El tratamiento de lodos de depuradora describe los procesos utilizados para gestionar y eliminar los lodos de depuradora producidos durante el tratamiento de las aguas residuales . El lodo es principalmente agua con cantidades menores de material sólido extraídas de las aguas residuales líquidas. El lodo primario incluye sólidos sedimentables removidos durante el tratamiento primario en clarificadores primarios . Los lodos secundarios separados en clarificadores secundarios incluyen lodos de depuradora tratados de biorreactores de tratamiento secundario .
El tratamiento de lodos se centra en reducir el peso y el volumen de los lodos para reducir los costos de eliminación y reducir los riesgos potenciales para la salud de las opciones de eliminación. La eliminación de agua es el medio principal de reducción de peso y volumen, mientras que la destrucción de patógenos se logra con frecuencia mediante el calentamiento durante la digestión termofílica, el compostaje o la incineración . La elección de un método de tratamiento de lodos depende del volumen de lodo generado 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 tierra puede hacer que la digestión aeróbica y la deshidratación mecánica sean preferibles para las ciudades, y las economías de escala pueden alentaralternativas de recuperación de energía en áreas metropolitanas.
El tratamiento de lodos depende de la cantidad de sólidos generados y otras condiciones específicas del sitio. El compostaje se aplica con mayor frecuencia a plantas de pequeña escala con digestión aeróbica para operaciones de tamaño medio y digestión anaeróbica para operaciones de mayor escala. El lodo a veces pasa a través de un llamado pre-espesante que deshidrata el lodo. Los tipos de pre-espesantes incluyen espesadores de lodos centrífugos, [1] espesadores de lodos de tambor rotatorio y filtros prensa de banda. [2] El lodo deshidratado puede incinerarse o transportarse fuera del sitio para su eliminación en un relleno sanitario o su uso como enmienda del suelo agrícola. [3]
La energía se puede recuperar de los lodos mediante la producción de gas metano durante la digestión anaeróbica o mediante la incineración de lodos secos, pero la producción de energía a menudo es insuficiente para evaporar el contenido de agua del lodo o para impulsar sopladores, bombas o centrifugadoras necesarias para la deshidratación. Los sólidos primarios gruesos y los lodos de aguas residuales secundarias pueden incluir sustancias químicas tóxicas que se eliminan de las aguas residuales líquidas por sorción en partículas sólidas en los lodos del clarificador. La reducción del volumen de lodos puede incrementar la concentración de algunos de estos químicos tóxicos en el lodo. [4]
Terminología
Biosólidos
" Biosólidos " es un término comúnmente utilizado en la ingeniería de aguas residuales publicaciones y esfuerzos de relaciones públicas de las autoridades locales de agua cuando quieren poner el foco en la reutilización de las aguas residuales [5] lodos , después de que el lodo tiene procesos de tratamiento adecuados sufridas. 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 . [6] El término "biosólidos" fue introducido por la Water Environment Federation en los EE. UU. En 1998. [6] 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. al medio ambiente cuando el lodo tratado se aplica a la tierra, por ejemplo , contaminantes farmacéuticos persistentes ambientales y compuestos de metales pesados . [5]
Procesos de tratamiento
Los lodos acumulados en un proceso de tratamiento de aguas residuales deben tratarse y eliminarse de manera segura y eficaz. En muchas plantas grandes, los lodos crudos se reducen en volumen mediante un proceso de digestión.
Espesamiento
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 agitar (a menudo después de la adición de agentes clarificantes ) para formar agregados más grandes y de sedimentación más rápida. [7] El lodo primario puede espesarse hasta aproximadamente un 8 o 10 por ciento de sólidos, mientras que el lodo secundario puede espesarse hasta aproximadamente un 4 por ciento de sólidos. Los espesantes a menudo se asemejan a un clarificador con la adición de un mecanismo de agitación. [8] El lodo espesado con menos del diez por ciento de sólidos puede recibir un tratamiento de lodo adicional mientras que el desbordamiento del espesante líquido se devuelve al proceso de tratamiento de aguas residuales.
Deshidratación
El contenido de agua del lodo puede reducirse mediante centrifugación, filtración y / o evaporación para reducir los costos de transporte de eliminación o para mejorar la 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 en un lecho de secado de arena o como un proceso mecánico separado en un filtro prensa de banda . El filtrado y el concentrado 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 se suelen manipular como líquidos. [9]
Digestión
Muchos lodos se tratan utilizando una variedad de técnicas de digestión, cuyo propósito es reducir la cantidad de materia orgánica y el número de microorganismos causantes de enfermedades presentes en los sólidos. Las opciones de tratamiento más comunes incluyen digestión anaeróbica , digestión aeróbica y 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. [10]
El propósito de la digestión es reducir la cantidad de materia orgánica y el número de microorganismos causantes de enfermedades presentes en los sólidos. El proceso a menudo se optimiza para generar gas metano que se puede utilizar como combustible para proporcionar energía para la planta o para la venta.
Digestión anaeróbica
La digestión anaeróbica es un proceso bacteriano que se lleva a cabo en ausencia de oxígeno. El proceso puede ser de digestión termófila , en la 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 tiempo de retención más corto (y por lo tanto tanques más pequeños), la digestión termofílica es más costosa 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 complejas y los azúcares se descomponen para formar compuestos más simples como agua, dióxido de carbono y metano. [11]
La digestión anaeróbica genera biogás con una alta proporción de metano que se puede utilizar 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 requerido para 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 enfriamiento 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 requieren las máquinas.
La instalación de tratamiento de lodos ("T-PARK") puede proporcionar electricidad para su propia operación e incluso para la red eléctrica pública de Hong Kong haciendo uso del calor generado durante el proceso de incineración de lodos. [12] [13]
Digestión aeróbica
La digestión aeróbica es un proceso bacteriano que ocurre en presencia de oxígeno 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 falta materia orgánica, las bacterias mueren y otras bacterias las utilizan como alimento. 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 ventiladores, 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 más comúnmente en tanques de lodos activados o en las etapas de floculación. Un componente clave para seleccionar el tipo de difusor es asegurarse de que producirá la tasa de transferencia de oxígeno requerida.
Tecnologías de tratamiento secundario
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 proviene de un filtro prensa de banda) o similar. Este líquido requiere un tratamiento adicional ya que tiene un alto contenido de nitrógeno y fósforo, particularmente si el lodo ha sido digerido anaeróbicamente. El tratamiento puede tener lugar en la propia planta de tratamiento de aguas residuales (reciclando el líquido al inicio del proceso de tratamiento) o como un proceso separado.
Recuperación de fósforo
Un método para tratar las corrientes de deshidratación de lodos es mediante el uso de 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. Tales obstrucciones pueden ser un dolor de cabeza para el mantenimiento, particularmente para las plantas de eliminación de nutrientes biológicos donde el contenido de fósforo en los lodos de aguas residuales 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 la 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 con el nombre comercial registrado "Crystal Green". [14]
Compostaje
El compostaje es un proceso aeróbico que consiste en mezclar lodos de depuradora con fuentes de carbono como subproductos agrícolas, como aserrín, paja o astillas de madera . En presencia de oxígeno, las bacterias que digieren tanto el lodo de las aguas residuales como el material vegetal generan calor para matar los microorganismos y parásitos que causan enfermedades. [15] : 20 El mantenimiento de las 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 del lodo fino. Los materiales rígidos como las mazorcas de maíz, las cáscaras de nueces, los desechos de poda de árboles triturados 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. [4] Pueden usarse agentes de carga ligeros, biológicamente inertes, como neumáticos triturados, para proporcionar una estructura donde los materiales vegetales pequeños y blandos son la principal fuente de carbono. [dieciséis]
La distribución uniforme de las temperaturas que matan los patógenos se puede ayudar 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 aumentan 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 utilizando un soplador de aireación que extraiga vacío a través de la pila de compostaje a través de los conductos subyacentes y extraiga a través de una pila de filtrado de lodo previamente compostado para ser reemplazado cuando el contenido de humedad alcance el 70 por ciento. El líquido acumulado en los conductos de desagüe puede devolverse a la planta de tratamiento de aguas residuales; y las almohadillas de compostaje pueden techarse para proporcionar un mejor control del contenido de humedad. [4]
Después de un intervalo de compostaje suficiente para la reducción de patógenos, las pilas compostadas se pueden cribar para recuperar agentes de carga no digeridos para su reutilización; y los sólidos compostados que pasan a través de la pantalla pueden usarse como material de enmienda del suelo con beneficios similares a la turba. La relación óptima de carbono a nitrógeno inicial de una mezcla de compostaje está entre 26-30: 1; pero la proporción de compostaje de los subproductos agrícolas se puede determinar por la cantidad requerida para diluir las concentraciones de sustancias químicas tóxicas en el lodo a niveles aceptables para el uso previsto del compost. [4] 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 los hongos del suelo las desintoxican. [17]
Incineración
También se utiliza la incineración , aunque en mucho menor grado. [18] : 19-21 La incineración de lodos es menos común debido a preocupaciones sobre las emisiones al aire y el combustible suplementario (típicamente gas natural o fueloil) requerido para quemar lodos de bajo poder calorífico y vaporizar el agua residual. Sobre la base de sólidos secos, el valor de combustible del lodo varía de aproximadamente 9.500 unidades térmicas británicas por libra (980 cal / g) de lodo de aguas residuales no digerido a 2500 unidades térmicas británicas por libra (260 cal / g) de lodo primario digerido. [19] Los incineradores de hogares múltiples escalonados con 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 asumiendo que ya existen instalaciones para residuos sólidos y no hay necesidad de combustible auxiliar. [15] : 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. [20]
Camas de secado
Los lechos de secado de lodos simples se utilizan en muchos países, particularmente en los países en desarrollo, ya que son un método barato y simple para secar lodos de depuradora. Se debe captar 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 se componen típicamente de cuatro capas que consisten en 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 de arena que puede tener entre 10 y 15 centímetros y sirve de 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 está debajo de todas las capas. [21]
Tecnologías emergentes
- La recuperación de fósforo de los lodos de depuradora o de las corrientes de deshidratación de lodos está recibiendo cada vez más atención, especialmente en Suecia, Alemania y Canadá, ya que el fósforo es un recurso limitado (un concepto también conocido como " fósforo máximo ") y se necesita como fertilizante para alimentar a una población mundial en crecimiento . [22] [23] Los métodos de recuperación de fósforo de aguas residuales o lodos pueden clasificarse por el origen de la materia utilizada (aguas residuales, licor de lodos, lodos digeridos o no digeridos, cenizas) o por el tipo de procesos de recuperación (precipitación, humedad) extracción química y precipitación, tratamiento térmico). [24] En Suecia y Alemania se han realizado investigaciones sobre métodos de recuperación de fósforo a partir de lodos de depuradora desde aproximadamente 2003, pero las tecnologías actualmente en desarrollo aún no son rentables, dado el precio actual del fósforo en el mercado mundial. [24] [25]
- El Omni Processor es un proceso que se estaba desarrollando en 2015 y trata los lodos de depuradora. Puede generar un excedente de energía eléctrica si los materiales de entrada tienen el nivel adecuado de sequedad. [26]
- La despolimerización térmica produce hidrocarburos ligeros a partir de lodos calentados a 250 ° C y comprimidos a 40 MPa. [27]
- La hidrólisis térmica es un proceso de dos etapas que combina la ebullición de lodos a alta presión, seguida de una descompresión rápida. Esta acción combinada esteriliza el lodo y lo hace más biodegradable, lo que mejora el rendimiento de la digestión. La esterilización destruye los patógenos en el lodo, lo que hace que supere los estrictos requisitos para la aplicación en la tierra (agricultura). [28] Los sistemas de hidrólisis térmica funcionan en plantas de tratamiento de aguas residuales en Europa, China y América del Norte, y pueden generar electricidad y lodos de alta calidad. [29]
- El uso de un enfoque ecológico, como la fitorremediación , se ha propuesto recientemente como una herramienta valiosa para mejorar los lodos de depuradora contaminados por oligoelementos y contaminantes orgánicos persistentes . [30]
Eliminación o uso como fertilizante.
Cuando se produce un lodo líquido, es posible que se requiera un tratamiento adicional para que sea adecuado para la disposición 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 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 pantallas de tela para producir una torta firme; y centrifugación donde el lodo se espesa separando por centrifugación el sólido y el líquido. Los lodos se pueden eliminar mediante inyección de líquido en el suelo o mediante la 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 a las alcantarillas de procesos industriales o comerciales o de fuentes domésticas. [31] Las concentraciones elevadas de dichos materiales pueden hacer que los lodos no sean aptos para uso agrícola y, por lo tanto, es posible que tengan que incinerarse o eliminarse en vertederos.
A pesar de la aparente inadecuación de al menos algunos lodos de depuradora, la aplicación a las tierras agrícolas sigue siendo una opción de uso común [32]
Ejemplos de
Edmonton, Alberta, Canadá
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. [33]
Nueva York, EE. UU.
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 centrifugadoras grandes junto con la adición de productos químicos como polímeros para eliminar aún más el líquido del lodo. El producto que queda se llama "bizcocho" 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 granjas de césped como enmienda del suelo o fertilizante, lo que reduce la cantidad de espacio necesario para eliminar el lodo en los vertederos. [34]
Sur de California, EE. UU.
En las áreas metropolitanas muy grandes del sur de California, las comunidades del interior devuelven los lodos de alcantarillado al sistema de alcantarillado de las comunidades en las 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 al tiempo que conserva la economía de una sola instalación de procesamiento de lodos y es un ejemplo de cómo los lodos de aguas residuales pueden ayudar a resolver una crisis energética. [35]
Ver también
- Gestión de lodos fecales
Referencias
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Fuentes
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enlaces externos
- Medios relacionados con el tratamiento de lodos de depuradora en Wikimedia Commons