SciELO - Scientific Electronic Library Online

 
vol.58 issue3Orchidologic inventory of the Yotoco Forest Reserve, Cauca ValleyChallenges faced by rural communities of artisans: an eco-technological proposal for sustainable handcrafting author indexsubject indexarticles search
Home Pagealphabetic serial listing  

Services on Demand

Article

Indicators

Related links

  • On index processCited by Google
  • Have no similar articlesSimilars in SciELO
  • On index processSimilars in Google

Share


Acta Agronómica

Print version ISSN 0120-2812

Acta Agron. vol.58 no.3 Palmira July/Sept. 2009

 

Eliminación de patógenos en biosólidos por estabilización alcalina

Eliminating pathogens in biosolids by alkaline stabilization

Patricia Torres Lozada1, Carlos Arturo Madera2, Jorge Antonio Silva Leal3

1Área Ingeniería Sanitaria y Ambiental, Universidad del Valle. Colombia. joasilva@univalle.edu.co 2&Acute;rea Ingeniería Sanitaria y Ambiental, Universidad del Valle, Colombia. cmadera@univalle.edu.co 3Estudiante de Doctorado en Ingeniería, Universidad del Valle, Colombia. joasilva@univalle.edu.co

Rec: 04-12-08 Acep. 03-09-09


Resumen

La Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de Cañaveralejo –PTAR-C de Cali– Colombia, produce alrededor de 100 t/día de biosólidos que, aunque no tienen restricción por metales pesados, son clase B por el nivel de microorganismos patógenos y parásitos. En un diseño completamente al azar, conformado por seis tratamientos con su respectivo duplicado, se evaluó la estabilización alcalina con dosis del 9% peso a peso de cal viva e hidratada, aplicada a pilas de 0.5 t de biosólidos húmedos (66.5%) y secos a temperatura ambiente (25 - 31°C) durante 72 h (humedad 50.1%). Con la estabilización alcalina el pH aumentó a valores superiores a 12 unidades durante el tiempo suficiente para garantizar la reducción de patógenos y parásitos, alcanzando un material clase A; sin embargo, el biosólido seco facilitó la formación de grumos que dificultaron las labores de homogenización del sustrato con los alcalinizantes, factor indeseable para la eficiente reducción de patógenos.

Palabras clave: Desechos sólidos, aguas residuales, procesamiento, tratamiento alcalino.


Abstract

The Cañaveralejo wastewater treatment plant (PTAR-C) based in Cali-Colombia, produces almost 100 t-day-1 of biosolids. Although do not have heavy metals restrictions, it is class B for high contents of pathogens microorganisms and parasites. The alkali stabilization was done with a 9% of dose (w/w) of quicklime and hydrated lime applied to different 0.5 ton piles of wet biosolids (66.5% humidity) and dry biosolids an environmental temperature (25-31°C) for 72 hours (50.1% humidity). The experiment had a completely randomized design and it was composed by 6 treatments with their respective duplicated. With the alkali stabilization, the pH increments above 12 units during enough time to assure pathogens and parasites reduction in order to achieve a class A material level. On the other hand, the dry biosolids facilitate the conditions for lumps formation that reduce the homogenization of the substrate with the alkali material, which it is and undesirable factor for pathogen reduction.

Key words: Biosolids, effluents, alkali treatments.


Introducción

La presencia de patógenos, parásitos, metales pesados y plaguicidas puede limitar el potencial como insumo agrícola de los lodos generados en el tratamiento de las aguas residuales municipales (Metcalf Eddy, 2003). Con la digestión de los lodos se estabiliza la materia orgánica, disminuye el volumen y se reducen los sólidos volátiles entre 45- 50%, y los agentes patógenos (García, 2006, Mahamud et al., 1996a). Los investigadores recomiendan seguimiento suficientemente prolongado de las características de los biosólidos para que no produzcan impacto en el ambiente y contribuyan a la preservación y recuperación del mismo (Ferreira, 2000 y Mahamud et al., 1996b).

En 1993 la Agencia de Protección Ambiental de E.U (EPA, su sigla en inglés) definió dos clases de biosólidos según el contenido de patógenos: Clase A (<1x103 coliformes fecales, < ¾ NMP/g de Salmonella sp. < ¼ de huevos de helmintos y < ¼ UFP de virus) los cuales se pueden usar sin restricción en agricultura, y la clase B (<2x106 coliformes fecales), que presenta restricciones (EPA, 2003).

La selección de los métodos de estabilización para obtener biosólidos de una de estas clases (digestión aerobia o anaerobia, compostaje y estabilización alcalina) depende del uso final (Mahamud et al., 1996 a, b). En la estabilización alcalina, el material se endurece al ser expuesto al aire libre y ocurre fijación de metales pesados, insolubilización de fósforo y pérdidas de nitrógeno por volatilización (EPA, 1999; Andreoli et al., 2001).

Para obtener material clase A es necesario mantener el pH por encima de 12 unidades durante 72 h y una temperatura de 52 °C por 12 h. Para obtener un biosólido clase B el pH se debe mantener por encima de 12 unidades durante 2 h (EPA, 2003). Los investigadores que consideran la zona segura, recomiendan mantener temperaturas mayores a 62 °C durante 1 h, o mayores a 50 °C por 1 día y a 46 °C por 1 semana (Strauch, 1998).

Las principales desventajas de la estabilización alcalina radican en que el material final es aplicable principalmente a suelos ácidos y el volumen de biosólidos se incrementa por la aplicación de cal, lo que genera mayores costos de transporte y tratamiento final (Mahamud et al., 1996a; Barrios y Cabirol, 2002). Después de la estabilización en el biosólido la alcalinidad total aumenta y descienden el nitrógeno- amoniacal y el fosforo total (Andreoli et al., 2001; Williford, et al., 2007).

La presente investigación tuvo como objetivo evaluar la reducción de patógenos mediante estabilización alcalina con cal viva e hidratada de los biosólidos de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de Cañaveralejo (PTAR Cali) con dos características de humedad: deshidratados solamente en filtro prensa y deshidratados en filtro prensa y a temperatura ambiente por 72 horas adicionales.

Materiales y métodos

La etapa experimental se desarrolló en el área de maduración de la Planta Piloto de Compostaje de la PTAR Cañaveralejo de la ciudad de Cali, Colombia, 3° 28' 16.2" N y 76° 28' 39.3" O, 995 m.s.n.m. La PTAR trata 6.32 m3/s bajo la modalidad de Tratamiento Primario Avanzado – TPA; el lodo se espesa, se digiere anaeróbicamente y se deshidrata en filtro prensa produciendo aproximadamente 100 t/día de biosólidos con 65% a 70% de humedad (EMCALI, 2009).

Para evaluar la estabilización alcalina se empleó un diseño experimental completamente al azar con seis tratamientos y dos repeticiones (Cuadro 1). Se consideraron dos estados de humedad del biosólido: 66.5% (condición normal húmedo) y 50.1% (deshidratación adicional a temperatura ambiente entre 25 y 31°C durante 72 h (biosólido seco). En las pilas de biosólidos de 0.5 t se aplicó 9% de cal hidratada y cal viva. En el Cuadro 2 se presentan las variables analizadas al comienzo y al final del ensayo.

Como consecuencia del alto número de experiencias relacionadas con el tiempo de contacto necesario para la reducción de patógenos en biosólidos, el seguimiento del proceso se realizó durante 13 días (Boost y Poon 1998; Madera et al., 2002; Bina et al., 2004; Araque, 2006; Torres et al., 2008) mediante la medición de las variables que aparecen en el Cuadro 3, conformando muestras compuestas a través del método del cuarteo. El día cero (0) se considerò como el día de aplicación del alcalinizante.

Para las variables de seguimiento del proceso se emplearon herramientas de estadística descriptiva como los diagramas de cajas para el pH y para las variables de respuesta (coliformes fecales y huevos de helmintos) se empleó el modelo completamente al azar.

Resultados y discusión

Los biosólidos húmedo y seco muestran potencialidad de uso agrícola por el contenido de materia orgánica y nutrientes. La relación C/N se encuentra dentro del rango para los biosólidos de plantas de tratamiento de aguas residuales (ADEME, 2002) y no presentan restricción desde el punto de vista fisicoquímico y de contenido de metales pesados como hierro, cobre, manganeso y zinc, según la guía para control de patógenos y vectores en lodos y biosólidos de la EPA (2003); sin embargo, por la calidad microbiológica se clasifican como clase B (Cuadro 4).

En el biosólido seco se alcanzó una reducción adicional de humedad de 16.4% antes de la mezcla con el alcalinizante. Las características fisicoquímicas, microbiológicas y parasitológicas no se alteraron, no obstante, se presentó la formación de grumos lo que dificultó la mezcla del alcalinizante con el biosólido, factor no deseable en la reducción de patógenos (Andreoli et al., 2001), fenómeno que también observaron Torres et al. (2007) en compostaje de biosólidos de la PTAR-C.

Estabilización alcalina

Temperatura. La adición de cal aumentó la temperatura durante el primer día (40 °C y 52 °C), siendo la cal viva responsable de los mayores valores. Aunque las temperaturas elevadas no permanecieron durante el tiempo mínimo recomendado por la EPA (2003) para lograr un biosólido clase A (Figura 1), las experiencias de estabilización alcalina de Araque (2006) y Torres et al. (2009) mostraron que biosólidos de plantas de tratamientos de aguas residuales que no cumplen este requerimiento, también pueden garantizar la obtención de un biosólido de esta clase. En el biosólido seco la diferencia de temperaturas entre cal viva vs. hidratada fue menor, lo que muestra el efecto potencial de la humedad, debido a una menor liberación de calor en la reacción y consecuentemente un menor aumento de la misma.

Humedad. El contenido de humedad final varió entre 28% y 31% para el biosólido húmedo y entre 18% y 32% para el seco. La deshidratación natural del biosólido húmedo después de 72 h no afectó significativamente los valores finales de humedad, con excepción del tratamiento con 9% cal hidratada que presentó el valor más bajo (Cuadro 5), cumpliendo la recomendación del Icontec (2003) de valores menores que 20% para productos en la industria agrícola y materiales utilizados como fertilizantes y acondicionadores. Estos resultados muestran que para cumplir los requerimientos, probablemente sería necesario prolongar el tiempo de contacto con el alcalinizante.

pH. Con la dosis de cal utilizada el pH aumentó a valores de 12 unidades (Figura 2), cumpliendo con las recomendaciones de la EPA (2003) para reducción de patógenos.

Microbiológico y parasitológico

Aunque en este estudio se empleó un diseño experimental, no fue posible realizar el análisis de varianza ya que los resultados de las variables de respuesta (coliformes fecales y huevos de helmintos) al final del ensayo fueron cero (0) para los tratamientos con cal (Cuadro 6).

Las cales hidratada y viva en dosis de 9% permitieron una reducción total de coliformes fecales y huevos de helmintos alcanzando un biosólido clase A a los 13 días, además, durante el ensayo no se encontró presencia de salmonella sp. Estos resultados confirman que si el pH se mantiene alto por más de 72 h, aun sin cumplir el requisito de temperatura, es suficiente para obtener un biosólido que no genera riesgo de microorganismos patógenos (Araque, 2006; Torres et al., 2009 ).

Características fisicoquímicas

En el día 13 los tratamientos testigo presentaron valores finales similares (Cuadro 7) indicando que no existe un efecto significativo por la reducción de humedad aplicada al biosólido seco. Todos los tratamientos mostraron su potencialidad de uso en la agricultura debido al alto contenido de nutrientes; adicionalmente no presentan restricción por el contenido de manganeso, zinc cobre y hierro de acuerdo con las recomendaciones de EPA (2003).

Los valores finales de pH fueron altos, por tanto, es recomendable realizar una neutralización de los sólidos antes de su uso en agricultura o aplicación en suelos con problemas de acidez. Se presentó reducción de la materia orgánica, nitrógeno y fósforo en los tratamientos debido a la volatilización de carbono y nitrógeno por el aumento de la temperatura y el pH en el proceso de estabilización alcalina, lo que se reflejó en un aumento de la relación C/N. El bajo contenido de fósforo mostrado (Cuadro 8) fue debido probablemente a la reacción de inmovilización del mismo, formando precipitados de fosfatos de calcio (Fernandes y Souza, 2001; Méndez et al., 2002; Andreoli et al., 2001; Williford et al., 2007). El zinc y el manganeso son inmovilizados a valores de pH elevados convirtiéndose en elementos insolubles, condición que se refleja en los valores bajos finales de estos elementos obtenidos en este estudio.

El aumento de cobre en los tratamientos con cal muestra que este elemento puede estar presente como trazas en la cal, condición asociada con el tipo y la fuente de la misma. Una vez ocurre la mezcla cal-biosólido, el cobre puede pasar a una forma más soluble, lo que se reflejó en el aumento de su contenido al final del experimento. Jamali et al. (2008) encontraron que el contenido de metales en el lodo disminuyó después de la aplicación de cal ya que se redujo su disponibilidad a altos pH, con excepción de cadmio y cobre que aumentaron su movilidad 4% o 5 % y consecuentemente su disponibilidad para las plantas, corroborando el aumento de cobre en los tratamientos y la disminución de hierro, manganeso y zinc.

Conclusiones

Los resultados obtenidos en este estudio permiten concluir lo siguiente:

  • El secado adicional a temperatura ambiente por 72 h favoreció la formación de grumos, lo que dificultó las labores de homogenización del sustrato con los alcalinizantes.
  • En las pilas de 0.5 t, con 9% de cal viva e hidratada se aumentó el pH a valores superiores a 12 unidades el tiempo suficiente para reducción de patógenos y parásitos, alcanzando un biosólido clase A sin cumplir los requerimientos de temperatura recomendados.
  • La calidad fisicoquímica de los biosólidos higienizados con cal, mostró su potencialidad de aplicación sin ninguna restricción con excepción del pH.

Agradecimientos

Los autores agradecen a EMCALI EICE ESP y a la Universidad del Valle por el apoyo financiero para la ejecución de este estudio.

Referencias

ADEME (Agence de l'environnement et de la Maitrise de l'energie). 2002. Déchets organiques. Composts de boues de stations d’épurations municipales: qualités agronomiques et utilisation. ADEME éditions. France, Septembre. no. 3276. 428 p.        [ Links ]

Andreoli, C. V.; Ferreira, A. C; Cherubini, C.; Rodrigues, C.; Carneiro, C.; y Fernandes, F. 2001. Higienização do lodo de esgoto. En: Abes – Prosab (ed.). Residuos solidos do saneamento; procesamento, reciclajem y disposição final. Brasil. p. 87-117.        [ Links ]

Apha-Awwa-Wef. 2005. Standard methods for the examination of waters and wastewaters. 21th edition. Nueva York. Amer. Public Health Assoc. 1368 p.        [ Links ]

Araque, M. P. 2006. Evaluación de los tratamientos térmico y alcalino en la desinfección del lodo generado en la PTAR El Salitre. Maestría en Ingeniería Ambiental. Bogotá, Colombia: Universidad de los Andes. 61 p.        [ Links ]

Barrios, J. A. y Cabirol, N. 2002. Estabilización de lodos. En: Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental, 28, Cancún, México, 27 - 31 de octubre. 10 p.        [ Links ]

Bailinger, J. 1979. Mechanisms of parasitological concentration in coprology and their practical consequences. J. Am. Med. Technol. 41:65-71.        [ Links ]

Bina, B.; Movahedian, H.; y Kord, I. 2004. The Effect of lime stabilization on the microbiological quality of sewage sludge. Iranian J. Env. Health Sci. Eng. 1(1):34-38.        [ Links ]

Boost, M. V. y Poon, C. S. 1998. The effect of a modified method of lime-stabilisation sewage treatment on enteric pathogens. Envirom. Intern. 24 (7):783-788.        [ Links ]

EMCALI (Empresas Municipales De Cali). 2009. Informe ejecutivo de operación, marzo 2009. Gerencia de Acueducto y Alcantarillado. Cali. 28 p.        [ Links ]

EPA (Enviromental Protection Agency). 2003. Control of patogens and vector attraction in sewage sludge under 40 CFR part 503. Office of Water/Office Sciencse and Tecnology Sludge/ Risk Assessment Branch. Washington. 173 p        [ Links ]

EPA (Enviromental Protection Agency). 1999. Biosolids generation, use, and disposal in the United States. Office of Solid Waste. Estados Unidos. 57 p.        [ Links ]

Fernandes, F. y De souza, S. 2001. Estabilição de lodo de esgoto. En: Abes Y Prosab(ed.). Residuos solidos do saneamento; procesamento, reciclajem y disposição final. Brasil. p. 29-55.        [ Links ]

Ferreira, W. 2000. Estudo de patógenos e metais em lodo digerido bruto e higienizado para fins agrícolas, das estações de tratamento de esgotos da ilha do Governador e da Penha no Estado do Rio de Janeiro. Tesis de Maestría. Brasil. Fundación Oswaldo Cruz Escuela de Salud Pública. 89 p.        [ Links ]

García, O. N. 2006. Lodos residuales: estabilización y manejo. Caos conciencia 1:51-58.        [ Links ]

Icontec. 2003. Norma Técnica Colombiana NTC 5167. Productos para la industria agrícola y materiales usados como fertilizantes y acondicionadores. Colombia.        [ Links ]

Jamali, M. K.; Kazi T. G.; Arain M. B.; Afridi H. I.; Memon A. R.; Jalbani, N.; y Shah, A. 2008. Use of sewage sludge after liming as fertilizer for maize growth. Pedosphere 18(2):203-213.        [ Links ]

Madera, C.; Peña, M.; Mara, D.; y Muñoz, N. 2002. Treatment and disinfection of biosolids from anaerobic ponds: lime application or natural drying? En: Waste stabilisation ponds: pond technology for the new millennium, Conference. IWA. Auckland, Nueva Zelanda. p. 761 – 765.        [ Links ]

Mahamud, M.; Gutierrez, A.; y Sastre, H. 1996a. Biosólidos generados en la depuración de aguas. I. Planteamiento del problema. Ingeniería del Agua, 3(2)47-62.        [ Links ]

Mahamud, M.; Gutierrez, A.; y Sastre, H. 1996b. Biosólidos generados en la depuración de aguas: II. Métodos de tratamiento. Ingeniería del Agua. 3(3):45-54.        [ Links ]

Méndez, J. M.; Jiménez, B. E.; y Salgado, G. V. 2002. Efecto del amoniaco en la estabilización alcalina de lodos residuales Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental, 28, Cancún, México. 27 - 31 de octubre. p. 8.        [ Links ]

Metcalf y Eddy. 2003. Wastewater engineering treatment and reuse. Fourth edition. Nueva York. USA. McGraw Hill. 1819 p.        [ Links ]

Strauch, D. 1998. Pathogenic micro-organisms in sludge: Anaerobic digestion and disinfection methods to make usable fertiliser. Europ.Water Manag. 1 (2):12-26.        [ Links ]

Torres, P.; Pérez, A.; Escobar, J.; Uribe, I.; e Imery, R. 2007. Compostaje de biosólidos de plantas de tratamiento de aguas residuales. Engenharia Agric. 27(1):267-275.        [ Links ]

Torres, P.; Madera, C. A.; y Martínes, G. 2008. Estabilización alcalina de biosólidos compostados de plantas de tratamiento de aguas residuales domésticas para aprovechamiento agrícola. Rev. Fac. Nac. Agron.(Medellin). 61 (1) 4432-4444.        [ Links ]

Williford, C.; Chen, W.; Shammas, N. K.; y Wang, L. K. 2007. Lime stabilization. biosolids treatment processes. Handbook Environ. Engin. Totowa, NJ. Humana Press Inc. 6(207-241).        [ Links ]

1 Ingeniera Sanitaria, PhD. Profesora U. del Valle, Colombia.
2 Ingeniero Sanitario, MSc. Profesora U. del Valle, Colombia.
3 Ingeniero de Producción Biotecnológica, MSc., estudiante posgraduado U. del Valle, Colombia.

Creative Commons License All the contents of this journal, except where otherwise noted, is licensed under a Creative Commons Attribution License