encalado

XVIII TRATAMIENTOS ALCALINOS DE LODOS RESIDUALES

. M.I.ESPERANZA M.I.ESPERANZA RAMÍREZ RAMÍREZ CAMPEROS

TRATAMIENTOS ALCALINOS DE LODOS RESIDUALES 1.0 ENCALADO El tratamiento de los lodos de aguas residuales con productos químicos, como el cloro y la cal, son efectivos para la estabilización. El cloro no se utiliza frecuentemente, sin embargo, la cal es ampliamente utilizada, y es un producto de bajo costo y disponible en el mercado. Inicialmente la cal se utilizó para la reducción de olor, para incrementar el pH en los digestores y para la remoción de fósforo en el tratamiento avanzado de las aguas residuales. Actualmente el uso más común de la cal en el tratamiento de aguas residuales es para el acondicionamiento del lodo antes del desaguado. Es también el reactivo más utilizado en la estabilización química del lodo en muchas plantas de tratamiento en un rango 0.1 a 31 millones de galones por día (MGD) (USEPA, 1979.) Actualmente la cal se utiliza para estabilizar el lodo antes del desaguado (preestabilización con cal) o después del desaguado (post-estabilización con cal). 1.1 Bases Teóricas La teoría del proceso de estabilización con cal es simple. La cal se adiciona al lodo para elevar el pH, y requiere un tiempo de contacto específico. A un pH superior a 12 y con suficiente tiempo de contacto, los patógenos y microorganismos pueden ser inactivados o destruidos. Las características físicas y químicas del lodo también se alteran por las reacciones que ocurren. La química del proceso no está bien estudiada pero algunas moléculas complejas se transforman por medio de reacciones de hidrólisis y saponificación. Algunas de estas reacciones son: Reacciones con constituyentes inorgánicos. Calcio. +2

Ca +

2PO4-3 +

- 2HCO 3 3 +

CaO → CaCO CaCO 3 H 2 3 + 2O

Fósforo 6H + 3CaO → Ca3(PO4)2 + 3H2O +

Dióxido de carbono CO2 + CaO → CaCO3

1 CURSO TEÓRICO-PRÁCTICO PARA EL TRATAMIENTO DE LODOS RESIDUALES.

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(1)

(2) (3)


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Reacciones con constituyentes orgánicos Ácidos RCOOH + CaO → RCOOCaOH

(4)

Grasas Grasa + CaO→ ácidos grasos.

(5)

Inicialmente, la adición de cal eleva el pH del lodo. Entonces las reacciones anteriores ocurren. Si la cal que se adiciona no es suficiente, el pH disminuye al ocurrir estas reacciones. Por lo tanto se requiere un exceso de cal. La actividad biológica produce compuestos, tales como dióxido de carbono y ácidos orgánicos que reaccionan con la cal. Si la cal que se adiciona no es suficiente para detener la actividad biológica se producen estos compuestos que reducen el pH, producen malos olores impidiendo la estabilización del lodo. En este proceso no hay reducción directa de materia orgánica lo que causa dos importantes impactos: •

•

La adición de cal hace al lodo químicamente estable. Si el pH cae por debajo de 11, la descomposición biológica se reanuda, produciendo olores nocivos. No hay reducción reducció n en la cantidad de lodo para disposición, disposici ón, como ocurre con los métodos de estabilización biológica. Por el contrario, la masa del lodo seco aumenta por la adición de cal y por la precipitación química que se deriva del proceso.

1.2 Criterios de Diseño Los factores primarios para diseñar un sistema de estabilización con cal son: El pH, el tiempo de contacto y la dosis de cal. 1.2.1 Tiempo de contacto y pH El tiempo de contacto y el pH están directamente relacionados debido a que un determinado pH debe mantenerse por un determinado tiempo para garantizar la destrucción de patógenos. La dosis de cal debe proporcionar la alcalinidad residual suficiente para mantener un alto pH por varios días antes de la disposición. Esta alcalinidad debe prevenir la caída del pH y el recrecimiento o reactivación de olores y de microorganismos patógenos. 2 CURSO TEÓRICO-PRÁCTICO PARA EL TRATAMIENTO DE LODOS RESIDUALES.

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La caída en el pH ocurre en la siguiente secuencia: El bióxido de carbono atmosférico (el cual forma un ácido débil cuando se disuelve en agua) es absorbido y gradualmente consume la alcalinidad residual, y el pH decrece, posteriormente continua la caída de pH por la producción de ácidos orgánicos (reacciones similares a las que ocurren en la digestión anaerobia). Numerosos estudios se han realizado para determinar el pH y el tiempo de contacto requerido para estabilizar el lodo. Se ha llegado a un acuerdo de que una reducción significativa de patógenos y de olor ocurre cuando el pH se incrementa a valores de 12 o mayores y permanece en este valor durante dos horas. (USEPA,1979)

1.2.2 Dosis de cal El tercer factor de diseño es la dosis de cal requerida. Esta dosis depende de varios factores tales como: •

•

•

•

Características del material usado como fuente de cal; Características químicas del lodo, que incluye los compuestos orgánicos e inorgánicos; El tipo de lodo (primario, lodos activados, etc); Las características físicas del lodo, tales como el contenido de humedad y la viscosidad que influye en el mezclado.

La tabla 1 muestra la dosis de cal requeridas en el proceso de encalado de lodo líquido para mantener el pH arriba de 12. Se observa que la dosis de cal requerida para lodo primario fue mucho menor que la requerida por los lodos activados. La tabla 2 muestra los resultados reportados por Farrell et al , 1974 con resultados similares. Otro factor que influye en la dosis de cal es la concentración de sólidos. Generalmente la dosis de cal se incrementa a mayores concentraciones de sólidos.


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Tabla 1 Dosis de Cal Requerida para Estabilización de Lodo en la Planta de Lebanon, Ohio. DOSIS DE CAL

TIPO DE LODO Lodo primario Lodo activado Anaeróbico combinado

Lbs Ca(OH)2 /lbs de sólido seco pH pH inicial final 0.12 6.7 12.7 0.30 7.1 12.6 0.19 7.2 12.4 Fuente: Farrel (1974)...

SÓLIDOS TOTALES (%) 4.3 1.3 5.5

Tabla 2 Determinaciones de Dosis de Cal a Nivel Piloto para Mantener un pH Mayor de 11 Durante 14 Días DOSIS

TIPO DE LODO LODO PRIMARIO LODO ACTIVADO LODO DE FOSA SÉPTICA

DE

CAL

Ca(OH)2 /Lb SS

0.10 - 0.15 0.30 - 0.50 0.1 - 0.30

1.2.3 Eficiencia del Proceso Un sistema de encalado o post-encalado reduce el olor y la producción potencial de olor en el lodo, reduce los niveles de patógenos y mejora las características de desaguado del lodo. 1.2.4 Reducción de olor La estabilización con cal reduce los olores. Cuando se usan sistemas de mezclado con aire los olores amoniacales se incrementan debido a la desorción de amoníaco. Después de este proceso los olores de reducen por un factor de 10 4. Otro de los mayores problemas de olor en los sistemas de tratamiento de lodo lo constituye el sulfuro de hidrógeno, este es eliminado en el proceso de encalado cuando el pH se eleva por encima de 9 ya que a estos valores de pH se convierte en formas ionizadas no volátiles (HS-, S=).


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Lámina 1 efecto del ph sobre el equilibrio H 2S-HS1.2.5 Reducción de patógenos La pre-estabilización con cal o post-estabilización alcanzan reducciones significativas de patógenos si se mantiene el pH arriba de 12. Las investigaciones demuestran que la estabilización con cal reduce los coliformes totales, coliformes fecales y estreptococos fecales en concentraciones mayores al 99.9% Las concentraciones de Salmonella y Pseudomonas aeruginosa se redujeron por debajo de los límites de detección en experimentos realizados en la planta de Lebanon, Ohio. Westphal y Christensen (1983), investigaron la eficiencia de la cal en el proceso de postencalado con dosis de 13 a 40% como Ca(OH) 2. Los resultados indican que la postestabilización con cal proporciona una reducción de patógenos de por lo menos 2 órdenes de magnitud. También reportaron que este proceso tiene la misma eficiencia en reducción de microorganismos patógenos como la digestión aerobia mesofílica, digestión anaerobia y el composteo mesofílico. Existe poca información acerca de la reducción de virus y de huevos de helmintos durante este proceso. Análisis cualitativos realizados con microscopio indican una alta supervivencia de organismos superiores tales como quistes y huevos de Ascaris, así como huevecillos de helmintos, etc. después de 24 horas de encalado con pH superior a 12. Tampoco se ha estudiado si mayores tiempos de contacto podrían destruir estos organismos. 5 CURSO TEÓRICO-PRÁCTICO PARA EL TRATAMIENTO DE LODOS RESIDUALES.

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1.2.6 Mejora las características de sedimentación y desaguado La cal mejora las propiedades de sedimentación y desaguado del lodo por la formación de precipitados asociados con el exceso del cal, los cuales son principalmente carbonatos e hidróxido de calcio que no reaccionan y que actúan como agentes bulking, incrementando la porosidad y disminuyendo la resistencia a la compresión. 1.3 Ventajas y desventajas Tanto el pre encalado como el post encalado son procesos factibles, con bajos costos de capital y más fáciles de operar que otros procesos de estabilización de lodo. El equipo utilizado incluye silos para almacenamiento de cal, equipo de mezclado y sistemas de alimentación. Muchas plantas que utilizan cal indican que los olores y los microorganismos patógenos se reducen en altas concentraciones. El lodo estabilizado con cal puede aplicarse bajo condiciones controladas en suelos agrícolas y ser una fuente de nitrógeno, calcio y materia orgánica. El lodo también puede reemplazarse parcialmente por agentes alcalinos utilizados para suelos ácidos. El proceso de estabilización con cal fija o inmoviliza iones metálicos específicos y además disminuye la posible toma de metales por las plantas. La cal es más segura, barata y más fácil de manejar que el cloro. Aumenta la filtrabilidad del lodo estabilizado cuando se adicionan dosis de agentes acondicionadores tales como sales de hierro y aluminio o polímero en combinación con la cal. La filtrabilidad también depende del tipo de lodo que se va estabilizar; el lodo primario tiende a ser más fácilmente desaguado que el lodo secundario. Pero la estabilización con cal también tiene sus desventajas. La cal es menos efectiva que el cloro para convertir al lodo en un producto estable. La cal no destruye la materia orgánica que sirve de sustrato para el crecimiento de microorganismos. Un baja dosis de cal puede traer como consecuencia una caída en el pH durante el almacenamiento y posteriores problemas de olor, así como un posible recrecimiento de microorganismos patógenos. Otra desventaja de la estabilización con cal, comparada con otros procesos de digestión, es que no se reduce la masa del lodo. En efecto, este se incrementa debido a la adición de cal y a los productos químicos formados. Este resulta en un incremento en los costos de transporte y de disposición final, lo cual debe analizarse en función de los ahorros de costos de capital y concluir si es mejor usar la estabilización con cal mas que otros procesos. Otra desventaja para el uso del lodo estabilizado con cal es que no es apropiado para utilizarse en suelos alcalinos. También el lodo estabilizado con cal tiene menores concentraciones de nitrógeno y fósforo soluble cuando se compara con un lodo digerido anaeróbicamente 6 CURSO TEÓRICO-PRÁCTICO PARA EL TRATAMIENTO DE LODOS RESIDUALES.

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E S T A B I L IZ A C IÓ N C O N V E N C IO N A L C O N C A L (P S R P ) A D I C IÓ N D E CAL

LODO

MEZCLADO

R E Q U E R IM I E N T O S :

ALMACENAMIENTO

U S O

* P H 12 P O R 2 H R S . * P H 1 1 .5 P O R 2 2 H R S . C O N S E C U T I V A S .

1.4 Aplicaciones El proceso de estabilización con cal es reconocido en la estabilización de lodo residual antes de aplicación en suelo o relleno sanitario. Tradicionalmente, se ha considerado en las siguientes situaciones: •

•

•

•

Plantas de tratamiento de aguas residuales pequeñas. En estas plantas es baja la producción de lodo y éste puede utilizarse fácilmente en el suelo o cuando se adiciona cal para almacenarse y posteriormente transportarse a otro lugar para continuar el proceso de estabilización y/o disposición final. Tratamiento alternativo en plantas de tratamiento existentes. Este proceso puede iniciarse o suspenderse rápidamente. Por lo tanto en muchas plantas de tratamiento se usa como un complemento de los sistemas de tratamiento existentes por ejemplo cuando se excede la producción de lodos, se exceden los niveles de diseño o puede reemplazar la incineración y el secado durante alguna falla en el combustible o también cuando los sistemas de tratamiento tiene que sacarse de servicio para limpieza o reparación. Manejo de lodos en forma discontinua. Es un sistema de tratamiento efectivo en relación con su costo para que operan en periodos cortos o en forma discontinua. 1.5 Evolución del tratamiento

La cal ha sido tradicionalmente utilizada en la remoción de malos olores principalmente en el manejo de desechos de animales de granja. En el tratamiento de los lodos residuales 7 CURSO TEÓRICO-PRÁCTICO PARA EL TRATAMIENTO DE LODOS RESIDUALES.

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se empezó a utilizar para bajar el pH en los digestores anaerobios y para acondicionar el lodo antes de la filtración al vacío. El objetivo original del acondicionamiento del lodo con cal fue disminuir el tiempo de desaguado y se observó que durante este tratamiento se reducían los olores y los microorganismos patógenos. En 1954, T.R. Komline (USEPA, 1979), patentó un proceso para el tratamiento de lodo crudo con altas dosis de cal hidratada (6 a 12% de los sólidos totales secos), con el propósito de eliminar olores. Sólo a partir de los años 60, la adición se cal se ha considerado como una alternativa para la estabilización del lodo. Muchos estudios describen la eficiencia de la cal para reducir microorganismos patógenos en agua y aguas residuales, pero el valor bactericida de la cal se continua estudiando. Reportes de la operación de varias plantas de tratamiento en Estados Unidos establecen que el acondicionamiento con cal de lodos estabilizados anaeróbicamente a pH de 10.2 a 11, seguido de filtración al vacío y almacenamiento del lodo seco, destruye todas las bacterias patógenas entéricas y los olores. Berg, G. et al (1968). Evans,S.C.(1961) reporta que la adición de cal al lodo libera amoníaco y destruye las bacterias coliformes, y que el lodo resultante es una buena fuente de nitrógeno y cal para suelos ácidos. La estabilización con cal de lodos crudos se ha realizado en el laboratorio y en plantas de tratamiento. Farrel et al (1974) reportaron que la estabilización de lodos primarios con cal reduce las bacterias patógenas a valores despreciables, ayuda a la filtración al vacío, y es una forma adecuada estabilizar el lodo para una disposición final. Paulsrud and Eikum (1975) determinaron la dosis de cal requerida para prevenir la producción de olor durante el almacenamiento de lodos residuales. En este estudio se utilizaron lodos biológicos primarios, lodos de fosas sépticas, y diferentes tipos de lodos químicos. Una importante contribución de este estudio fue que se determinó que para prevenir el decaimiento del pH y la generación de olores durante el almacenamiento del lodo , se requieren dosis de cal más elevadas que las que inicialmente se adicionan para elevar el pH. Investigaciones a nivel laboratorio y planta piloto realizadas por Counts y Shuckrow (1975) sobre estabilización con cal mostraron reducciones significativas en la población de patógenos y generación de olor, cuando el pH fue elevado a valores mayores 12. Counts realizó estudios en invernaderos y parcelas a cielo abierto que indican que la aplicación de lodo doméstico estabilizado con cal no causa un efecto adverso sobre el crecimiento de la planta y las características del suelo. En 1978, se empezó a usar la estabilización con cal en 27 plantas de tratamiento de aguas residuales municipales con una capacidad promedio de 0.1 a 31 MGD (4.4 a 1358 l/s). ( USEPA, 1979). El relleno sanitario es el método más común de disposición de los lodos estabilizados con cal. Sin embargo, en algunos sistemas de tratamiento se aplica al suelo, o se somete a un 8 CURSO TEÓRICO-PRÁCTICO PARA EL TRATAMIENTO DE LODOS RESIDUALES.

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proceso de composteo, para posteriormente utilizarse en suelo o como cubierta final de los rellenos sanitarios. 1.6 Modificaciones al proceso. Existen algunas modificaciones al proceso básico de estabilización con cal. Algunas de estas alternativas se desarrollaron usando otros procesos en la planta de tratamiento. Otras modificaciones solo utilizan la estabilización con cal. Un ejemplo donde se utilizan otros procesos es la combinación de lodo primario tratado con cal con lodo secundario crudo para remoción de fósforo. Una alternativa asociada estrictamente con el proceso de estabilización con cal es aquella que realiza el proceso en dos etapas: un reactor para elevar el pH a un valor mayor de 12, y otro reactor para proporcionar el tiempo de contacto adecuado y permitir la adición de un exceso de cal para mantener el pH dentro del rango deseado. En los siguientes procesos se hace uso de las siglas PRSP y PFRP para indicar la calidad del lodo obtenido, el significado de las siglas y la características del lodo se encuentran en las páginas 14 y 15 (tabla 3).

2.0 TECNOLOGÍAS DE ESTABILIZACIÓN ALCALINA PARA CONSEGUIR UNA REDUCCIÓN ADICIONAL DE MICROORGANISMOS PATÓGENOS. 2.1 Pasteurización en reactores El proceso de pasteurización en reactores es un proceso de estabilización alcalina patentado. En este proceso, el lodo desaguado se precalienta en un termo-alimentador, antes de transferirse a un termo-mezclador. El lodo caliente y la cal se mezclan en el termo-mezclador. Como se utiliza calor adicional para elevar la temperatura del lodo, el material alcalino debe adicionarse solamente para elevar el pH, requiriéndose bajas dosis de cal. La mezcla se traslada a un reactor cerrado aislado con una temperatura mínima de 70ºC, donde permanece por 30 minutos. Este proceso no requiere de una etapa de secado adicional para alcanzar los requerimientos de la EPA. Actualmente el proceso se encuentra a nivel piloto. Se considera económicamente atractivo por su bajo consumo de reactivos y bajos costos anuales de operación y mantenimiento.


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P A S T E U R I Z A C I Ó N E N - V E S S E L ( PF R P ) CAL VIVA

LODO DESHIDRATADO

MEZCLADO

R EQ U E RIM IE NT OS :

CAL ENTADOR

A L M A C E N A M IE N T O

U SO

* C AL EN TA M IE NT O A 70 ºC P O R 30 M IN . *PH 12 POR 2 HRS. * P H 1 1 .5 P O R 2 2 H R S C O N S E C U T I V A S

2.2 Proceso N-Viro El proceso N-Viro, es otra tecnología patentada que cumple con las requerimientos de reducción adicional de microorganismos patógenos (PFRP). Técnicamente este proceso se define como un proceso avanzado de estabilización alcalina seguida de un secado acelerado. Se utilizan dos métodos alternativos para realizar el proceso y han sido aprobados por la EPA:. •

•

OPCION 1.-Materiales alcalinos, tales como cemento en polvo, cal, cal pulverizado o cal hidratada se adicionan y se mezclan con el lodo en cantidad suficiente para alcanzar un pH de 12 o mayor por lo menos durante siete días. Después del mezclado el lodo se seca por lo menos 30 días hasta alcanzar un concentración de sólidos de 65%. La temperatura ambiente debe estar arriba de 5ºC para los primeros siete días. OPCIÓN 2.- Los materiales alcalinos se adicionan y mezclan con el lodo en suficiente cantidad para alcanzar un pH mayor de 12 durante siete días. Además de de mantener el pH alto, el lodo se calienta a una temperatura de 52° C y debe mantener esta temperatura durante 20 horas. El lodo estabilizado se seca hasta obtener una concentración de sólidos de por lo menos 50%. Esta alternativa es similar a la primera con la excepción de que incluye un tratamiento térmico y no está sujeto a las limitaciones de la temperatura ambiente.


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Las dos alternativas cumplen con los requerimientos de reducción adicional de patógenos establecidos por la EPA.

P R O C E S O N - V IR O ( O P C IÓ N 1 ) (P F R P )

MATERIAL ALCALINO

LODO DESHIDRATADO

MEZCLADO

R EQ UE RIM IE NT O S:

SECADO CON AIRE

CURADO

U SO

*p H 12 P O R 7 D IA S *TEMPERATU RA AM BIENTE 50 ºC *CURADO PO R 30 DIAS * ST DE 65%

P R O C E S O N - V IR O (O P C IÓ N 2 ) (P F R P )

MATERIAL ALCALINO

LODO DESHIDRATADO

MEZCLADO

CALENTADOR

SECADO

ALMACENAMIENTO

U S O

CALENTAMIENTO ADICIONAL

R E Q U E R IM I E N T O S :

* T E M P E R A T U R A 52 ºC P O R 12 H R S. * C A L E N T A M I E N T O A D I C IO N A L *ST DEL 50% * p H 1 2 P O R 3 D IA S

2.3 Tecnología PORI ST La compañía internacional PORI ha introducido una tecnología que depende del pH y de calentamiento, la cual ofrece una reducción de patógenos a nivel PFRP. El lodo deshidratado se mezcla con ácido sulfúrico para alcanzar un pH de 3. Después del ajuste 11 CURSO TEÓRICO-PRÁCTICO PARA EL TRATAMIENTO DE LODOS RESIDUALES.

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de pH, se calienta en un reactor a una temperatura de 166ºC y una presión de 690 Pa por una hora. La cal mezclada con agua, se agrega en forma presurizada previo a la entrada de un segundo reactor donde fluye el lodo, se alcanza un pH de 6 o mayor según su uso final. El lodo tratado pasa por un sistema donde captura el vapor del precalentamiento, luego el lodo es deshidratado en un filtro prensa de plato para adquirir la concentración de sólidos de 60 a 70 %. T E C N O L O G IA P O R I S T (P F R P )

ACIDO

LODO DESHIDRATADO

MEZCLADOR

VA PO R

R E A C T O R

CAL

M EZ C L A D O R

RECICLO DE VAPOR

R E Q U E R IM IE N T O S :

* A JU S T A R E L p H A 3 * C A L E N T A M I E N T O A 1 6 6 ºC A 6 9 0 P a . * N E U T R A L I Z A C IÓ N A p H 6 O M A Y O R P O R 1 H R . *ST DE 60 A 70 %

N E U T R A L IZ A C IÓ N

SEPARADOR

FILTRO PRENSA U S O

2.4 Proceso chemfix Es un proceso patentado en el que el cemento portland , que tiene como componente base un silicato de sodio y en algunos casos otro agente, se agrega a un lodo municipal. El resultado de este proceso es un lodo PSRP o PFRP, con este proceso el lodo se vuelve química, biológica y físicamente estable.


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P R O C E S O D E F I JA C I Ó N Q U Í M I C A ( P S R P , P F R P )

CEMENTO PORTLAND

LODO DESHIDRATADO

S IL I C A T O DE SODIO

MEZCLADOR

R EQ U E R IM IE N T O S:

ALMACENAMIENTO

U S O

* p H 12 P O R 2 H R S . * p H 1 1 .5 P O R 2 2 H R S . * A D I C IÓ N D E Q U Í M I C O S .

Proceso bio-fix Es un proceso no patentado que ofrece un lodo PSRP y PFRP. El proceso presenta en una primera etapa control de olor por la adición de cal , en la segunda etapa es un proceso de estabilización tradicional, la tercera etapa es el mismo proceso pero en reactor y la cuarta etapa simplemente se adiciona material para incrementar la concentración de sólidos del lodo tratado de la etapa II o III. P R O C E S O B I O -F IX (P S R P , R F R P )

LODO DESHIDRATADO

ADICIÓN DE MATERIAL

CAL VIVA

MEZCLADOR

R EQ U E RIM IE N T O S:

CALENTADOR

ALMACENAMIENTO

* C O N T R O L D E O L O R (E T A P A 1 ) * P H 1 2 P O R 2 H R S . ( E T A P A I I) * P H 1 1 .5 P O R 2 H R S . C O N S E C U T I V A S ( E T A P A I I I ) * C A L E N T A M IE N T O A 7 0 ºC P O R 3 0 M IN * A D IC IÓ N D E M A T E R I A L , IN C R E M E N T O D E S O L ID O S (E T A P A IV )


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U S O



2.5 Proceso RDP. Es un proceso patentado que da un lodo PFRP y es una modificación del proceso enVessel (proceso anterior de pasteurización en reactores). Aquí se consigue el pH y la temperatura requerida para la pasteurización en reactor, sin embargo, para reducir la cantidad de cal viva, se requiere de una fuente de calor adicional, lo que incrementa el costo. P R O C E S O R D P ( P FR P ) CAL VIVA

LODO DESHIDRATADO

CALENTADOR

MEZCLADO

ALMACENAMIENTO

U S O

CALENTAMIENTO ADICIONAL

R E Q U ER IM I E N TO S :

* CA L E N TA M IE N TO 70 ºC PO R 30 M I N . *PH 12 POR 2 HRS. * P H 1 1 .5 P O R 2 2 H R S C O N S E C U T I V A S * C A L E N T A M I E N T O A D I C IO N A L

Significado de siglas PRSP y PFRP PRSP es reducción significativa de patógenos, un lodo de este tipo, tiene restricciones de uso. Si es aplicado al suelo, se impide el acceso al público por lo menos 12 meses y se deberá impedir el pastoreo de animales cuyos productos son consumidos por humanos por lo menos un mes. Ver tabla 3. PFRP es reducción adicional de patógenos. No se aplica ninguna restricción. Tabla 3 Patógenos en cada categoría de calidad del lodo residual. PATOGENOS

LODO PRSP

LODO PFRP

COLIFORMES FECALES ENTEROCOCOS H. DE HELMINTO

1.4 log 1.4 log 1.0 log ----

ENTEROVIRUS

1.0 log

< 100 NMP/g SSV < NMP/g SSV < 3 NMP/100 ml -1 huevo viable de ASCARIS , ssp/100 ml 1 UFP/100 ml /total de ENTEROVIRUS

SALMONELLA


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3.0 ESTUDIO DE CASO: ESTABILIZACION CON CAL DE LOS LODOS RESIDUALES PROVENIENTES DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES , CIUDAD RENACIMIENTO, ACAPULCO GUERRERO. El lodo proveniente del sedimentador secundario de la planta, se sometió a espesamiento en el espesador piloto IMTA I con diferentes concentraciones de sólidos totales y después se realizaron pruebas de encalado a nivel laboratorio y planta piloto con el objeto de definir las dosis de cal que cumplan los siguientes criterios: •

•

•

Mantener el pH de 12 o superior por un tiempo mínimo de dos horas después de encalado. Mayor remoción de microorganismos patógenos usando como indicadores las coliformes fecales y los huevos de helminto. Menor resistencia a la filtración.

Para evaluar el sistema de encalado se realizaron dos etapas: Prueba de jarras para seleccionar las dosis de cal y pruebas a nivel piloto para seleccionar las dosis óptimas. El monitoreo del proceso se realizó de acuerdo a la tabla 4 y siguieron las técnicas propuestas por el Standard Methods. La resistencia específica del lodo se determinó por el método del embudo Buchner. 3.1 Estimación de la dosis de cal 3.1.1 Pruebas a nivel laboratorio El encalado se realizó inicialmente a nivel laboratorio con el objeto de estimar las diferentes dosis de cal que cumplan con los requerimientos de pH mayor e igual a 12 durante 2 horas. Se utilizaron dos tipos de cal. Cal de construcción con una concentración de 70% de hidróxido de calcio y cal para tratamiento de aguas con una concentración de 90% de hidróxido de calcio. Con los dos tipos de cal se realizaron pruebas preliminares para evaluar el cambio de pH con diferentes dosis de cal utilizando lechadas de 10 y 15% en peso. En estas condiciones se evaluaron dosis de cal entre 0.6 y 30 g/l como Ca(OH) 2.


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Se estudiaron además de los cambios de pH, los cambios en la conductividad y los sólidos disueltos con estas dosis. 3.1.1.1 Selección de dosis de cal en pruebas de jarras. Para la selección de dosis se realizaron pruebas de jarras en diferentes concentraciones. Bajas dosis de cal. Aplicando dosis de cal entre 0.6 y 3.0 g/L como Ca(OH) 2. Concentraciones medias de cal. Utilizando dosis entre 5 y 20 g/L como Ca(OH) 2. Altas dosis de cal. Utilizando concentraciones de 20 a 32 g/l. Durante la realización de cada prueba de jarras se estudiaron los cambios en el pH, conductividad, temperatura y sólidos disueltos durante 7 días. También se determinaron los cambios en la concentración de sólidos totales (ST), sólidos totales volátiles (STV), sólidos suspendidos totales (SST), sólidos suspendidos volátiles (SSV) para cada prueba antes y después del encalado. 3.1.1.2 Influencia de la dosis de cal con la concentración de sólidos totales en el lodo. Considerando que a la salida del espesador el lodo puede tener diferentes concentraciones de sólidos totales, se realizó un estudio sobre el cambio en la dosis de cal para lodos con concentraciones entre 1 y 4% de sólidos totales. Este estudio se realizó a nivel laboratorio (prueba de jarras). Las pruebas a nivel laboratorio se realizaron con dosis entre 5 y 20 g/l para diferentes concentraciones de lodo. Se hizo el estudio sobre los cambios en el pH, conductividad, sólidos disueltos durante 10 días, y se determinó el cambio en las características de los sólidos para cada dosis aplicada. También se determinó la resistencia específica del lodo para cada dosis estudiada. Se determinó la remoción de microorganismos patógenos y huevos de Helminto con la dosis que mantuvieron un pH superior a 12, después de 20 días de encalado. Con los mejores resultados obtenidos en las pruebas de jarras se realizaron las pruebas a nivel piloto.


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Tabla 4 Parámetros de control y monitoreo del sistema de encalado. PARÁMETRO

MONITOREO

pH y temperatura Conductividad eléctrica y sólidos disueltos ST, SVT, SST, SSV Resistencia específica Alcalinidad Coliformes fecales Huevos de Helminto

Durante todo el proceso Durante todo el proceso Antes y después del encalado. Antes y después del encalado. Antes y después del encalado Antes y después del encalado Antes y después del encalado.

3.1.2 Pruebas a nivel piloto Estas se realizaron en una instalación que constaba de un reactor de 200 litros equipado con un agitador de velocidad variable que permitía controlar la velocidad de la mezcla rápida y la floculación. Las mejores dosis obtenidas en pruebas de jarras se ensayaron a nivel piloto con el fin de confirmar los resultados. Para el monitoreo y análisis del proceso se midieron los mismos parámetros que para las pruebas en jarras. En esta etapa se adicionó la alcalinidad antes y después del encalado. El lodo encalado en la planta piloto se deshidrató posteriormente en una centrífuga marca Westfalia y se hicieron análisis del lodo deshidratado. También se estudió la adición de polímero durante el encalado para reducir la resistencia específica del lodo. 4.0 RESULTADOS DE LOS EXPERIMENTOS Se presentan los resultados obtenidos del estudio de encalado realizado a nivel laboratorio y planta piloto. Todas las dosis de cal corresponden a g/L de hidróxido de calcio. El % ST se refiere al porcentaje en peso de sólidos en la muestra y el % SSV es el porcentaje correspondiente a la fracción volátil de los sólidos suspendidos. 4.1. Pruebas de jarras con bajas dosis de cal Estas pruebas se realizaron utilizando la cal para tratamiento de aguas con un contenido de 90% de hidróxido de calcio y utilizando una lechada al 10%. Las pruebas se realizaron con lodos con concentraciones de sólidos totales de 4 a 6.8% y utilizando dosis de 0.6 a 3.0 g/L. 17 CURSO TEÓRICO-PRÁCTICO PARA EL TRATAMIENTO DE LODOS RESIDUALES.

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Tabla 5. Características del lodo utilizado en las pruebas de jarras PRUEBA 1 2 3 4

pH 7.7 7.7 7.5 7.5

%ST 3.5 4.54 5.0 6.7

COND. ELEC. mS/g 1.052 1.01 1.1 1.2

SDT (g/L) 0.525 0.50 0.55 0.6

De acuerdo a los datos presentados en el tabla 5, no se observan cambios drásticos en las características del lodo al variar la concentración de los sólidos totales. El pH presenta variaciones sólo de dos décimas y la conductividad eléctrica y los sólidos disueltos son casi constantes. Lámina 2 Variación del pH con la dosis de cal para diferentes concentraciones de sólidos totales en el lodo

12 11 10 ST=3.5% ST=4.5% ST=5% ST=6.8%

H p

9 8 7 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

DOSIS g/L

La Lámina 2 presenta la variación del pH con la dosis de cal para diferentes concentraciones de sólidos totales. Se observa que una dosis de 1.2 g/L alcanza un pH de 11.28 en el lodo con 3.5% de ST. Con esta misma dosis el lodo de 5% de ST llega a un pH de 10.54 y el lodo con una concentración de 6.7% sólo alcanza un pH de 10.3. Por lo tanto se observa una correlación directa entre la dosis de cal y la concentración de ST para alcanzar un determinado pH.


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Al adicionar cal en bajas concentraciones (menores de 1 mg/L) existe una disminución en la concentración de los sólidos disueltos totales (SDT). Después de esta concentración se inicia el aumento de los sólidos disueltos y es más rápido con las menores concentraciones de sólidos totales en el lodo. Para concentraciones de ST de 3.5 % los SDT empiezan a aumentar con dosis de 1.0 g/L y para el lodo con 6.7% de ST este aumento se observa con dosis de 1.5 g/L. La tabla 6, muestra los cambios en la composición de los sólidos después del encalado. Se observa el incremento en los sólidos totales y en los sólidos suspendidos al agregar diferentes dosis de cal; así como el decremento en los sólidos volátiles. Tabla 6 Cambio en la composición de los sólidos después del encalado MUESTRA Lodo crudo 0.6 g/L cal 0.8 g/L cal 1.0 g/L cal 1.1 g/L cal 1.2 g/L cal 1.4 g/L cal lodo crudo 0.6 g/L cal 0.8 g/L cal 1.0 g/L cal 1,1 g/L cal 1.2 g/L cal

pH 7.7 9.99 10.5 10.86 10.97 11.28 11.34 7.5 9.38 9.85 10.11 10.18 10.5

%ST 4.0 3.5 3.62 3.9 4.0 4.3 4.3 5.08 5.29 5.54 5.62 5.65 5.95

%STV 38.4 23.3 22.2 21 19.5 16.74 16.7 24.0 20.8 16.2 15.4 14.76 12.9

%SST 81.4 95.1 95.5 99.8 99.2 93.3 92.0 89.3 98.2 97.2 99,8 99.7 96.2

%SSV 45.4 23.5 46.56 19.8 18.06 16.64 15.63 23.4 18.2 15.5 12.7 12.4 11.8

400 350 300 g /

2

g e s

7 -

0 1 x

p s e

R

250

ST=3.5%

200 150 100 50 0 0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

Dosis g/L

1

1 .2

1 .4

1 .6

Lámina 3 Resistencia específica del lodo con bajas concentraciones de cal 19 CURSO TEÓRICO-PRÁCTICO PARA EL TRATAMIENTO DE LODOS RESIDUALES.

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La aplicación de bajas dosis de cal no es suficiente para elevar el pH a 12 en ninguno de los experimentos, pero si consigue una reducción en SSV, hasta un 50% con 1.2 g/L de cal. Se hizo la determinación de la resistencia específica del lodo a la filtración. El lodo crudo presentó una resistencia específica de 43.7x10 7 seg2 / g y al adicionar cal en dosis hasta 1.4 g/L esta resistencia fue incrementando gradualmente, como se observa en la Lámina 3. 4.2 Prueba de jarras para definir dosis de cal Se realizó otro estudio de prueba de jarras en un amplio rango de concentración y utilizando una cal con un contenido de sólo 70% como Ca(OH) 2 . Se realizaron pruebas de jarras con dosis entre 3.5 y 27.3 g/L como hidróxido de calcio y con lodo espesado con concentraciones de ST de 2.26 y 1.77% respectivamente. Tabla 7 Características del lodo utilizado en las pruebas de jarras DOSIS CAL g/L 3.5-9.1 10.5-27.3

pH

%ST

7.42 7.42

2.26 1.77

COND.ELEC. mS/g 1.01 1.01

SDT g/L

SST g/L

% SSV

0.505 0.505

18.7 17.2

58.0 54

El lodo utilizado tiene un pH de 7.42 y una concentración de sólidos volátiles de 58 a 54% respectivamente. Se realizó el encalado aplicando diferentes dosis. Como se observa en la lámina 3. el pH de 12 requerido durante 2 horas en el encalado se obtiene con dosis de 5 g/L de cal. Las concentraciones mayores a estas dosis mantienen su pH entre 12 y 12.3 dos horas después del encalado. En estas condiciones la concentración de sólidos disueltos se encuentra entre 4 y 4.8 g/L. Para observar el cambio del pH con las diferentes dosis en el tiempo, se realizó este monitoreo durante 10 días. Para las dosis de cal entre 3.5 y 9.1 g/L después de 2 días de encalado, empieza un descenso paulatino de pH y después de 3 días, en todos los experimentos han descendido una media unidad de pH , que podría afectar la eficiencia del encalado.


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12.6 12.4

LODO RES IDUAL, ST= 2.26%, pH = 7.42

12.2 12 11.8 H p

11.6 11.4

Dosis Dosis Dosis Dosis Dosis Dosis

11.2 11 10.8 10.6

3.5 4.2 4.9 6.3 7.7 9.1

g/L g/L g/L g/L g/L g/L

10.4 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Dias

Lámina 4 Variación del pH con el tiempo. Lodo residual con 2.26% de ST. También se observa una disminución en el valor de conductividad de cada muestra. Esta reducción es de 1.0 a 0.5 unidades dependiendo de la dosis aplicada. Al aplicar mayores dosis de cal entre 10.5 y 27.3 g/L, se observa que el pH se mantiene arriba de 12 durante 4 días, después de este tiempo, el pH continua bajando paulatinamente hasta disminuir de 0.5 a 0.8 unidades de pH, nueve días después del encalado. Igual comportamiento se observa en la conductividad de la conductividad del sistema, donde el decaimiento después de nueve días es de aproximadamente una unidad en este periodo de tiempo. Se realizó la determinación de la resistencia específica para las jarras de los experimentos. Se observa que la adición de cal favorece considerablemente la filtración del lodo. Disminuyendo la resistencia al aumentar la dosis de cal. Lámina 5.


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g /

2

g e s

7 -

0 1 x

P S E

R

39.5 37 34.5 32 29.5 27 24.5 22 19.5 17 14.5 12 9 .5 7 4 .5 2

38.81 37.19

S T= 2 .2 6 %

S T= 1 .7 7 %

18.33 18.33 15.09

11.32

14.01

12.4

10.78 7.55

2.16

2 .7 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

Dosis g/L

Lámina 5. Variación de la resistencia específica del lodo con diferentes dosis

La concentración de estos microorganismos se expresa como Kg. de sólidos suspendidos totales. La remoción de Coliformes Fecales con bajas dosis de cal (7-9 g/L) es del orden de 4 unidades logarítmicas y con dosis más altas la remoción fue de 4 o 5 logaritmos en todos los experimentos. Con respecto a los huevos de Helminto se obtuvieron altas concentraciones en el lodo siendo los más abundantes los de Ascaris sp con concentraciones de 10 5 y 106 / Kg. de SST, seguido de Trichuris sp con concentraciones de 10 3 y 104 / Kg. SST, Hymenolepis con concentraciones de 10 4 /Kg. SST y el menos abundante fue Toxocora sp con concentraciones de 10 3 /kg3 SST. La adición de cal al lodo produjo una reducción total de Toxocora sp con todas las concentraciones, sin embargo se observó su presencia en algunas muestras con concentraciones de 10 2 y 10 3 /Kg. SST para las dosis de 7 y 12 g/L de cal. La remoción de Hymenolepis sp fue casi total durante estos experimentos, sólo se encontró en una muestra de 14 g/L. Trichuris sp se observó resistencia a este tratamiento obteniéndose remociones de sólo un logaritmo con la mayoría de las dosis de cal adicionadas. Igual comportamiento se observa para Ascaris sp, el cual permanece en concentraciones de 104 y 105 /Kg. SST para todas las dosis de cal adicionadas.


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Tabla 8 Microorganismos patógenos antes y después del encalado

MUESTRA Lodo crudo (1.79% ST) 7 g/L cal 9 g/L cal 11 g/L cal Lodo crudo (22.59% ST) 9 g/L cal 10 g/L cal 12 g/L cal 14 g/L cal 16 g/L cal Lodo crudo (3.53% ST) 7 g/L cal 10 g/L cal 12 g/L cal 14 g/L cal 16 g/L cal 18 g/L cal Lodo crudo (4.12% ST) 7 g/L cal 9 g/L cal 10 g/L cal 12 g/L cal 14 g/L cal

C. F. NMP/Kg SST 1.142 X 10 6

ASCARIS /Kg SST

TRICHURIS HYMENOLEPIS TOXOCARA /Kg SST /Kg SST /Kg SST

1.09 X 10 6

6.85 X 104

1.83 X 104

2.28 X 10 3

1.2 X 10 2 1.21 X 10 7.84 X 10 2 8.69 X106

1.07 X 105 1.86 X 10 8.16 X 104 9.12 X 105

2.33 X 103 7.27 X 10 1.56 X 103 2.87 X 104

2.78 X 104

-

68 55 58 72.7 64 1.31 X 10 6

1.27 X 10 5 8.54 X 10 4 8.23 X 10 4 6.98 X 10 8.88 X 10 4 5.84 X 105

2.19 X 103 1.27 X 103 3.94 X 103

1.45 X 10 4.32 X 104

2.62 X 10 3

63.5 58.8 47 46.5 44 43.5 1.17 X 10 7

4.32 X 10 8.0 X 10 4 1.12 X 10 5 4.65 X 10 4 2.81 X 10 4 1.82 X 10 5.11 X 105

2.35 X 103 6.58 X 103 9.30 X 102 9.5 X 103

2.6 X 104

1.27 X 10 9.92 X 10 2 -

65.5 43.8 43.5 49.4 49.4

2.16 X 10 5 1.46 X 10 5 5.56 X 10 1.32 X 10 5 7.3 X 10

1.31 X 104 1.13 X 104 2.96 X 103 2.96 X 10

-

1.31 X 10 3 9.87 X 10 2 -


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5.0 BIBLIOGRAFIA Cardoso V. Lina, Ramirez Esperanza, Petia M. López A. Socorro, Moeller C. Gabriela (1996), “Alternativas de tratamiento y reúso de lodos residuales” Farrell, J.R., J.E. Smith, and S.W. Hathway.(1974). "Lime Stabilization of Primary Sludges." JWPCF. Vol 46, p 113. Kinniburg, D.G.; M.L. Jackson, and J.K. Syers, 1976, Adsorption of alkaline earth, transition, and heavy metals by hidrous gels of iron and aluminum. Soil Sci. Soc. Amer. J., 40:796-799. Richards, L.A. (1954). Diagnosis and improvement of saline and alkali soils. USDA. Agricultural Handbook No. 60 U.S. Department of Washington D.C. USA. Westphal Patricia and Lee Christensen. (1983). “ Lime Stabilization: effectiveness of two process modifications”. Journal WPCF, V55, 11 Cecil, L., D.R. Zenz, and R. Kuchenrither.(1992). "Municipal Sewage Sludge Management. Processing, Utilization and Disposal". Water Quality Management Library. V4. Technomic Publishing, Lancaster.


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encalado

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