Los valores de Ca total oscilan entre 10.000-120.000 mg/kg de materia seca.
Normativas• UNIÓN EUROPEA
• Directiva 86/278/CEE. Utilización de lodos de depuradora en agricultura, 1986 (RD 1310)
• Documento de trabajo en biosólidos, elaboración de diferentes documentos desde 2000
• ESTADOS UNIDOS
• Control of pathogens and vector attraction in sewage sludge. USEPA 625/R92/013. 1993-1999-2003
Normativas: UNIÓN EUROPEA
• Directiva 86/278/CEE
Restricciones:
-Metales pesados
• Nueva directiva
Working Document on Sludge, Draft
Restricciones:
-Metales pesados-Contaminantes orgánicos-Dioxinas-control microbiológico
TRATAMIENTOS AVANZADOS DE HIGIENIZACIÓN
Estabilización de biosolidos. EPA :
Dos categorias de reducción
Clase A:
[40 CFR 503.15, 503.32(a)]
Muy baja concentración de patógenos
Elevado pH y 70º durante 30 minutos
Utilización sin restricciones
Clase B :
[40 CFR 503.15, 503.32(b)]
Mayor concentración de patógenos que la Clase A
Mantener el pH a valores superiores a 12 durante 2 horas y mantenerlo a 11,5 durante 22 horas
Restricciones de utilización
Movilidad de metales en suelos (Förstner, 1985)**
Metal Neutro, alcalino AcidoCd 2 4Cu 1 3Zn 2 4Hg 1 4Pb 1 3Cr 1 3Ni 1 4Se 5 1Mo 5 1As 4 1Tl 2 2Fe 2 2Mn 3 4Al 1 3
Para estimar la movilidad, se le atribuye una nota entre 1 (el menos disponible) a 5 (el más disponible)
Valor límiteRD 1310/90
Suelo pH<7 Suelo pH >73er Draft.WorkingDocumento onsludge
Propuesta de Directiva 2003
METALES PESADOS(mg/kg sms)
CdCr (total)Cr(VI)CuHgNiPbZn
20 401000 1500
--- ---1000 1750
16 25300 400750 1200
2500 4000
101000
101000
10300750
2500
101000
---1000
10300750
2500
COMPUESTOS ORGÁNICOS(mg/kg sms)
AOXLASDEHPNPEPAHPCB
------------------
5002600100506
0,8
---5000
---450
60,8
DIOXINAS y FURANOS(ng ITQ/kg sms)
PCDD/F --- 100 100
Tratamiento de efluentes
• Neutraliza ácidos• Ajusta el pH antes de otro tratamiento o
descarga• Precipita metales, sulfato o fluoruros• Reduce nutrientes( fosfatos y nitrógeno)• Modifica las características de los lodos
La cal en el tratamiento
de aguas residualesurbanas
Precipitación del P Facilita el stripping del N
Contrarresta la acidez de la alumina y del
FeCl3
Prevención de la eutrofización Facilita la separaciónde lodos
Clarificante(con coagulantes)VEGETALESFRUTAS
Precipita sólidosdisueltosTEXTILES
Precipita metales pesados
Neutralizaresiduos ácidos (H2SO4)ACERO, RAYON
La cal en el tratamiento de aguas residualesindustriales
Residuos ganaderos
• Problemas medioambientales• Carga de exceso de nutrientes en suelos
agrícolas• Metales pesados• Eutrofización de aguas superficiales• Contaminación de aguas
subterráneas• Aporte de patógenos• Malos olores
Aspectos positivos de la cal en el tratamiento de residuos animales
• Reduce el número de microorganismos patógenos– Reduce el riesgo de salud pública
• Reduce la actividad microbiológica– Inhibición de la biodegradación– Reduce la DBO y la contaminación potencial– Reduce el riesgo de vectores– Incrementa la aceptabilidad del producto en agricultura
• Reduce la el contenido y la biodisponibilidad de los nutrientes: P y N – Reduce la eutrofización y el potencial contaminante
• Ayuda a contrarestar la acidificación del suelo cuando el producto se añade al suelo
Aplicación agrícola de residuos orgánicos tratados con cal
INCONVENIENTESVENTAJAS
¿Que efecto produce en los nutrientes?
Pérdidas de amoniaco por volatilización
NH4+ + OH- = NH3 gas
Disminuye el P asimilable por formación de especies no disponibles
Tratamiento Relación molar
X/P WSP WSPi
WSP0 mg/kg Lodos no tratados 3520 3386 199 Lodos 50 días 848 734 114 compostados 156 días 559 508 51 214 días 772 703 19 Adición de sulfato ferroso Fe/P 0,58 922 848 85 1,01 213 142 75 1,9 74 14 36 3,04 39 9 27 16,53 45 14 35 Adición de oxido de cal Ca/P 2,32 1122 1032 80 2,75 466 371 106 3,47 181 16 165 8,33 147 24 126 17,72 66 1,3 64 Adición de alumina Al/P 1,04 496 462 37 1,65 77 20 53 2,87 522 495 39 9,55 5300 5313 0 22,17 3910 3833 78
Relación entre WSP (moles kg-1) y su contenido en Ca+Fe (moles kg-1) en los bioresiduos.
y = 0,017x-1,03
R² = 0,682
0,000
0,050
0,100
0,150
0,200
0,250
0,300
0,350
0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000
WS
Pto
tal
(mo
les
kg
-1)
Fe+Ca (moles kg-1)
RELACIÓN ENTRE WSP y Ca+Fe
EL FOSFORO EN LOS BIORESIDUOS: LOS METODOS DE EXTRACCION SECUENCIAL COMO SISTENMA DE VALORACION DEL RIESGO DE LAS PERDIDAS DE P.
RESULTADO
S
RESULTADOS DE LA METODOLOGÍA DE XIAO-LAN HUANG
PARA BIOSÓLIDOS
P débilmente enlazado P lábil
Lodo LTG 14,09 21,75Lodo IND 53,34 60,42
Lodo EDAR 18,73 27,96Lodo ETAP 55,59 65,64Compost S 12,20 31,69
Compost X 18,74 40,24Compost L+RV 19,17 33,62Compost L+RV(2) 14,58 46,09
68,31
RESIDUO
MÉTODO DE XIAO-LAN HUANG (porcentajes)
BIOSÓLIDOS (LODOS)
59,7666,3853,91
P poco disponible
78,2539,5872,0434,36
National Phosphorus Research Project runoff box protocol (2001)
Intensidad de lluvia: 100 mm/h
Ensayos de pérdidas de fósforo por escorrentía superficial con simuladores de lluvia
RESULTS: BIOAVAILABLE P (BAP) IN RUNOFF
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Dry slurry Fresh slurry
Dry sludge
Wet sludge
MSW digest
MSW compost
Bare soil
BAP
(mg/
L)
Event 3
Event 4
Ca 5,2
Fe 1,3
Ca 6,3
Fe 2,3
Ca 6,5
Fe 58,6
Ca 16,9
Fe 65,8
Ca 51,6
Fe 6,7
Ca 35,2
Fe 5,1
Ca g/kg
Fe g/kg
Pérdidas de DRP por lixiviación
PSI =159
PSI =53
Suelo básico Suelo ácido
Valoración de riesgo:
Purín de cerdo fresco
Lodo húmedo
Purín seco
Lodo seco
WEP/ P total % de WEP perdido
Purín de cerdo fresco
Purín seco
Lodo húmedo
Lodo seco
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Patógenos
Compost/digestado es higienizado cuando:
Salmonella spp Ausente en 50 g (húmedo)
Clostridium perfringens Menos que 3,000 especies/g
Escherichia coli Menos que 103 cfu/g (húmedo)
Tem
pera
ture
Time
Milk of quicklime
Reactivity delayed
STANDARD QUICKLIME(Powder + water)
This patented product is formulated with delayed quicklime, an additive and water.