REUTILIZACION DE AGUAS Y LODOS RESIDUALES Dr. Ing. Eduardo Torres Carranza* AGUAS RESIDUALES: Definición: Agua que el hombre ha usado y lo utiliza además como vehículo de desecho y por esta acción y el efecto de introducir materias o formas de energía o inducir condiciones en el agua que, de modo directo o indirecto, impliquen una alteración perjudicial de su calidad en relación con los usos posteriores o con su función ecológica. Clasificación: • • • • Drenaje: Que afloran a la superficie y pueden arrastrar una serie de sustancias químicas en solución también comprende aguas que fluyen en la superficie y son provocados por las precipitaciones atmosféricas. Esta agua en su trayectoria arrastran elementos de la contaminación atmosférica, restos de actividad humana, residuos de vehículos, arenas, residuos vegetales, biocidas formando las llamadas “aguas blancas. Domesticas: también llamadas aguas negras o urbanas; proceden de aglomeraciones urbanas mediante los vertidos de la actividad humana doméstica, también lo constituye la mezcla de estas con las precedentes de actividades comerciales, industriales y agrarias dentro del casco urbano. Industriales: aguas procedentes de actividades industriales, con independencia del posible contenido de sustancias similares a las de origen doméstico, pueden aparecer elementos propios de cada actividad industrial como tóxicos, iones metálicos, productos quíomicos, hidrocarburos, detergentes, etc. Agrarias: específicamente proceden de la actividad agropecuaria. Sistemas de Tratamiento: Cualquiera que sea el sistema de tratamiento o depuración tenemos que considerar como objetivo principal la reducción o eliminación de los agentes contaminantes. Esto dependerá del uso que se le desea dar al agua depurada. Según el sistema de tratamiento dispondremos de agua residual tratada y lodos residuales. Sistemas de Depuración: • Lechos bacterianos. • Biodiscos • Aireación prolongada • Lagunaje natural • Lagunaje aireado • Filtros verdes • Fosas sépticas • Lechos de turba • Filtros de arena. * Doctor en Ciencias Ambientales. Universidad Politécnica de Madrid. Master of Science en Física y Química de Suelos. Profesor Universitario. Director General de Medio Ambiente del CONCYTEC. Resumiendo podemos decir que tenemos: • Sistemas modernos (lechos bacterianos, biodiscos, aireación prolongada) • Sistemas tradicionales (lagunas) • Pequeños sistemas de tratamiento (filtros, fosas sépticas, etc) Los sistemas modernos generan mas lodos pero garantizan una mejor calidad del agua y usan poca área. Los sistemas tradicionales: generan poco lodo, usan mucha área y garantizan la calidad del agua depurada siempre y cuando se cumplan todas las especificaciones. Los terceros son para pequeñas poblaciones. Reutilización de aguas residuales: El aumento de la población ha generado entre otros consumos un marcado consumo de agua. A nivel mundial, se puede mencionar la diferencia de consumos de agua: Consumo municipal 8– 9% Consumo de la industria 20 – 30 % Consumo por la agricultura 60 – 70 % Cada vez los recursos hídricos son menos y el hombre los contamina. Alarmados vemos como las fuentes de agua van desapareciendo. Los cordones marginales crecen en condiciones ínfimas de abastecimiento de agua potable y muchos pueblos viven consumiendo aguas contaminadas. Ante esta situación alarmante podemos buscar diferentes alternativas que nos permitan paliar este agudo problema: 1. Aceptar restricciones antes la escasez de agua. 2. Actuar sobre el abastecimiento ya sea incrementando las fuentes con nuevos recursos, aumentando la eficacia, modificaciones climáticas utilización de aguas marinas o reutilización de aguas residuales. 3. Modificar la demanda: • Variaciones de precio • Eliminación de consumos no imprescindibles • Campañas educacionales para conservar y ahorrar agua • Innovaciones tecnológicas En muchas ciudades del país se reusan las aguas residuales brutas y en la mayoría de los casos para riego en los diferentes cultivos, otra parte se vierten directamente al cauce de los ríos, lagos, pantanos, mar; ocasionando un grave peligro para la salud del hombre, flora y fauna. La reutilización de las aguas residuales data desde muchos años tras, existen estudios por ejemplo que en 1,000 años antes de Cristo las aguas residuales de Jerusalén desembocaban en un estanque las que después de una sedimentación se utilizaban para riego. Y por qué para riego? Porque las aguas residuales además de la carga bacterial y orgánica presentan concentraciones variadas de elementos nutritivos para las plantas. En Alemania, Francia, España, etc., se han utilizado las aguas residuales en riego sin ocasionar daños a los suelos. Actualmente, muchos países desarrollados utilizan aguas residuales no solamente en riego sino en otras actividades lógicamente utilizando adecuados pre-tratamientos. En general y con adecuados tratamientos el uso de aguas residuales domésticas en riego, no ocasiona deterioro de los suelos ni de las aguas subterráneas, se obtienen productos de calidad, no se ha observado acumulación de metales en los cultivos, no incrementa la salinidad de los suelos, etc. Formas de Reutilización: • Agrícola • Riego de parques, jardines, zonas viales, campos deportivos de recreación • Industria (refrigeración, calderas, diferentes fases del proceso) • Recarga de acuíferos • Mantenimiento de lagos, estanques, ríos • Usos domésticos (no potable) • Abastecimiento Se entiende por reutilización al uso de las aguas, después del consumo por el hombre ya sea para satisfacer sus necesidades directas o sus requerimientos indirectos. En la reutilización de las aguas es conveniente tener en cuenta los riesgos que ocasionaría para la salud, los beneficios, la aceptación de la sociedad y la garantía de un tratamiento adecuado, caso contrario, los problemas que genera el vertido directo de las aguas residuales a los cauces receptores son marcados y repercuten en la salud humana y disponibilidad de agua, calidad de suelos, etc. El reuso de las aguas residuales dependerá de la normativa vigente en cada país, pero como se ha mencionado el uso de las aguas residuales domésticas tratadas no han demostrado problemas posteriores al reuso. En muchos países existen diferentes regulaciones para el reuso de aguas residuales; así por ejemplo: en agricultura son diversas las exigencias dependiendo al tipo de cultivo, hábito de crecimiento, periodo vegetativo, forma de consumo, de igual manera para otros usos la normativa es clara al respecto. En muchos casos la reutilización de las aguas podrá hacerse después de una depuración biológica convencional.. Cuando las condiciones son del tipo higiénico-sanitario (consumo en fresco, campos deportivos, etc), los tratamientos deben garantizar la eliminación de patógenos. En casos severos (presencia de epidemias, metales pesados) será necesario tratamientos terciarios o tratamientos combinados. Problemática de la reutilización de aguas residuales: Contaminante Partículas suspensión Parámetro en SSV y SSF Comentarios Los SS pueden dar lugar a depósitos de fango y generación de condiciones anaeróbicas en un medio acuático. Una cantidad excesiva de materia en suspensión puede colmatar el suelo Substancias orgánicas biodegradables DQO Y Microorganismos patógenos Coliformes totales El agua actúa como vehículo en la y coliformes transmisión de bacterias, virus y parásitos, fecales produciendo numerosas enfermedades. Nutrientes Nitrogeno, fosforo, El nitrógeno, el fósforo y el potasio son potasio elementos nutritivos esenciales para el crecimiento de las plantas, y su presencia en el agua aumenta su valor para riego. Cuando se vierte nitrógeno o fósforo en el medio acuático, en el lado contrario puede producir eutrofización, y el nitrógeno puede llegar a contaminar las aguas subterráneas. Acidez o alcanlinidad PH El pH del agua residual afecta la solubilidad de los metales, así como la alcalinidad del suelo. El intervalo normal para el pH de un agua residual municipal se sitúa entre 6,5 y 8,5, aunque la presencia de agua residual industrial puede modificar el pH de forma significativa. Metales pesados Elementos conocidos, tales como Cd, Zn, Ni, Hg, Mn, etc Algunos metales pesados se acumulan en el medio ambiente y son tóxicos para los animales y las plantas. Su presencia en el agua residual puede limitar su idoneidad para el riego. DBO5 Productos disueltos SD (no orgánicos) Conductividad Cationes: Na, B, Mg, Ca Contenido en cloro Cloro libre Cloro combinado Estas substancias están compuestas principalmente por proteínas, carbohidratos y grasas. Una vez vertidas en el medio ambiente, su descomposición biológica puede dar lugar al agotamiento del oxígeno disuelto en las aguas receptoras y a la aparición de condiciones anaerobias. Un grado excesivo de salinidad puede perjudicar ciertos cultivos. Determinados iones como los cloruros, el sodio y el boro son tóxicos para ciertas plantas. El sodio puede causar problemas de permeabilidad en los suelos. Una concentración excesiva de cloro libre daña a las plantas, principalmente las sensibles. Debe señalarse la preocupación de la contaminación de las aguas por compuestos organoclorados. El cloro combinado, en concentraciones normales no afecta a las plantas. Características de las aguas residuales urbanas: PARAMETRO (mg/l) Sólidos totales FUERTE 1,000 CONTAMINACION MEDIA 500 LIGERA 200 Sól. Suspen. 500 300 100 Sól. Sedimen. 250 180 40 Sól. Dis. 250 100 60 D.B.O. 300 200 100 D.Q.O. 800 450 160 OX. Disuelto Nitrógeno total 0 86 0,10 50 0,20 25 N. Orgánico 35 20 10 N. amoniacal 50 30 15 Nitritos 0,10 0,05 0,00 Nitratos 0,40 0,20 0,10 Fósforo total 17 7 2 Cloruros Grasas 175 40 100 20 15 0 PH 6,90 6,90 6,90 Organismos patógenos de las aguas residuales domésticas: Organismos patógenos Protozoos: Enfermedad Entamoebna histolitica Amebiasis Giardia lambia Giardiasis Balantidium coli Balantidiasis (disentería) Helemintos: Ascaris lumbricoides Ascariasis Ancylostoma duodenale Anquilostomiasis Necator americanus Necatoriasis Anylostoma spp Larva migrans cutánea Strogyloides stercolaris Estrongiloidiasis Trichuris trichiur Tricuriasis Taenia sppa Teniasis Enterobius vermicularis Echinococcus granulosis Enterobiasis Hidatidosis Bacterias: Shigella (4 especies) Sigelosis Salmonella typhi Fiebre tifoidea Salmonella (unas 1,700 especies) Salmonelosis Vibrio cholerae Cólera Escherichia coli Yersinia enterocolitica Gastroenteritis Yersiniosis Leptospira spp Leptospirosis Virus: Enterovirus (71 especies) Gastroenteritis, anomalias cardíacas Virus hepatitis A Hepatitis infecciosa Adenovirus (31 tipos) Enfermedades respiratorias Rotavirus Parvovirus (2 tipos) Gastroenteritis Gastroenteritis Lodos residuales: Los lodos o fangos vienen a ser aquellos subproductos resultantes de los procesos de tratamiento de las estaciones depuradoras de aguas residuales. Son de gran importancia ya sea por el volumen obtenido y que se incrementa con el incremento de la población, así como por ser una fuente potencial de la materia orgánica, energía, pero si no se le da el adecuado manejo será un grave problema. Los lodos provienen ya sea de las lagunas o de las plantas depuradoras, siendo el volumen mayor de producción de lodos en las plantas depuradoras, debido principalmente al tiempo de retención. Salvo en los procesos de aireación prolongada, tanto los lodos del tratamiento primario como los del secundario requieren de un posterior tratamiento (digestión) para su reuso. Con este tratamiento se logra: • Disminución de materias volátiles • Mineralización de la materia orgánica. • Concentración de lodos. Composición característica de los lodos urbanos Características de los lodos Primarios Scundarios (F.A.) Digeridos (mezcla) SS (g/hab.d) Contenido de agua (%) 30-36 92-96 18-29 97,5-98 31-40 94-97 SSV (% SS) 70-80 80-90 55-65 Grasas (% SS) 12-16 3-5 4-12 Proteínas (% SS) 4-14 20-30 10-20 Carbohidratos (% SS) 8-10 6-8 5-8 PH 5,5-6,5 6,5-7,5 6,8-7,6 Fósforo (P) (% SS) 0,5-1,5 1,5-2,5 0,5-1,5 Nitrógeno (N) (% SS) 2-5 103-105 1-6 100-100 3-7 10-100 Organismos parásitos (Nº por 100 ml) 8-12 1-30 1-3 Metales pesados (% SS) (Zn, Pb, Cu) 0,2-2 0,2-2 0,2-2 Cantidad de fango (l/hab.d) 0,70 1,70 0,90 Bacterias patógenas (Nº por 100 ml) Problemática de los lodos: Los dos principales problemas que se pueden presentar en los lodos provenientes de las depuradoras de aguas residuales son los metales pesados y la presencia de microorganismos patógenos. Tratamiento de lodos: El tratamiento de lodos constituye una parte fundamental de las plantas de tratamiento y supone un 50% del costo de inversión, además de los costos de mantenimiento y control. Procesos: 1) Espesamiento: antes de proceder a la eliminación, o estabilización de los lodos que se han separado del agua residual es conveniente (rentable) proceder al espesamiento de los lodos; lo que permite reducir al mínimo el volumen para facilitar su manejo, transporte y almacenamiento. Se suele realizar por procedimientos como centrifugación o flotación. Para el dimensionado de los espesadores es necesario tener en cuenta: • Capacidad de espesamiento • Velocidad ascensional (influye sobre la forma de la curva de sedimentación) • Altura del espesado • Tiempo de retención 2) Estabilización o digestión: Puede ser aerobia o anaerobia. Digestión aerobia: Viene a ser la eliminación en presencia de aire, de la parte fermentable de los lodos. Los lodos en este proceso disminuyen de forma continua por la acción de los microorganismos existentes en el reactor biológico a la vez que se produce una mineralización de la materia orgánica. Los productos finales de este proceso metabólico son anhídrido carbónico, agua y productos solubles inorgánicos. Una adecuada estabilización corresponde con una disminución de los sólidos en suspensión del 30 al 35%. El proceso termofílico utiliza el calor metabólico producido por la bio degradación de la materia orgánica, alcanzándose temperaturas entre 45 y 65 ºC, con ello se produce la destrucción de patógenos. Digestión anaerobia: Se considera el método más adecuado para obtener un producto final aséptico. La descomposición de la materia orgánica por las bacterias se realiza en ausencia de aire. El oxígeno necesario para su desarrollo lo obtienen del mismo alimento. La digestión pasa por procesos de: licuefacción, gasificación y mineralización produciéndose un producto final inerte y con liberación de gases. La digestión está influenciada por una serie de fenómenos que determinan su eficacia: • Temperatura (rango óptimo 29-33ºC) • Concentración de sólidos • Mezcla de fango • pH (debajo de 6.2 la supervivencia de microorganismos productores de métano es imposible) • Acidos volátiles. Estabilización química: es aquella que se realiza por la adición a los lodos de productos químicos que los inactivan generalmente se usa cal que aumenta el pH, lo que dificulta la acción biológica de los lodos; favoreciéndose la liberación de amoniaco (le quita valor fertilizante al lodo). Deshidratación de fangos: La eliminación de agua de los lodos se consigue mediante espesado, deshidratación y secado. Para eliminar el agua libre e intersticial es suficiente con el proceso de espesado. Para la separación del agua capilar y de adhesión es necesario una deshidratación donde se precisan fuerzas mecánicas en centrifugas y filtros. Cuando se desea eliminar el agua de adsorción y de constitución se requieren energía térmica. La elección del método más adecuado dependerá del contenido en materia seca deseada en el lodo final, el costo del método y características del lodo. Desinfección: Es el proceso mediante el cual se trata de eliminar una gran cantidad de organismos patógenos presentes en los lodos y que pueden suponer un riesgo sanitario en su utilización. En la actualidad no es un proceso generalizado, pero países como Suiza, Alemania ya contemplan en su legislación normas sobre desinfección de lodos con fines agrícolas. Los métodos que se utilizan son la pasteurización que somete a los lodos a temperaturas de 70ºC y durante 30 minutos, el compostaje y la estabilización termofílica aerobia o anaerobia que provoca temperaturas de 60ºC y un pH de 8 durante 48 horas o 24 horas si el pH es diferente. Posible destino de los lodos: a) utilización en agricultura como abono (digestión aerobia. Digestión anaerobia) b) Recuperación de terrenos agotados (digestión aerobia. Digestión anaerobia) c) Recuperación de energía eléctrica, mecánica y calorífica (incineración) d) Compostaje (sin digestión) e) Vertidos directamente al mar, ríos, lagos. f) Relleno de terrenos, escombreras, minas abandonadas, pantanos, etc. El lodo y su acción sobre el suelo agrícola: Los lodos se caracterizan por presentar un alto contenido de materia orgánica y nutrientes por lo que su aplicación al suelo proporcionará estos nutrientes. Los fangos líquidos procedentes de un tratamiento primario y secundario contienen entre: 1 – 6.5 % de Nitrógeno 0.6 – 2.5 % de Fósforo Cuando están digeridos y secados al aire reducen dichos contenidos al 2% de Nitrógeno y 1,5% de Fósforo. La materia orgánica varía de 40 a 80% de la M.S. Cuanto de M. O. Aportan los lodos de una ciudad? Si un habitante produce en promedio 0.1 Kg lodo (materia seca) y lo multiplicamos por el número de habitantes por ejemplo Lima (8 millones) tendríamos una producción de 800 TM de lodo y si de todo esto, el contenido de M.O. es 50% tendríamos una producción de 400 T.M. de M.O. por día. Los suelos del Perú presentan en promedio un contenido de 1% de Materia Orgánica, es decir, una de las causas de la baja productividad. Si aplicamos las 400 Ton., alcanzaría para elevar de 1 a 3 % el contenido de M.O., en 10 Has., es decir, incorporamos 10 Has diarias y con potencial agrícola, al año tendríamos 3,650 has con potencial agrícola, es decir que no solo aportamos M.O. base para las actividades biológicas del suelo, sino además elementos nutritivos para las plantas. A través de las investigaciones biotecnológicas se están obteniendo variedades que pueden generar sustancias repelentes a plagas y enfermedades pero estas para poder desarrollar adecuadamente necesitan suelos fértiles. Para el adecuado uso de los lodos de depuradoras en agricultura se hace necesario una previa caracterización física, química y biológica que nos permita descartar la presencia de sustancias tóxicas y peligrosas. En Europa causó alarma el uso de lodos en la agricultura por la sospecha de la presencia de metales pesados, pero en diversos trabajos realizados al respecto, no se encontró presencia de metales pesados y en algunos casos la presencia era por debajo de los límites permisibles. En general valores del orden de 2,3 mg de cadmio/kg y 0.9 mg de mercurio/Kg son limitantes, sin embargo, la tolerancia están en función al tipo de cultivo, origen de los lodos, tipo de suelos, etc. Otro problema que se podría atribuir al uso de lodos es la presencia de organismos patógenos a pesar de la eliminación que se realiza en el proceso de digestión anaerobia, este problema se solucionaría mediante el compostaje de lodos antes de su aplicación al suelo, garantizando la sanidad y calidad del producto. Compostaje: Es una técnica que los agricultores realizan con la finalidad de aprovechar los residuos propios de la actividad agrícola. El compostaje es una manera racional, económica y segura de obtener un abono a partir de residuos de origen orgánico, conservando y aprovechando al máximo los nutrientes presentes en los materiales de partida. Es un proceso bioxidativo controlado en el que intervienen numerosos y variados microorganismos que requieren humedad y temperaturas adecuadas, dando al final la producción de dióxido de carbono, agua, minerales y una materia orgánca estabilizada, libre de fitotoxinas y dispuesta para su empleo en agricultura, sin que provoque fenómenos adversos. Sistemas de compostaje: • • • Apilamiento estático, con aireación forzada es adecuado para areas pequeñas, permite el control del oxígeno así como de la humedad y temperatura, las instalaciones no son casas. Apilamiento con volteos, es un sistema considerado lento y utilizado desde épocas muy remotas. Es simple y fácil de realizar, se voltea periódicamente la masa para lograr una buena aireación y control de la humedad y temperatura. Sistemas cerrados, involucran el uso de reactores de diferentes tipos y dimensiones, este tipo de proceso es rápido pero su mantenimiento es costoso y las descargas del compost son muy complicadas.