El aumento de la demanda de agua tiene como consecuencia el aumento de los residuos que genera. Por ser la tecnología un aspecto crítico para la gestión de residuos, evaluaremos el tratamiento convencional en contraposición a la tecnología MBR. Analizaremos las ventajas y desventajas que presenta cada uno. Además, haremos hincapié en los lodos que ambos sistemas producen y cómo las formas de tratamiento de lodos de depuración de aguas residuales nos permiten revalorizar estos residuos.
INDICE
La problemática del creciente consumo de recursos hídricos
El vertido de aguas contaminadas supone un gran impacto sobre el medio ambiente. El constante desarrollo industrial, junto al aumento de la densidad de la población, repercute directamente en el medio ambiente. Esto es debido a que la demanda de agua se ve incrementada, con lo cual, también aumenta el vertido de aguas contaminadas en el medio ambiente. Un impacto que requiere un adecuado tratamiento de lodos de depuración de aguas residuales.
Tecnología de depuración y desalinización como solución a la creciente demanda. Para afrontar el reto de un incremento de la demanda, es necesario recurrir a nuevas fuentes de agua para incrementar la producción de recursos hídricos. Estas fuentes pueden tener un origen no natural, pero necesitan cumplir con la exigencia de calidad impuesta por la legislación. Depuración de aguas residuales y desalinización son dos tecnologías que nos permiten el aumento de la producción de agua.
Depuración de aguas residuales y desalinización, fuentes de agua de origen no natural.
El desarrollo de tecnologías en tratamiento de agua pone rumbo a la economía circular. Un inconveniente al que habitualmente se hace referencia es el alto consumo energético, sin embargo, puede ser compensado con el uso de energías renovables. Además, en el caso de la depuración, la generación de lodos ofrece la oportunidad de emplearlos como fertilizantes.
Reutilización de lodos en la economía circular. En el presente artículo, se compara la depuración convencional frente a un reactor biológico de membranas (MBR). A continuación, analizaremos las alternativas de tratamiento de lodos en las plantas depuradoras. Recuperar los desechos y darles un nuevo valor, como materia prima o a través de los suelos de cultivo, es un paso hacia la economía circular.
Dar un nuevo valor a los desechos, como materia prima, nos enfoca hacia la economía circular.
Gestión de aguas residuales
Lodos, subproducto generado durante el tratamiento de aguas. El establecimiento de depuradoras con carácter obligatorio, mejora la calidad de las aguas vertidas. Sin embargo, es necesario un adecuado tratamiento de lodos de depuración de aguas residuales la cantidad de lodos generados que se deben tratar.
La producción de lodos se verá incrementada acorde al crecimiento demográfico. Actualmente, el tratamiento de aguas residuales genera millones de toneladas de lodo en todo el mundo. La Unión Europea, Estados Unidos y China, contribuyen con 8 millones de toneladas (2011), 7.2 millones (2010) y 9.2 millones (2009) respectivamente. Ante esta previsión, es esencial encontrar el modo de aprovechar los lodos y conseguir una eliminación factible y sostenible.
Ante el aumento de la producción de lodos, es necesario hallar la fórmula para su reutilización
Tratar lodos, los convierte en aprovechables al eliminar su toxicidad. Los lodos, a causa de los procesos fisicoquímicos que desarrollan suelen tener una alta presencia de organismos patógenos, elementos orgánicos y dependiendo de su proveniencia pueden contener metales pesados. Por ello, es necesario realizar un adecuado tratamiento que permita estabilizar los lodos y hacer de ellos un material con valor aprovechable.
Depuración convencional frente a MBR
En esencia, una Estación Depuradora de Aguas Residuales busca reducir la contaminación. Por ello, al referirnos a una EDAR (por sus siglas), debemos tener presente la agrupación de instalaciones dedicadas a que el agua alcance un mínimo de calidad. El mínimo de calidad aceptable es un concepto que ha evolucionado para ser cada vez más estricto. Es decir, cada vez, la calidad exigida debe de ser mayor a la vez que los niveles de contaminación deben ser menores.
Un diseño de EDAR enfocado a sus objetivos. A la hora de diseñar una EDAR, debemos tener en cuenta la cantidad de procesos que lleva a cabo, como la depuración de agua y el tratamiento de lodos de depuración de aguas residuales, entre otros. Por ello, se debe tener presente todas las variables implicadas en estos procesos. Por ejemplo, la calidad del agua residual a tratar y la expectativa de calidad de agua después del tratamiento, límite de vertido, etcétera.
La calidad del agua a tratar y calidad deseada son clave para el diseño de la EDAR
Depuración EDAR de agua tradicional
Una estación EDAR consta de las siguientes etapas
1. Desbaste y tamizado
En esta etapa se produce un primer cribado. Se extraen los sólidos de mayor tamaño existentes en el efluente ya sean papeles, plásticos u otros objetos arrastrados por la corriente.
2. Desarenado y desengrasado
Durante el desarenado se retiran por acción de la gravedad minerales y partículas existentes que dañarían la instalación. El desengrasado elimina las grasas, espuma y materiales flotantes que obstaculizarían la etapa de aireación.
3. Tratamiento primario
El agua fluye lentamente permitiendo la sedimentación de los sólidos en suspensión, además pueden añadirse agentes floculantes para favorecer el proceso. En esta etapa se obtienen los lodos primarios.
4. Tratamiento secundario o biológico
Se dan una serie de fenómenos biológicos que producen la degradación de la materia orgánica existente en la corriente de agua, disminuyendo así su contaminación. Es necesaria una correcta aireación para proporcionar oxígeno a las bacterias que permiten la digestión y eliminación de la materia orgánica. En esta etapa se producen los lodos secundarios.
5. Decantación secundaria
Nueva etapa de sedimentación donde se eliminarán los fangos o lodos secundarios generados tras el tratamiento biológico. Los lodos producidos en esta etapa pueden ser reintroducidos en el tratamiento secundario para una mayor descomposición de la materia orgánica.
6. Tratamiento terciario
Puede incluir el tratamiento químico a fin de reducir sustancias concretas o un sistema de desinfección del agua tratada.
7. Línea de fango
Los lodos se pueden someter a diferentes procesos como el secado para su transporte a vertederos, la utilización directa en la agricultura, la incineración etc.
Imagen 1. Tratamiento convencional de aguas residuales
Biorreactor de membranas MBR
La tecnología evoluciona para dar solución a una normativa cada vez más exigente. Un ejemplo es el Reglamento de la UE 2020/741 del 25 de mayo de 2020 relativo a los requisitos mínimos para la reutilización del agua. El sistema MBR, se presenta como una de las tecnologías de depuración con más futuro porque, dando cumplimiento a la normativa, permite reducir considerablemente el tamaño de las plantas de depuración.
Tecnología MBR, lo mejor de un sistema convencional y de las membranas. Por ello, comparar ambos modelos nos ofrecerá una visión amplia sobre la evolución de la tecnología. Además, analizando las características de los distintos modelos, podremos apreciar porqué MBR logra combinar el sistema convencional de lodos activados y la filtración de membranas en menos espacio.
Un MBR aúna en un único proceso los sistemas convencional y de membranas
Etapas de MBR
En una MBR se producen distintas operaciones unitarias de forma combinada. En un solo proceso tienen lugar las etapas de decantación, biológica y de filtración.
Pre Tratamiento
Un tamizado previo es necesario para alargar la vida útil de la membrana. Para evitar dañar las membranas, es necesario eliminar los sólidos de mayor tamaño. Habitualmente se integran tamices rotativos que separan los sólidos del fluido. Posteriormente se retiran los aceites y grasas ya que ralentizan el proceso de degradación y reducen la permeabilidad de la membrana.
Procesos Biológicos
Los procesos biológicos mantienen similitudes con el proceso de fangos activos. Puede producirse combinación de procesos, por ejemplo un proceso anóxico/aerobio permite obtener una reducción de nitratos y la degradación de la materia orgánica. Es habitual que los MBRs incorporen un sistema que permita la sedimentación de los lodos para su extracción o la recirculación a otras partes del proceso.
Una mayor edad de fango para una capacidad superior de degradación. Los sistemas MBR es posible alcanzar edades de fango elevadas, lo cual, favorece el desarrollo de microorganismos de crecimiento lento como nitrificantes o bacterias. Una mayor edad de fango ofrece un licor de mezcla más activo capaz de degradar una gama superior de compuestos.
La edad que alcanza el fango en una MBR es clave para su eficacia. En un MBR se consigue una reducción de lodos generados de entre 30 – 50% respecto a sistemas convencionales de lodos activados. Esta reducción se debe a las altas edades de fango, lo cual, permiten un mayor aprovechamiento del sustrato. Además, las constantes de velocidad son muy superiores a las del tratamiento convencional.
Separación sólido-líquido
La configuración del proceso de membranas se distingue por su geometría. Acorde a la variable geométrica, podemos distinguir seis configuraciones distintas: placa plana, tubo capilar, fibra hueca, filtro de pliegues, multi tubular y espiral. A pesar de la amplia gama existente, los más empleados son los de fibra hueca y placa plana.
Ventajas del MBR
El sistema MBR permite reunir todas las fases en un mismo módulo. El módulo de membranas puede encontrarse en la misma cámara que el reactor biológico y se encarga de realizar la separación sólido-líquido en el tanque, también es habitual que se de en esta misma cámara la decantación de la materia orgánica.
Un sistema que ayuda a las empresas a reducir costes.El resultado del tratamiento MBR es un agua que, por ejemplo, en el ámbito industrial puede ser reutilizada directamente. De esta forma, se reduce la captación de agua, reduciendo costes y sumando en sostenibilidad.
Los sistemas MBR funcionan a altas concentraciones de licor mezcla. MBR es un sistema capaz de funcionar en concentraciones de entre 10000 mg/L y 15000 mg/L, pudiendo ocasionalmente exceder los 20000 mg/L. Esto permite obtener mayores tiempos de retención de lodos o lo que es lo mismo fangos de mayor edad. Esto supone una mayor eliminación de materia orgánica. Por otro lado, los sistemas convencionales de fangos activos, funcionan en una horquilla de concentración menor, entre 2000 mg/L y 4000 mg/L
Funcionar a altas concentraciones permite a los fangos del MBR alcanzar mayor edad
El sistema MBR ofrece una mayor capacidad de tratamiento. Al superar la concentración de sólidos en suspensión permitida en el tratamiento biológico convencional, los sistemas MBR ofrecen una operación más robusta. Además, en comparación, las instalaciones y reactores MBR son más pequeños que los de los métodos convencionales. Los MBR tienen una producción de fango menor.
Imagen 2. Esquema del biorreactor miologico MBR
1. Rototamiz, 2. Reactor anaerobio, 3. Reactoraerobio, 4. Módulo de membranas, 5. Equipo de bombeo, 6. Sala de control
Generación de lodos de EDAR
La producción de lodos está condicionada por diferentes factores. Tanto la calidad como la cantidad de lodos producidos varía de una planta a otra. También dentro de una misma planta, varían las condiciones con el paso del tiempo. Caudal de agua, tipo de contaminantes que se hallan en el agua, o situación de la instalación son algunos de los factores que repercuten en el resultado del tratamiento.
El buen funcionamiento del proceso condiciona la cantidad de lodos generados. Es necesario tener presente el tipo de tratamiento y su eficacia. Sin embargo, el tipo de tratamiento de lodos de depuración de aguas residuales no será el único aspecto que determina la cantidad de lodos generados. También influye el desempeño de los procesos. Un mal funcionamiento del proceso puede suponer una producción de lodos mayor, o de baja calidad.
Un proceso incorrecto o defectuoso puede producir una mayor cantidad de lodos o de baja calidad
Clasificación de los lodos según la etapa de depuración de las aguas residuales
Primarios
Son el resultado del proceso de decantación primaria y tienen lugar a través de la extracción por gravedad de aquellos sólidos en suspensión que se encuentren en el agua residual. Los lodos primarios son la suma de materia orgánica e inorgánica con burbujas de gas retenidas en la suspensión.
Una característica de los lodos primarios es que carecen de estructura fija. La conducta de esta mezcla se puede ver modificada sustancialmente por su concentración, composición y temperatura. Ante esta volubilidad, determinar cuestiones como su dimensión, forma, distribución o naturaleza es un reto tan complejo que es prácticamente inalcanzable.
Mixtos
Su principal característica es que se forman de la unión de lodos primarios y secundarios. Los lodos que dan lugar a los lodos mixtos (primario y secundario) pueden recibir tratamiento de forma separada o mezclados. Es habitual tratar los lodos mixtos en la línea de fango de las EDAR.
Lodos biológicos o secundarios.
Este tipo de lodos se desarrolla durante el proceso biológico de la EDAR y se extraen a lo largo de la decantación secundaria. Su composición está fundamentada en polisacáridos y proteínas, bacterias y microorganismos.
Posee una estabilidad parcial. Por la naturaleza de las sustancias que forman parte, su composición está basada en sustancias orgánicas que presentan una estabilidad parcial a causa de la aireación en el proceso. Esta aireación genera menos olores que los lodos primarios. A pesar de la estabilidad parcial, sus condiciones sépticas fuerzan su estabilización en el propio proceso o en procesos externos.
Químicos o fisicoquímicos.
Se producen de forma condicionada a que, en la línea de agua, se produzca un tratamiento bien químico o fisicoquímico. Suelen ser el resultado de añadir sales de hierro o de aluminio al agua a tratar. Estas sales, junto a la cal, se vierten en el agua para optimizar el proceso de supresión de materia orgánica en suspensión y ciertos compuestos inorgánicos.
Naturaleza y composición de los lodos
Es necesario conocer la naturaleza del lodo para prever su impacto ambiental. A fin de poder realizar el tratamientos, es imprescindible conocer las características de los lodos que formarán parte del proceso.
Existen distintos factores que definen las características de los lodos. La composición química del agua tratada, el producto obtenido al adicionar el reactivo empleado en el proceso de tratamiento, el tiempo de reacción y la capacidad de floculación.
Las características de los lodos quedan definidas por distintos factores
Características de los lodos de depuración de agua residual
Físicas
Permiten hacer un cálculo correcto del dimensionamiento de los sistemas electromecánicos en los que se van a tratar.
Químicas
Permiten realizar un estudio de propiedades y composición de los lodos. De esta forma, por ejemplo, podemos conocer la composición agronómica que permite asimilar las características del lodo a las de un fertilizante comercial. Permite conocer la concentración de sustancias ya sean tóxicas como metales pesados o dañinas para el medio como fósforo y nitrógeno.
Biológicas
Los lodos pueden llegar a contener una cantidad considerable de microorganismos y patógenos esto depende de la microbiología del proceso. Encontramos que según si la oxidación es anaerobia o aerobia podemos encontrar diferentes microorganismos en los lodos.
Bioquímicas
A través de esta categoría tenemos en cuenta, por ejemplo, el contenido de ATP, nos da información de la existencia de células vivas en los lodos, el contenido en ADN, como consecuencia de la existencia de células.
Agentes contaminantes destacados en los lodos de depuración de aguas
El riesgo de agentes contaminantes en lodos aplicados en la agricultura. Un riesgo derivado del empleo de lodos en la agricultura es la capacidad potencial de acumular sustancias tóxicas. El peligro básico es la posibilidad de que estas sustancias tóxicas sean transmitidas a los cultivos durante los procesos de alimentación de la planta.
Doméstica e industrial, dos vías de incorporación de la toxicidad a los lodos. En el proceso de tratamiento de aguas residuales, pueden incorporarse elementos tóxicos a los lodos. Sin embargo, la adhesión de contaminantes orgánicos y metales, a los sistemas de transporte y tratamiento de aguas urbanas, tiene dos orígenes: doméstico e industrial.
Contaminantes domésticos e industriales acaban en el agua residual
Es necesario destacar los efectos que los tóxicos pueden causar. Diferenciamos por un lado la presencia de metales pesados mientras que, por otra parte, observamos las consecuencias del fósforo, nitrógeno y sustancias orgánicas.
Presencia de metales pesados
La presencia de metales pesados dificulta el tratamiento y uso de los lodos. Se clasifican como contaminantes inorgánicos que pueden presentarse de forma iónica o molecular debido a la actividad industrial y/o humana. Son el factor limitante en el empleo de lodos en la agricultura, causan ecotoxicidad en el medio y pueden ser absorbidos por las plantas. Por ello es tan importante la elección de un adecuado tratamiento de lodos de depuración de aguas residuales.
Según el destino final que vayan a tener los lodos se pueden dividir en:
- Para incineración. El límite de incineración se regula mediante la Directiva 2000/76/CE
- Como CDR (Combustibles Derivados de Residuos). En este caso, EURITS (European Association of Waste) establece los requisitos mínimos necesarios para la utilización de los lodos como CDR para combustible. Un ejemplo de esto es su utilización en fábricas de cemento.
- Lodos como fertilizante. La Directiva 86/278/CEE muestra la posibilidad de utilizar un lodo como fertilizante según el contenido de metales pesados del mismo.
Conocer las características de los lodos es una gran ventaja. De esta forma, podemos crear una estrategia sostenible para su eliminación a través de un tratamiento de lodos de depuración de aguas residuales. Podemos sintetizar la jerarquía de gestión en los siguientes aspectos: prevención, reutilización, reciclado, valorización energética y depósito en vertedero.
Una estrategia sostenible es fundamental para la eliminación de los lodos
Materia orgánica, fósforo y nitrógeno
La presencia de materia orgánica, fósforo y nitrógeno, contamina las aguas. Esta contaminación está causada por la reducción de oxígeno disuelto y tiene como consecuencia eutrofización y malos olores. En el R.D. 509/1996, de 15 de marzo, se establecen las normas aplicables al tratamiento de aguas como son la reducción de fósforo y nitrógeno exigidas.
El fósforo ofrece una respuesta similar a la descomposición de la materia orgánica. La presencia de restos orgánicos y la acción de microorganismos acarrea un consumo de oxígeno. Este consumo, alcanza un umbral, a partir del cual, el oxígeno disuelto se reduce hasta impedir la supervivencia de especies aerobias.
La falta de oxígeno impiden la supervivencia de las especies aerobias
Eutrofización, un fenómeno natural. El término eutrofización, proviene del griego “eu” y “trophein”, que se traduce como bien nutrido o rico en nutrientes. La eutrofización es parte de un proceso natural de envejecimiento de los lagos y otras masas de agua. Dicho proceso puede verse acelerado y agravado a causa de los vertidos derivados de la actividad humana.
El proceso de eutrofización se define como el deterioro de la calidad del agua. Su causa es el enriquecimiento de nutrientes presentes, principalmente nitrógeno y fósforo. Es la consecuencia de un desequilibrio tras la multiplicación de materia vegetal que, al descomponerse, provoca la disminución del oxígeno disuelto necesario para la vida acuática.
La descomposición de la materia vegetal disminuye el oxígeno presente
Tratamiento de lodos de depuración de aguas residuales
Existen diferentes opciones según las necesidades para el tratamiento de lodos. A continuación evaluamos diversas alternativas
1. La estabilización de lodos
Es posible estabilizar lodos mediante digestión aerobia y digestión anaerobia. La estabilización como fase del tratamiento de lodos de depuración se lleva a cabo para eliminar la presencia de patógenos, eliminar olores desagradables y reducir o eliminar su potencial putrefacción.
Digestión aerobia
Durante la digestión aerobia, las bacterias aerobias consumen materia orgánica. El aireamiento de los lodos supone un coste elevado pero ofrece una reducción de la materia orgánica, gracias a la degradación biológica. Este proceso da como resultado menores concentraciones de demanda biológica de oxígeno y menores costos iniciales, además, se obtiene un producto final estable sin olores
Digestión anaerobia
En este proceso, la materia orgánica es consumida por bacterias anaerobias. Este proceso se desarrolla a causa de la falta de oxígeno molecular y tiene como consecuencia la producción de biogás.
Se pueden diferenciar distintas fases. Primero se produce el fenómeno de la hidrólisis. A continuación, tiene lugar la fase de acidogénesis-acetogénesis, con lo que aparecen compuestos intermedios de menor peso molecular. Finalmente, la metanogénesis produce la conversión bacteriana de los compuestos intermedios en metano y dióxido de carbono.
Tratamiento químico
El tratamiento químico, generalmente consiste en añadir un producto químico. Con la adición de la sustancia química, en el tratamiento de lodos de depuración de aguas residuales, se eliminan los patógenos e inhibe el proceso de degradación biológica de la materia orgánica. Es habitual añadir óxido de calcio sobre los lodos para aumentar el pH que, junto al incremento de temperatura, tiene los efectos antes nombrados.
Una opción del tratamiento es dar una nueva vida a los residuos. Esto se debe a que es posible transformar los residuos existentes en la corriente de agua. De los residuos, puede obtenerse un compuesto que sea empleado como fertilizante o para generar un rendimiento energético.
2. Producción de estruvita (fosfato hidratado de amonio y magnesio)
Es posible valorizar un residuo. Por ejemplo, el fósforo extraído en el proceso de depuración de aguas. Del fósforo es posible obtener un producto comercial como es la estruvita a través de un proceso de conversión con magnesio y amonio. La estruvita puede comercializarse como fertilizante o servir como materia prima para la producción de fertilizantes.
El alto valor de la estruvita se debe a su composición. La estruvita es valorada como un fertilizante de liberación lenta que aporta nutrientes fundamentales como el magnesio, nitrógeno y fósforo. Es por ello que la estruvita es recomendable para la agricultura y la horticultura. Está formada a partir de magnesio, amonio y fosfato, en relación molar 1:1:1 rodeada por seis moléculas de agua
La estruvita es un fertilizante recomendado en agricultura y horticultura
La supresión del dióxido de carbono disuelto, esencial para producir estruvita. Para la producción de estruvita es necesario alcanzar un valor de pH elevado (8.5). Este valor se alcanza con la supresión del dióxido de carbono. La inyección de aire a presión produce la desorción del dióxido de carbono disuelto, lo cual, produce un aumento del pH.
El proceso para la obtención de estruvita mediante un reactor de lecho fluidizado. Una buena parte de los estudios sobre la producción de estruvita, se basa en la utilización de un reactor de lecho fluidizado. En el reactor se pone en contacto una disolución acuosa con ion fosfato, magnesio y amonio.
La descomposición de la materia vegetal disminuye el oxígeno presente
3. La incineración de lodos
La presencia de determinadas sustancias en lodos, limita su uso. Metales pesados, sustancias químicas y bioquímicas, detergentes, pesticidas, etc., restringe considerablemente la aplicación de lodos en el sector agrícola. Esto se debe a que los lixiviados y escorrentía formados pueden afectar a las aguas subterráneas y organismos acuáticos.
La necesidad de encontrar métodos alternativos de eliminación de lodos. Un riesgo adicional que supone la presencia de sustancias potencialmente tóxicas es la posibilidad de que acaben afectando a la cadena alimentaria. Por ello, al margen de emplear un tratamiento de lodos de depuración de aguas residuales, es necesario emplear técnicas de eliminación de residuos como son la incineración y la eliminación en vertedero.
Existe la posibilidad de que las sustancias tóxicas afecten a la cadena alimentaria
Incineración de lodos. No es un método definitivo puesto que reduce el volumen un 90% y el peso un 70%. Con un poder calorífico suficiente y un lodo de características aptas, es posible emplearlos como combustible derivado de residuos(CDR). Su utilización como combustible requiere un sistema de depuración de gases adecuado para evitar la emisión de dioxinas, furanos, NOx, N2O, SOx, HCl, HF.es.
Conclusiones
El aumento del agua residual conlleva un aumento de lodos producidos. Por ello, es necesario optimizar los procesos de depuración, los sistemas MBR son una alternativa adecuada por su eficacia y su economía. Al margen de la rentabilidad económica, el sistema MBR ofrece rentabilidad en espacio puesto que ofrece la mejor calidad en menor espacio, generando menos lodos.
Lodos para una economía circular. Es posible evitar que buena parte de los lodos sean derivados a vertederos, estimulando así la economía circular. Como hemos analizado en el artículo, existen diversas alternativas para dar una nueva vida a los lodos a través del tratamiento de lodos de depuración de aguas residuales. Por lo tanto, pueden ser empleados en suelos de cultivo, producción de biogás, fertilizante o revalorización energética.
La reutilización de lodos supone un impulso a la economía circular
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