uso de lodos residuales para la obtencin

NUEVAS APLICACIONES DE LODOS RESIDUALES
Arturo COLÍN-CRUZ, Luz María AYESTARÁN-HERNÁNDEZ, Edith Erielia
GUTIÉRREZ-SEGURA y Jonatan TORRES-PÉREZ.
Universidad Autónoma del Estado de México. Facultad de Química. Paseo Colón y
Tollocan. Col. Centro., CP 50000. Toluca, Edo. México. Tel 722-2173890. e-mail:
[email protected]
Palabras clave: adsorbente, residuos, grasa, giberelinas
RESUMEN
En este trabajo se presentan algunas nuevas aplicaciones a partir de los lodos
residuales, tales como; material de adsorción, medio de cultivo para la producción
de ácido giberélico, materia prima para grasa grafitada, puntillas para lápices,
entre otros, se desarrollan diversos métodos para cada aplicación del producto
obtenido de los lodos residuales, por ejemplo; material de adsorción, nucleador en
la formación de flóculos, medio de cultivo para la producción de ácido giberélico,
etc., los resultados en relación a la adsorción muestran que el material carbonoso
posee una capacidad máxima de adsorción de 14 mg de Cr (VI)/g, 19 mg de Pb
(II)/g, 114 mg de metilterbutileter/g y 16 mg de remazol amarillo/g, todos ellos a
temperatura ambiente (20 °C) y pH = 6. El material obtenido se lleva a un tamaño
de partícula de 100 mesh (<0.149 mm) y éste se adiciona al sistema de
tratamiento de aguas residuales por lodos activados hasta formar una película
bacteriana en su superficie. Con relación a la producción de ácido giberélico
(AG3), el medio de cultivo con lodos residuales mostró una producción de 50 mg/L
(equivalente a 0.5g AG3/kg lodo seco), por lo cual se puede concluir de manera
general que; es posible obtener nuevos productos con aplicaciones diversas tales
como; material de adsorción, medio de cultivo para la producción de ácido
giberélico, materia prima para grasa de calzado, grasa grafitada.
INTRODUCCIÓN
Los lodos residuales son un residuo sólido, semisólido o líquido proveniente del
tratamiento de agua y están constituidos de microorganismos que remueven la
materia orgánica del agua residual que emplean como alimento (Andreoli et al.,
2001). Sin embargo, la composición varía en función de las características
iniciales del agua residual.
El manejo y disposición de este residuo se vuelve más complejo debido a la gran
cantidad que se genera. Tan sólo en México se estima que la producción asciende
a mas de 12 millones de toneladas por año (Colín et al., 1994); mientras que la
Comunidad Europea reportó para 1990 una producción de 7.1 millones de
toneladas de sólidos secos por año (Lue-Hing et al., 1996). La disponibilidad de
sitios adecuados y seguros para la disposición final y los costos de transportación
se suman a esta problemática.
1
El destino final de los lodos residuales dependerá de los contaminantes presentes;
por ello, se requiere de un pretratamiento antes de su uso, disposición o
confinamiento. La Norma Oficial Mexicana NOM-004-SEMARNAT-2002, establece
las especificaciones y límites máximos permisibles de contaminantes para el
aprovechamiento y disposición final de estos residuos. En la Tabla I se presentan
las concentraciones máximas permisibles de metales pesados en lodos
residuales.
Tabla I. Límites máximos permisibles para metales pesados en
biosólidos y lodos residuales (NOM-004-SEMARNAT-2002)
CONTAMINANTE
(En forma total)
Arsénico
Cadmio
Cromo
Cobre
Plomo
Mercurio
Níquel
Zinc
EXCELENTES
mg/kg en base seca
41
39
1 200
1 500
300
17
420
2 800
BUENOS
mg/kg en base seca
75
85
3 000
4 300
840
57
420
7 500
Las principales prácticas para la disposición de lodos que se han llevado a cabo
con mayor frecuencia pueden agruparse en: procesos térmicos, relleno de
terrenos y aplicación a suelo (Lue-Hing, et al. 1996).
En cuanto a los procesos térmicos y la incineración en particular, requieren de una
evaluación de los costos y de asegurar una disposición segura o el uso del
subproducto resultante. La ventaja principal que muestra el proceso térmico es la
disminución de volumen de lodos residuales; sin embargo, estas técnicas no son
bien aceptadas por la opinión pública como una práctica segura por las emisiones
a la atmósfera (Lue-Hing, et al. 1996). El mejoramiento de técnicas que
disminuyan la emisión de otros contaminantes y la difusión de esta información,
podrían mejorar el panorama ante este tipo de prácticas.
El relleno de terrenos es conveniente con lodos residuales donde el espacio es
suficiente y la cantidad depositada es razonable, o bien, puede utilizarse como un
material de cobertura mezclándose con otros elementos para mejorar su
estructura y consistencia (Lue-Hing et al., 1996), como en el caso del cemento
(Monzó et al., 2003). Esto representa una alternativa viable cuando la cantidad de
metales pesados no representa un riesgo.
Por ello, la aplicación en suelo se contempla como la mejor opción para el futuro,
particularmente para plantas de tratamiento pequeñas, que trabajan con aguas
menos contaminadas con metales pesados, colorantes, microorganismos
patógenos etc. y tienen sitios de disposición cercanos. Sin embargo el uso
agrícola está sujeto a la variabilidad en el tiempo de siembra y el tipo de cultivo,
así como a las condiciones climáticas. En contraste, la producción de lodos es
continua. A pesar de ello, es una de las prácticas más difundidas entre los países
2
de la Unión Europea que en 1990, de las 7 toneladas de lodos (en peso seco)
producidas, entre el 10 y 80 % se destinaron a esta práctica. (Lue-Hing et al.,
1996).
El composteo tiene la ventaja de producir material que puede ser almacenado,
manejado y utilizado con mayor facilidad; sin embargo, el proceso puede generar
fuertes olores y la venta al público de este subproducto aún es limitado, debido a
la baja aceptación (Campbell y Webber, 1994).
Además de las prácticas anteriores, con los avances en el conocimiento de
diversas técnicas, surgen más alternativas (Figura 1) en el tratamiento de lodos y
la generación de subproductos que se aplican a diversos usos en el área de la
construcción, agricultura, generación de energía e inclusive en la decoración.
Figura 1. Usos de lodos residuales con base a su origen y
los productos obtenidos de diversos procesos
Para el tratamiento de aguas residuales se requiere de insumos en equipos,
servicios y reactivos, como es el caso del tratamiento por adsorción para aguas
residuales o potabilización. Los materiales con los que se ha trabajado van desde
carbones comerciales, zeolitas, tamices moleculares etc. los cuales presentan una
3
aceptable capacidad de adsorción (Patrick, J., 1995). Actualmente se busca la
obtención de nuevos materiales adsorbentes que contengan grupos funcionales
con características especiales que permitan una mayor eficiencia en los niveles de
adsorción (Al Qodah, 2000).
Recientemente, la pirólisis ha sido considerada como un método para obtener
valiosos residuos provenientes de lodos residuales. La pirólisis, es un proceso
térmico que tiene lugar con temperaturas entre 400-1000 ºC, que consiste en la
ruptura de moléculas complejas a moléculas más sencillas de la fracción orgánica,
en ausencia de oxígeno, resultando tres fracciones: a) sólida (material carbonoso),
b) gases condensables y c) gases no condensables. El residuo sólido de la
pirólisis de lodos residuales, es de color negro, contiene 75% de cenizas, carbón y
metales (Parker, S. 1984, Sánchez, C.2004).
La pirólisis proporciona buen control de proceso y parte del material puede ser
reciclado como suministro químico a la industria petroquímica, debido a la fracción
condensable que se obtiene; y los metales pesados, excepto mercurio, son
encapsulados en los residuos sólidos. De esta manera se convierte un residuo en
productos energéticos útiles o químicos valiosos, como aceite sintético y carbón.
(Graham et al., 2001).
Otro uso de los lodos residuales, estudiado recientemente es; la obtención de
carbón activo, (Colín, 2004, Sánchez, 2004) éste es empleado par eliminar
contaminantes; en efecto, la eliminación de compuestos orgánicos por sorción
sobre carbón activo en grano o en polvo se utiliza frecuentemente en las plantas
de tratamiento para agua potable, dada su alta versatilidad, el carbón activo posee
buenas propiedades adsorbentes para una amplia gama de contaminantes
orgánicos e inorgánicos. (Sánchez, 2004).
Por otro lado, se conoce al ácido giberélico (AG3), como una hormona de
crecimiento vegetal (Rademacher, 1994); por ello se ha empleado en la actividad
agrícola con el fin de obtener mayores rendimientos en los cultivos de algunas
especies. Comercialmente, este compuesto es producido por un hongo
ascomiceto filamentoso, Gibberella fujikuroi (Britz et al., 1999) como metabolito
secundario, cultivado mediante diferentes técnicas de fermentación
sumergida.Con el fin de mejorar los rendimientos en la producción de AG3, se han
llevado a cabo investigaciones para optimizar el aprovechamiento de los
nutrientes, monitorear el crecimiento del hongo y mejorar otras condiciones de
cultivo (Escamilla et al. 2000). Estos estudios se basan en los aportes de C y N
principalmente, que aceleran o inhiben el crecimiento y producción de AG3 (Darken
et al., 1959; Gelmi et al., 2000). Además se han desarrollado y probado sustratos
alternativos, tanto sintéticos como residuos orgánicos (Machado et al., 2002;
Gelmi et al., 2000).
Dada la composición de los lodos residuales, por el contenido elevado de C y N se
empleó lodo residual en estado líquido de una planta tratadora de aguas
industriales como sustrato alternativo en el cultivo por fermentación sumergida del
hongo G. fujikuroi para producir AG3.
4
MATERIALES Y MÉTODOS
Se describe la metodología desarrollada para cada aplicación del producto
obtenido a partir de los lodos residuales, por ejemplo; la adsorción en columna
para Remazol Amarillo, Metilterbutileter, Cromo y Plomo, Se instaló la columna y
el equipo de alimentación de la columna a las condiciones descritas en la tabla II
para cada una de las pruebas de adsorción de Remazol amarillo, Metilterbutileter,
Cromo y Plomo con carbón activado proveniente de la pirólisis de lodos
residuales, bajo el siguiente procedimiento; hacer pasar cada solución con
concentración de 20 mg/L a través de la columna empacada con el carbón
activado y tomar muestras del efluente cada 10 minutos hasta el punto de
saturación de la columna, éstas se utilizaron para el análisis por sus diferentes
métodos de cuantificación, para la interpretación de los resultados.
Tabla II. Cálculos de volumen y altura de columna
a diferentes tiempos de contacto.
Tiempo
(min.)
0.76
1
mínimo
1.5
2
2.5
3
4
5
10
15
20
30
máximo
Altura
(cm)
12.16
24
32
40
48
64
80
160
240
320
480
Volumen
61.52
(mL)
16
80.96 121.4 161.9 202.4 242.8 353.8 404.8 809.6 1214.4 1619.2 2428.8
Otra aplicación del carbón activado proveniente de la pirólisis de lodos residuales
es como nucleador en la formación de flóculos para sistemas de tratamiento de
aguas residuales mediante lodos activados.
Otra metodología aplicada para el uso de lodos residuales, es como medio de
cultivo para la producción de ácido giberélico (AG3), Para su obtención se empleó
la siguiente metodología, se tomaron 500 mL de lodo residual con 90 % de
humedad, posteriormente fueron esterilizados e inoculados con 10 mL de micelio.
Se incubó en agitación constante a 28 ºC, tomando 10 mL de muestra a los 7 días
de cultivo (máxima producción de AG3) (Gelmi, C., et al 2000) y se procesaron
para su análisis en cromatografía HPLC (fase móvil: 35% metanol, 65% agua, pH
4; flujo: 1 mL/min; detector UV: 254) para lo que se construyó una curva de
calibración empleando un estándar de AG3 de referencia. Se preparó una curva de
calibración con soluciones analíticas de ácido giberélico de 25 a 1000 mg/L para
determinar la concentración de ácido giberélico producido por lodos residuales.
Para obtener una grasa grafitada se mezcló el material carbonoso (12 %) con los
componentes tales como aceite, jabón a base de calcio, para obtener el poder de
lubricación.
Para obtener grasa de calzado se mezclaron los siguientes componentes: cera
amarilla, ácido estéarico, cera carnauba, vaselina, aguarrás y el material
carbonoso proveniente de la pirólisis de lodos residuales al 10 %.
5
RESULTADOS
En relación al carbón activado proveniente de la pirólisis de lodos residuales
empleado como material nucleador para la formación de flóculos en un sistema de
tratamiento de aguas residuales por lodos activados. El material carbonoso
obtenido se aplicó con un tamaño de partícula de 100 mesh (< 0.149 mm) hasta
formar una película bacteriana en su superficie.
En relación a la adsorción, el material carbonoso se caracterizó obteniéndose los
resultados que se muestra en la tabla III y que posee una capacidad máxima de
adsorción de 14 mg de Cr (VI)/g, 19 mg de Pb (II)/g, 114 mg de metilterbutileter/g y
16 mg de remazol amarillo/g, todos ellos a temperatura ambiente (20 °C) y pH = 6.
Tabla III. Características generales del carbón activado
proveniente de la pirólisis de lodos residuales
Propiedad
Técnica y Equipo.
Determinación
Resultado
Método que se emplea
Norma técnica mexicana
para
el
análisis Malla 20,
nmx-b-135-1981
y
GRANULOMETRÍA
granulométrico de todos los
ASTM-D-410-1976.
0.84 mm
carbones
CRIBAS
ANÁLISIS
ELEMENTAL
Microscopía electrónica de Determinar el porcentaje de
barrido (MEB),
los
elementos
MicroscopioPHILLIPSXL-30 componentes.
Técnica estándar multipunto Determinar
el
área
AREA
2
BET
superficial de los productos 24.9139 m /g
SUPERFICIAL DE
Micromeritics Géminis 2360 obtenidos.
B.E.T.
INDICE DE YODO
Determinar la capacidad de
Método D 1510-99 de ASTM adsorción de moléculas 338.66
mg
pequeñas
menores
e I2/g ceniza.
iguales a 40 Ángstrom (Å),
Norma
Mexicana Determinar los valores en g
INDICE DE AZUL
nmx-f-301-1977
de Azul de Metileno
2.359 mg/L
DE METILENO
Espectrofotometría UV-VIS.
INDICE
MELAZA
DE
Norma
mexicana Determinar la capacidad de No contiene
NMX-F-299-1980
adsorción
de
grandes poros > 100
Espectrofotometría UV-VIS. moléculas
μm de Ø.
Para cada contaminante se realizaron pruebas donde se obtuvieron los gráficos de
cinética de adsorción (Concentración vs. Tiempo), Curvas de Carga (Ce/Co vs.
Tiempo), y los tiempos ( tp tiempo de brecha, tb = tiempo de quiebre o
rompimiento, y ts = tiempo de saturación o agotamiento de la columna). A
continuación se presentan los resultados para un solo caso.
Para Remazol Amarillo, La Tabla IV muestra los datos de tiempo y concentración
obtenidos de la corrida de Remazol amarillo en columna empacada con carbón
activado proveniente de lodo residual, por un tiempo de 3 horas, tomando
muestras a diferentes tiempos de contacto a las distintas alturas de la columna.
6
La Figura 2, muestra el gráfico de los resultados de la cinética de adsorción y es la
representación de la concentración del efluente contra el tiempo transcurrido.
21
18
Concentración (mg/L)
15
12
40 cm
9
6
20 cm
3
10 cm
0
0
30
60
90
120
150
180
Tiempo (min)
Figura 2. Gráfico de la cinética de Remazol amarillo.
Concentración de AG3 (mg/L)
Con relación a la producción de ácido giberélico (AG3). El análisis del cultivo en
Medio Estándar (ME) mostró una producción inicial de AG3 al primer y segundo
día de 17 mg/L y 18 mg/L, respectivamente. La producción aumenta
marcadamente a partir del tercer día hasta el octavo, donde se observa la mayor
producción, con 371 mg/L de AG3 en la figura 3. Después de este intervalo la
cantidad de AG3 decae drásticamente hasta 27 mg/L a los 10 días de cultivo.
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0
2
4
6
8
10
12
Tiempo de fermentación (días)
Figura 3. Producción de ácido giberélico en un medio estándar.
La producción de ácido giberélico en lodo residual presenta un patrón similar; sin
embargo, se observa un incremento acelerado en los primeros días de cultivo. La
producción inicial fue de 20 mg/L AG3 y 28 mg/L AG3 en el segundo día, superior
al mismo intervalo de tiempo para el ME.
La máxima producción se observó en el tercer y cuarto día, con 38 mg/L AG3 y 37
mg/L AG3, equivalente a 0.38g AG3/kg lodo seco y 0.37g AG3/kg lodo seco,
respectivamente. A partir de este periodo la cantidad de ácido giberélico decae
7
hasta los 10 días, donde se observan concentraciones similares a los primeros
días de fermentación en la figura 4.
Concentración de AG 3
(mg/L)
40
35
30
25
20
15
0
2
4
6
8
10
12
Tiempo de fermentación (días)
Figura 4. Producción de ácido giberélico en lodo residual como sustrato.
DISCUSIÓN
En relación a la adsorción, el material carbonoso posee una capacidad máxima de
adsorción de 14 mg de Cr (VI)/g, 19 mg de Pb (II)/g, 114 mg de metilterbutileter/g y
16 mg de remazol amarillo/g, todos ellos a temperatura ambiente (20 °C) y pH = 6.
El material carbonoso obtenido se lleva a un tamaño de partícula de 100 mesh
(partículas menores a 0.149 mm) y éste se adiciona al sistema de tratamiento de
aguas residuales por lodos activados hasta formar una película bacteriana en su
superficie. Con relación a la producción de ácido giberélico (AG3), el medio de
cultivo con lodos residuales mostró una producción de 50 mg/L (equivalente a 0.5g
AG3/kg lodo seco), Empleando lodos residuales es posible obtener nuevos
productos con aplicaciones diversas tales como; material de adsorción, medio de
cultivo para la producción de ácido giberélico, materia prima para grasa de
calzado, grasa grafitada, puntillas para lápices.
Los resultados interpretados por medio de las cinéticas de adsorción de Remazol
amarillo, Metilterbutileter, Cromo y Plomo indican que la capacidad de adsorción
de las carbón activo producto de la pirólisis de lodos residuales empacado en
columna es de mas del 90 % de remoción, por lo que se concluye que este
material puede ser utilizado en un proceso como tratamiento de pulimento, ya que
para este tipo de tratamientos son consideradas concentraciones inferiores de
estos contaminantes a las empleadas en el presente trabajo. El tratamiento de un
influente con 20 mg L-1 de Remazol amarillo con una columna de 40 cm de altura
de lecho y diámetro de 2.54 cm, empacada de carbón activo producto de la
8
pirólisis de lodos residuales, tiene como resultado un tiempo en que el soluto se
detecta en 10 segundos (tiempo de brecha). Al minuto de inicio la columna ya
presenta un efluente con una concentración de 1 mg L-1 considerando este como
el límite máximo permisible que equivale al 5% de la concentración inicial del
analito (tiempo de rompimiento). A los 160 min es el punto donde la concentración
del efluente es igual a la del influente (tiempo de agotamiento).
La curva de calibración de AG3 mostró una ecuación y=17.154x + 32854, r2=0.98,
entre 50 mg/L y 1000 mg/L. El análisis en HPLC del estándar de AG3, mostró que
el compuesto tiene un tiempo de retención de 2.0 minutos, al igual que la muestra
problema, bajo las condiciones descritas en la metodología. Sin embargo se
observó la presencia de otros compuestos del medio de cultivo. La producción de
AG3, fue de 50 mg/L (equivalente a 0.5g AG3/kg lodo seco), en contraste con otros
trabajos donde la producción fue de 0.925g AG3/kg de cáscara de café y 0.73 g
AG3/kg de amberlita.
Se ha observado de manera general, que el nitrógeno es un recurso limitante y
está ligado al crecimiento del hongo y la producción de ácido giberélico (Agosin et
al., 1997; Ebner et al., 1997). De manera general, a mayor concentración de
nitrógeno, mayor crecimiento del hongo. Las diferencias en la cantidad de AG3
entre el medio estándar y lodo residual pueden deberse a este factor.
Además de ser un factor determinante en la cantidad de AG3 producido, el
nitrógeno también puede influir en el tiempo de inicio de la producción. Cuando la
fuente de nitrógeno se agota, el crecimiento exponencial del hongo decae y la
producción de metabolitos secundario se incrementa considerablemente,
principalmente el ácido giberélico; sin embargo, a altas concentraciones, la fase de
crecimiento se prolonga y la producción de la hormona se puede retardar (Gelmi,
et al. 2000). En el caso contrario, las bajas concentraciones de nitrógeno en el
lodo residual explicarían el acelerado incremento en la producción de AG3 en los
primeros días de fermentación, debido al descenso en el crecimiento del hongo a
tiempos muy cercanos al inicio del cultivo. Esto se puede reflejar en las marcadas
diferencias entre un día y otro, a comparación con el ME.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo se realizó bajo el proyecto con No. de Convenio: 1975-2004-2 en el
Laboratorio de Ciencias Ambientales.
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