^* Ingeniera Sanitaria, Doctora en Ingeniería Civil, énfasis en Hidráulica y Saneamiento. Profesora Asociada, Universidad del Valle. Cali, Colombia. patoloz@univalle.edu.co

^** Ingeniero Sanitario, Magíster en Ingeniería Sanitaria y Ambiental. Profesor Asistente, Universidad del Valle. Cali, Colombia. cmadera@univalle.edu.co

^*** Ingeniero de Producción Biotecnológica. Magíster en Ingeniería Sanitaria y Ambiental. Estudiante de Doctorado, Universidad del Valle. Cali, Colombia. joasilva@univalle.edu.co

Discusión abierta hasta diciembre de 2009

Uno de los principales problemas de calidad que presentan los biosólidos de plantas de tratamiento de aguas residuales domésticas –PTAR– es el contenido de microorganismos patógenos que los clasifica en muchos casos como Clase B con restricción para uso agrícola. Este estudio evaluó la estabilización alcalina de los biosólidos de la PTAR Cañaveralejo (Cali, Colombia) para mejorar su calidad microbiológica, empleando dos tipos de cal (hidratada y viva) en dosis entre 8 y 25 % y dos tipos de ceniza con dosis entre 8 y 40 % en unidades experimentales de 0,2 m2 con un tiempo de contacto de 13 días. Los resultados mostraron que con cal se logró reducción total de las variables de respuesta evaluadas (coliformes fecales, Salmonella sp y huevos de helmintos), mientras que el poder alcalinizante de las cenizas evaluadas fue insuficiente. El biosólido higienizado con cal presenta alto potencial de uso agrícola por su calidad microbiológica y por el contenido final de materia orgánica y nutrientes (N, P) que pueden beneficiar los suelos, pero es recomendable evaluar la optimización a escala piloto de la dosificación de cal y la aplicación del biosólido en diferentes tipos de suelos y cultivos para precisar los beneficios o medidas preventivas antes de la aplicación.

One of the main quality problems of biosolids from domestic wastewater treatment plants –WWTP– is the high concentration of pathogens, often classified as a class B, with restriction for use in agriculture. This study evaluated the alkali stabilization of biosolids from Cañaveralejo wastewater treatment plant (PTAR-C), located in Cali, Colombia, in order to improve their microbiological quality using two types of lime (quick and hydrated) with doses between 8 to 25 % and two types of ash with 8 to 40 % as doses, in experimental units 0,2 m2 with 13 days of contact time. The results showed that both type of lime reached the total reduction of evaluated monitoring variables (faecal coliforms, Salmonella sp, helmints eggs) while the alkali power of ashes were lower. The obtained biosolids treated with lime have a high potential use in agriculture purposes for the good microbiological quality, and for the organic matter and nutrient content (N, P) that can generate benefit to the soil, but it is recommendable to evaluate at pilot scale the lime doses and application of biosolid in different soils types and crops in order to precise the benefits or prevent measurements before application of material in soil.

Um dos principais problemas de qualidade que apresentam os biossólidos de estações de tratamento de esgotos –ETE– é o conteúdo de microrganismos patogênicos que os classifica em muitos casos como Classe B com restrição para uso agrícola. Este estudo avaliou a estabilização alcalina dos biosólidos da ETE Cañaveralejo (Cali, na Colômbia) para melhorar sua qualidade microbiológica empregando dois tipos de cal (hidratada e viva) em dose entre 8 e 25 % e dois tipos de cinza com dose entre 8 e 40 % em unidades experimentais de 0,2 m2 com um tempo de contato de 13 dias. Os resultados mostraram que com cal se alcançou redução total das variáveis de resposta avaliadas (coliformes fecais, Salmonella sp e ovos de helmintos) enquanto que o poder alcalinizante das cinzas avaliadas foi insuficiente. O biossólido higienizado com cal apresenta alto potencial de uso agrícola pela sua qualidade microbiológica e pelo conteúdo final de matéria orgânica e nutrientes (N, P) que podem beneficiar os solos, mas é recomendável avaliar a otimização a escala piloto da dose de cal e a aplicação do biossólido em diferentes tipos de solos e cultivos para precisar os benefícios ou medidas preventivas antes da aplicação.

Entre los materiales removidos en las plantas de tratamiento de aguas residuales –PTAR– se encuentran residuos tamizados, arenas, escorias, sólidos y biosólidos; estos dos últimos se encuentran en forma líquida o semisólida, dependiendo de la operación o proceso utilizado y son generados en mayor volumen. Su procesamiento, reutilización y disposición es quizás el problema más complejo que se enfrenta en el campo del tratamiento de aguas residuales (Metcalf y Eddy, 2003).

Los biosólidos son los lodos que pueden aprovecharse después de ser sometidos a procesos de estabilización como la digestión aerobia o anaerobia (WEF, 1995); aunque contienen una importante proporción de elementos fertilizantes de gran valor agronómico, para poder hacer un uso eficiente y seguro de ellos, entre otras medidas, se debe prevenir y controlar la descarga al sistema de alcantarillado de sustancias químicas contaminantes como los metales pesados. La concentración de microorganismos patógenos guarda relación con factores como las condiciones socio-económicas, sanitarias y de salud de la población, la región, la presencia de animales y el tipo de tratamiento al que el lodo fue sometido (Andreoli, Lara y Fernandes, 1999); su presencia implica que la aplicación directa de biosólidos sin tratamiento previo representa riesgos para la salud humana y biótica (Kiely, 1999).

El desarrollo de la Norma 40 CFR parte 503 (EPA, 2003) establece un precedente importante en cuanto a manejo de lodos y biosólidos, fijando límites de metales pesados, calidad microbiológica y atracción de vectores, además de recomendar tratamientos para su estabilización, de tal forma que puedan cumplir con dichas exigencias. En países como México, Brasil, Chile y Argentina también se ha logrado regular el uso y disposición de biosólidos con características similares a la norma de Estados Unidos. En Colombia la norma se encuentra en proceso de aprobación.

La tabla 1 resume la clasificación de los biosólidos en términos de la calidad microbiológica.

En la mayoría de estas normas, los biosólidos se clasifican en Clases A y B, con excepción de la norma mexicana, que introduce una tercera categoría (clase C), y la norma chilena, en la que sólo existe la clase A, la cual corresponde a biosólidos que pueden utilizarse sin restricción en agricultura incluyendo todos los usos urbanos con contacto público directo; los de Clase B pueden ser aplicados con restricciones, para contacto indirecto, revegetación, cultivos de alimentos que se procesen antes de ser consumidos o cobertura en rellenos sanitarios, y los de clase C mostrados en la norma mexicana pueden emplearse para usos forestales o mejoramientos de suelos. Se resalta en las normas mostradas que mientras todas establecen límites para coliformes fecales, Salmonella sp y huevos de helmintos, los virus sólo son reglamentados en la norma norteamericana y brasilera.

Entre los tratamientos más comunes para la reducción de patógenos en biosólidos se encuentran el compostaje, la estabilización alcalina y el tratamiento térmico, los cuales utilizan como mecanismos de remoción la radiación solar, la elevación del pH y el aumento de la temperatura. La intensidad y los tiempos de exposición de la masa de biosólido en estos mecanismos son determinantes para una eficiente desinfección. Los métodos de higienización deben ser económicos, seguros y de fácil aplicación práctica (Fernandes y Souza, 2001).

La tabla 2 muestra la temperatura y el tiempo de exposición para eliminación de algunos microorganismos patógenos.

En la estabilización química se adicionan productos que inhiben la actividad biológica y oxidan la materia orgánica; el tratamiento más empleado es la estabilización alcalina en la cual una base, normalmente cal, se mezcla con el biosólido para elevar el pH y destruir la mayor parte de los microorganismos patógenos (Andreoli et al., 2001). Según EPA (2003), el proceso para la reducción significativa de patógenos y la estabilización del biosólido podría lograrse mediante la combinación de dos mecanismos: la elevación del pH a valores superiores a 12 unidades por un periodo de al menos 72 horas y la elevación de la temperatura a 52 ºC por un periodo de 12 horas. En la tabla 3 se muestran algunos valores de pH en los cuales los microorganismos patógenos no pueden sobrevivir.

La cal es uno de los productos alcalinos más utilizados en el saneamiento y tiene usos como la elevación del pH en los digestores y la reducción de fósforo en los tratamientos avanzados de efluentes; puede emplearse como cal viva (CaO) o hidratada (Ca(OH)2) (Williford et al., 2007). Algunas características físicas y químicas de los biosólidos se alteran por la adición de cal; físicamente, pueden formar una capa más dura y blanca al ser expuestos al aire libre, y químicamente, puede ocurrir fijación de metales pesados, insolubilización de fósforo, a causa de la reacción con ortofosfatos para formar precipitados de fosfato de calcio y pérdidas de nitrógeno por volatilización de amonio (Andreoli et al. 2001; Méndez, Jiménez y Salgado, 2002).

Krach et al. (2008) encontraron que en Estados Unidos el 20 % de las PTAR emplean la estabilización alcalina como método de tratamiento de los biosólidos, por cuanto es un proceso simple y económico, adicionalmente, permite reducir los olores generados por los biosólidos estabilizados.

Barros et al. (2005) evaluaron la estabilización alcalina con cal hidratada de los biosólidos deshidratados de reactores UASB de una PTAR en Brasil. Las proporciones peso a peso evaluadas fueron 30, 40 y 50 % del biosólido y el tiempo del ensayo fue 60 días. La mejor proporción fue 50 %, en la cual se encontraron reducciones máximas de 6 unidades logarítmicas para los coliformes fecales (27) y eliminación total de huevos de helmintos, permitiendo su uso en la agricultura sin restricción acorde con la legislación brasilera. Con esta proporción de cal se presentaron pérdidas de nitrógeno total en el biosólido del 59 al 72 % debidas probablemente a la volatilización del amonio. La temperatura se mantuvo entre 24 y 36 ºC y el pH fue mayor de 11 unidades durante los 60 días de seguimiento.

Bina, Movahedian y Kord (2004) evaluaron la reducción de patógenos del biosólido deshidratado de una PTAR de lodos activados en Irán empleando dosis de cal de 9,8 g/L y 21,3 g/L durante 5 días de contacto. Los resultados mostraron que con ambas dosis la Salmonella sp fue inactivada después de dos horas de contacto; aun cuando con la dosis de 21,3 g/L se redujo el contenido de coliformes fecales a valores de 47, no se logró la remoción total de los huevos de helmintos, ya que se encontraron valores finales de 22 y 98 HH/g, que representaron reducciones del 56 y 83 % respectivamente, lo que impide su uso directo en la agricultura por el alto contenido de patógenos, y se clasifica como clase B según la EPA (2003).

Samaras et al. (2008) evaluaron la estabilización de lodos de la PTAR de Kozani en Grecia usando ceniza obtenida de la combustión del carbón y cal durante 35 días en cinco proporciones peso a peso 1:1 cal:lodo; 1:1, 1:2 y 2:1 ceniza:lodo y 0,5:0,5:2 ceniza:cal:lodo. La mezcla 1:1 cal:lodo elevó el pH a más de 12 unidades mientras que las mezclas de ceniza:lodo y ceniza:cal:lodo no superaron las 10 unidades de pH.

Jiménez, Barrios y Maya (2001) realizaron pruebas de estabilización alcalina para reducir la concentración de bacterias y huevos de parásitos en lodos fisicoquímicos deshidratados mediante filtro prensa y centrífuga de un sistema piloto de tratamiento primario avanzado (TPA) de la Ciudad de México. Los lodos fueron estabilizados con dosis de cal viva de 15 a 40 % en base seca y se emplearon muestras de 400 a 1000 g de lodo. Las reducciones mínimas y máximas de microorganismos fueron de 6,3 y 8,4 unidades logarítmicas para coliformes fecales y 5,3 y 7,3 unidades logarítmicas para Salmonella sp. Los lodos estabilizados cumplieron con los límites de la EPA (2003) para clase B, y encontraron que la resistencia de los huevos de helmintos a la cal viva es superior a la de otros microorganismos.

En Colombia, en la PTAR El Salitre de Bogotá operada con la modalidad de TPA, Araque (2006) evaluó los tratamientos térmico (60 °C y 80 ºC) y alcalino (cal viva (CaO)) en dosis de 25 %, 45 %, 65% y 85 % durante 43 días de contacto) para la desinfección del lodo espesado y biosólido deshidratado, evaluando la eliminación de indicadores de contaminación fecal (coliformes fecales, fagos somáticos y huevos de helmintos). Los resultados mostraron que a 80 ºC durante 10 minutos los lodos tratados adquirieron características de biosólido clase A y que una dosis de 25 % de cal viva es suficiente para eliminar los patógenos en 21 días de tratamiento. A pesar de que la EPA (2003) recomienda mantener el pH sobre 12 unidades por 72 horas, una temperatura mayor de 52 ºC por 12 horas y un secado por aire, el tratamiento alcalino evaluado permitió alcanzar un producto clase A sin cumplir los requisitos de temperatura (valor máximo 42 ºC durante 4 horas) y secado por aire.

Torres et al. (2007) evaluaron el compostaje de los biosólidos generados en la PTAR-C y encontraron la viabilidad del proceso, siendo necesaria la incorporación de materiales de soporte y enmienda que aporten estructura, manejabilidad y la relación C/N inicial y final; sin embargo, aunque desde el punto de vista parasitológico no se detectaron huevos de helmintos viables, no fue posible una reducción completa de los coliformes totales y fecales clasificando el producto como clase B. Posteriormente, Torres, Madera y Martínez (2008) evaluaron la estabilización alcalina del compost empleando cal hidratada, cal viva y ceniza en proporciones de 8, 15 y 30 % y hallaron que con una proporción del 15 % de cal hidratada y cal viva se obtiene un producto de clase A.

En este estudio se muestran los resultados de la evaluación de la reducción de patógenos mediante estabilización alcalina aplicada directamente al biosólido deshidratado de la PTAR-C para mejorar su calidad microbiológica y parasitológica y poder dar un mayor aprovechamiento en la agricultura sin riesgo para la salud pública.

La etapa experimental se desarrolló en la planta de tratamiento de aguas residuales de Cañaveralejo de la ciudad de Cali, la cual usa la tecnología TPA aplicando cloruro férrico como coagulante para un caudal de 4,55 m3/s (EMCALI, 2008); el biosólido es el lodo del sedimentador primario que es espesado, digerido anaeróbicamente y deshidratado en filtro prensa, para generar 100 t/día (EMCALI, 2007).

2.1 Unidad experimental

Se emplearon como unidades experimentales formaletas de madera sin fondo de 40 cm de ancho, 50 cm de largo y 40 cm de profundidad las cuales se construyeron y adecuaron para los tratamientos de 20 kg de peso.

2.2 Sustratos

El biosólido y los tratamientos fueron caracterizados fisicoquímica y microbiológicamente al inicio y al final del ensayo para verificar su potencial de uso agrícola de acuerdo con las variables mostradas en la tabla 4.

2.3 Tratamientos con estabilización alcalina y diseño experimental

Debido a que existen gran variedad de experiencias en cuanto a los tiempos de contacto necesarios para la reducción completa de patógenos con estabilización alcalina entre 5 y 30 días (Boost y Poon, 1998; Madera et al., 2002; Bina, Movahedian y Kord, 2004; Araque, 2006; Plachá et al., 2008; Torres, Madera y Martínez, 2008) se seleccionó para este estudio un tiempo de contacto y seguimiento de 13 días, contando el día 0 como el día de aplicación del alcalinizante. El seguimiento del proceso se realizó con la medición de variables de campo (temperatura, pH y humedad), microbiológicas (coliformes fecales, Salmonella sp) y parasitológicas (huevos de helmintos). La tabla 6 muestra las variables evaluadas y su frecuencia de medición.

3.1 Sustrato

La tabla 7 muestra la caracterización del biosólido utilizado para el ensayo y su comparación con el biosólido de la PTAR El Salitre de Bogotá, que usa la misma modalidad de tratamiento del agua residual y con los límites de la norma EPA.

No obstante que los biosólidos mostrados presentan algunas diferencias en términos de materia orgánica, N y P, la principal se encuentra en el nivel de metales presentes, ello se debe tal vez a las diferencias en las características de las aguas residuales afluentes a las PTAR, asociado posiblemente a la presencia de aguas residuales de origen industrial, lo que muestra la necesidad de caracterizar el biosólido antes de establecer la técnica de mejoramiento de la calidad. Con relación a las características microbiológicas, ambos biosólidos se catalogan como clase B, siendo restringido su uso en agricultura (EPA, 2003).

3.2 Tratamientos con estabilización alcalina

La tabla 8 muestra los valores máximos y los aumentos de la temperatura para los tratamientos.

Se observa que apenas en los tratamientos con 15 y 25 % de cal viva se alcanzaron temperaturas mayores de 52 ºC (55 y 98 ºC respectivamente), sin embargo, el tiempo de duración en este valor fue de 6 y 4 horas respectivamente; en los tratamientos restantes con cal hidratada y viva se alcanzaron incrementos de temperaturas entre 8 y 20 ºC y en los tratamientos con las cenizas la variación de temperatura fue más o menos similar al tratamiento testigo. Los resultados obtenidos con cal son similares a los reportados por Madera et al. (2002), por Prim, de Castillo y Hahn (2005) y por Torres, Madera y Martínez (2008) donde se presentó un aumento de la temperatura al comienzo del ensayo debido a la reacción exotérmica de la cal viva con el biosólido con altos porcentajes de humedad, pero luego descendió a temperaturas próximas al ambiente. Aunque en el estudio de Araque (2006) se usaron contenidos de cal viva superiores al 25 %, el incremento de temperatura fue menor.

En el testigo se observa que ocurrió una reducción del 13,6 % (humedad al final del ensayo 53 %) mientras que en los tratamientos con cal se alcanzaron valores entre 24 y 45 %, habiéndose presentado la mayor reducción de humedad en el tratamiento con 25 % cal viva (24 %), lo que representa una reducción del orden del 54 %. En los tratamientos en los cuales se aplicó ceniza se alcanzaron valores de humedad a los 13 días entre 35 y 45 %. En los productos para la industria agrícola y materiales usados como abonos orgánicos, fertilizantes y acondicionadores, ICONTEC (2003) (NTC 5167) recomienda valores máximos de 20 % en abonos de origen animal y 35 % en abonos de origen vegetal. Los resultados de humedad muestran que, para alcanzar los niveles de humedad requeridos por la norma, en los tratamientos se debería mantener un tiempo mayor de 13 días. Con relación al pH, la tabla 10 muestra la numeración empleada para el análisis de diagrama de cajas y alambres y el resumen de los cuartiles del análisis de los datos de pH, y la figura 1 muestra el diagrama de caja (box plot) para todos los tratamientos.

En general se observa que, si bien los tratamientos con 8 % de cal hidratada y cal viva presentaron alta variabilidad, con hasta 25 % de los datos de pH por debajo de 12 unidades, los demás tratamientos con cal permitieron mantener este valor por periodos mayores de las 72 horas recomendadas por la EPA (2003) para la reducción de patógenos. Los tratamientos con las dos cenizas evaluadas presentaron variabilidad alta y no alcanzaron los valores requeridos, lo que indica que tienen un bajo poder alcalinizante, debido tal vez a su bajo contenido de óxidos de calcio.

Aunque en este estudio se empleó como diseño experimental el modelo completamente al azar y se definieron como variables de respuesta los coliformes fecales y huevos de helmintos, no fue posible realizar el análisis de varianza, ya que los resultados al final del ensayo fueron cero (0) para los tratamientos con cal. En la tabla 11 se muestran los resultados microbiológicos.

La tabla 11 muestra que, mientras en el testigo se presentaron elevados contenidos tanto de coliformes fecales como de huevos de helmintos durante los 13 días del estudio, en los tratamientos con cal la obtención de un biosólido Clase A ocurrió desde su aplicación al biosólido en las diferentes dosis evaluadas y estas características se mantuvieron durante todo el ensayo, lo que confirma que haber mantenido niveles de pH superiores a 12 unidades por al menos 72 horas sí es garantía para la reducción de patógenos. Los resultados obtenidos muestran que, con dosis inferiores a las evaluadas por otros autores (Barros et al. 2005; Farzadkia, Jaafarzadeh y Loveimi Asl, 2007 y Araque, 2006) que emplearon dosis entre el 25 % y el 85 % de cal, es posible alcanzar la reducción de patógenos necesaria para la obtención de un biosólido Clase A. Vale la pena resaltar que, en este estudio, en ninguno de los tratamientos tampoco se encontró presencia de Salmonella sp.

Contrario a lo ocurrido con la cal, ninguno de los tratamientos con ceniza contribuyó a una reducción significativa de los patógenos presentes en el biosólido, debido posiblemente al bajo poder desinfectante de este material reflejado en los bajos valores de pH obtenidos, se presentó una leve disminución que está asociada a la reducción natural de los patógenos.

Este estudio también evidenció lo reportado por Araque (2006) referente al tratamiento alcalino que permite obtener un producto de clase A según lo recomendado por la EPA sin el necesario cumplimiento del requisito de temperatura (52 ºC/12 horas). En la tabla 12 se muestran los resultados fisicoquímicos realizados a los tratamientos al cabo del ensayo.

Todos los tratamientos presentaron al final del proceso menores porcentajes de materia orgánica y nutrientes que el testigo; los tratamientos con cal en las dosis más altas (25 %) alcanzaron menores porcentajes que los tratamientos con ceniza. Esta disminución pudo haberse presentado por el aumento de la temperatura debido a la reacción exotérmica del material alcalinizante con el biosólido o por la elevación del pH que puede producir la volatilización principalmente de carbono y nitrógeno (Méndez, Jiménez y Salgado, 2002). Además, con relación al contenido de fósforo, los bajos valores al concluir el ensayo en todos los tratamientos se debió quizás a que se presenta una reacción de inmovilización del fósforo, ya que se forma un precipitado de fosfato de calcio, condición reportada en la literatura científica (Fernandes y Souza, 2001; Méndez, Jiménez y Salgado, 2002; Andreoli et al., 2001).

A pesar de la reducción de materia orgánica y nutrientes por el uso de los alcalinizantes, todos los tratamientos empleados con cal, previamente neutralizados, muestran su alto potencial de uso en la agricultura, debido a que el contenido de nutrientes de este material puede beneficiar los suelos del Valle del Cauca que se caracterizan por presentar bajos contenidos de materia orgánica (menores de 4%), de nitrógeno (entre 0,2 y 0,7 %) y de fósforo (10 mg/kg) (Quintero, 1993).

- El aumento del pH a valores superiores a 12 unidades por lo menos 72 horas con la aplicación de cal viva o hidratada en un rango de dosis del 8 al 15 % fue el mecanismo que permitió la eliminación de microorganismos patógenos, permitiendo alcanzar un material clase A, incluso sin alcanzar el estándar de temperatura recomendado.

- Las dos calidades de ceniza evaluadas no permitieron alcanzar la calidad microbiológica y parasitológica para el uso en la agricultura, evidenciando que el material empleado presentó bajo poder alcalinizante.

- El biosólido higienizado con cal muestra un alto potencial de uso agrícola por su calidad microbiológica y parasitológica y por el contenido final de materia orgánica y nutrientes (N, P) que pueden beneficiar el suelo y los cultivos como los del Valle del Cauca donde predominan suelos con deficiencias de estos elementos.

- Se recomienda evaluar la optimización de la dosificación de cal en escala piloto y la aplicación del biosólido en diferentes tipos de suelos y cultivos para precisar sus requisitos de manejo antes de la aplicación.

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