Utilización de nutrientes por separación de orina
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2o Simposio Internacional sobre Saneamiento Ecológico, abril 2003 Martin Oldenburg OtterWasser GmbH Engelsgrube 81, 23552 Lübeck, Alemania correo electrónico: [email protected] Jutta NiedersteHollenberg Universidad Técnica de Hamburgo, Instituto para el Manejo de Aguas Residuales Eissendorfer Str.42, 21073 Hamburgo, Alemania correo electrónico: [email protected] Andreas Bastian Wupperverband Untere Lichtenplatzer Str. 100, 42289 Wuppertal, Alemania correo electrónico: [email protected] WiW – Wupperverbandsgesellschaft für integrale Wasserwirtschaft Untere Lichtenplatzer Str. 100, 42289 Wuppertal, Alemania correo electrónico: [email protected] Gitta Schirmer Palabras clave Sistemas descentralizados de aguas residuales, separación de orina, aguas grises, sanitario con separación, humedal de tratamiento. Resumen Se describe el concepto de aguas residuales para el Lambertsmühle (un molino de agua), con separación de orina, de aguas grises y de aguas pardas. La tecnología de saneamiento instalada es uno de los prerrequisitos para separación de líquidos; aquí se utilizan diferentes tipos de sanitarios. En año y medio del programa de investigación se revisó la efectividad de la separación. No hubo pérdida de nitrógeno al almacenar la orina, fuera en condiciones normales o con acidez. La mayor parte de los contaminantes orgánicos persistentes proviene de hormonas y residuos farmacéuticos que se encontraron en la orina. Algunos de ellos pueden degradarse si el almacenamiento se hace en condiciones de acidez. La orina se desempeñó igual que un fertilizante mineral normal, sin embargo, se recomienda mezclar la orina con el estiércol de los animales que se crían en las fincas agrícolas. Introducción El “Lambertsmühle” es un viejo molino de agua que en la actualidad funciona como museo. A la restauración del edificio se agregó un concepto sanitario de avanzada. En efecto, el edificio del molino cuenta con un área pública para los visitantes e invitados, junto con un departamento alquilado a una familia en el primer piso. Debido a las condiciones locales no fue posible conectarlo con la red del sistema de drenaje, por lo cual fue necesario instalar un sistema propio de tratamiento de aguas residuales. Para ello, se optó por un concepto de separación de flujos. * Esta ponencia fue revisada por el comité científico del simposio Oldenburg 257 Sesión C Utilización de nutrientes por separación de orina – experiencias del proyecto Lambertsmühle* 2o Simposio Internacional sobre Saneamiento Ecológico, abril 2003 Prerrequisito del concepto es recolectar por separado orina (con o sin agua de descarga, las llamadas aguas amarillas), heces (aguas pardas) y las aguas grises de la cocina y baños. Para la separación de orina y heces se instalaron diferentes sanitarios. La taza del lado derecho tiene un mecanismo especial desviador de orina. Al sentarse en la taza, el peso de la persona acciona una válvula que se abre y la orina pasa por la pequeña salida frontal. Al levantarse la persona, la válvula se cierra y la descarga de agua puede limpiar toda la taza; el agua de descarga se evacua por la salida diseñada para las heces. La ventaja de esta taza de baño es que la orina se separa sin diluir y que el agua de descarga limpia adecuadamente la taza. Figura 1: Tazas separadoras instaladas en el Lambertsmühle; izquierda: BB-Innovation, Suecia; centro: WostMan, Suiza; derecha: Roediger, Alemania La orina que sale de estas tazas se almacena en un tanque especial y los agricultores la utilizan como fertilizante en sus tierras de cultivo. Las heces y aguas grises se descargan a la planta tratadora de aguas residuales. Los sólidos se separan en una unidad especial, donde se recolectan y deshidratan. Después de compostar los sólidos pueden utilizarse como acondicionador de suelos. Los líquidos producto de esta separación contienen pocos nutrientes por lo que pueden tratarse fácilmente. En el proyecto Lambertsmühle el tratamiento biológico se desarrolla en un humedal para tratamiento de aguas residuales. Después de este proceso las aguas se canalizan a las aguas receptoras. En la siguiente figura se muestran el esquema del sistema de saneamiento, con respecto al agua, y el ciclo de nutrientes. Oldenburg 258 Sesión C Los sanitarios instalados aparecen en la figura 1. Dos sanitarios separan la orina de las heces por medio de un separador integrado a la taza, pero mezclan la orina con agua de descarga. Esta dilución de la orina es muy importante para el volumen de orina almacenada y su transporte, ya que el volumen de ingreso diario controla lo anterior. Por ello resulta recomendable muy poca dilución o, mejor aún, ninguna dilución. Especialmente la taza de baño que se muestra en el centro de la figura 1 puede ocasionar problemas si la utiliza un niño. Las heces pueden caer en la parte delantera de la taza, lo cual implica removerlas y hacer la limpieza manualmente. Sesión C 2o Simposio Internacional sobre Saneamiento Ecológico, abril 2003 Figura 2: Sistema de saneamiento en el Lambertsmühle Este es uno de los primeros proyectos de separación de orina en Alemania, inspirado en proyectos realizados en Suecia (Hellström y Johansson, 1999), que de manera exitosa recolectan la orina y la reutilizan como fertilizante después de un tiempo de almacenamiento. Los resultados, experiencia y recomendaciones de diversos proyectos aparecen en varias publicaciones (Johansson, 2001; Höglund 1998, 2001) que pueden compartirse por este proyecto. Métodos Para el proyecto que se acaba de describir se desarrolló un programa de investigación de 18 meses. Participaron varios interesados, los cuales desarrollaron diferentes tareas que describimos a continuación: Eficiencia de la separación de flujos y de cada una de las etapas relacionadas con las concentraciones básicas y balances de masa. Incrementar el conocimiento sobre dichos sistemas e ideas para futuros desarrollos. Pruebas con almacenamiento, tratamiento y utilización de los nutrientes presentes en la orina. Investigación con respecto a la operación de los diversos componentes (sanitarios, tratamientos, utilización). Investigación con respecto al uso de los nutrientes en la agricultura, desarrollando estudios de laboratorio y experimentos a pequeña escala en los campos contiguos. Oldenburg 259 Investigación sobre aspectos de higiene. Medición de contaminantes orgánicos persistentes (fármacos y hormonas) en los distintos flujos y el efecto que tiene el almacenaje y el tratamiento de la orina sobre dichos contaminantes. Recomendaciones para la optimización de los sistemas separadores de líquidos. Para cumplir con las tareas arriba señaladas se realizaron varias mediciones. Se midieron los volúmenes de agua en los diferentes flujos y se tomaron muestras para analizar. Se desarrolló una metodología para identificar 17 contaminantes orgánicos persistentes (residuos de fármacos y hormonas) en la orina con alta salinidad. En todos los flujos se analizaron estas substancias con parámetros de higiene. La orina recolectada se utilizó como fertilizante tanto en el laboratorio como en pastizales contiguos al molino. Con base en estos valores se practicaron varios balances de masa además de otros cálculos. Resultados y discusión La relación del volumen de aguas grises y aguas pardas varió durante las diversas mediciones (figura 3). La media de la relación fue de 40% aguas pardas y 60% aguas grises. El agua de descarga ocasiona el valor elevado del volumen de las aguas pardas de los sanitarios. Figura 3: Distribución del volumen de aguas pardas (oscuro) y aguas grises (gris) La comparación de las cargas de nitrógeno en los diferentes flujos muestra que la principal fracción en las aguas pardas y aguas grises es muy pequeña: 22-45% de la carga total. Figura 4: Distribución de nitrógeno en aguas pardas (negro) y aguas grises (gris) Las concentraciones de los parámetros orgánicos en el flujo del humedal, en términos de DQO y DBO5 muestran concentraciones comparables a las de las aguas residuales domésticas normales. En el afluente que llega al humedal la concentración de DQO fue de 250-800 mg/l. Oldenburg 260 Sesión C 2o Simposio Internacional sobre Saneamiento Ecológico, abril 2003 2o Simposio Internacional sobre Saneamiento Ecológico, abril 2003 El humedal de tratamiento cumple sin ningún problema las exigencias de las autoridades con respecto al tratamiento de las aguas residuales. La separación de orina ocasiona mucho menor concentración de nitrógeno en el humedal, en comparación con las plantas de tratamiento convencionales. Asimismo, las tasas de eliminación de nitrógeno en el humedal siempre han estado cercanas a 95% y se incrementan conforme pasa el tiempo. Debido a que el edificio funciona como museo la frecuencia de uso varía mucho. Especialmente durante la época de visitas la carga de la planta tratadora de aguas residuales se incrementa significativamente. Durante esos días la capacidad de absorción del humedal operó muy bien y no ocurrió una concentración mayor en el flujo de salida. El separador se construyó como filtro de bolsa en el que queda atrapado el material sólido y del cual se drena el líquido. Se agregó material orgánico como trozos de madera o aserrín como fuente adicional de carbón y para una mejor deshidratación. Esta unidad operó con los procesos de separación, recolección y espesamiento de los sólidos de las aguas pardas y aguas grises. La separación de los sólidos en el compostero fue muy eficiente, aunque el proceso de deshidratación no funcionó muy bien. Suponemos que el diámetro de los filtros de bolsa era muy grande, además su manejo fue muy incomodo debido al tamaño. Entonces, hay que reemplazarlas por unos más pequeños e incrementar su capacidad de deshidratación aumentando la superficie total; ello debe optimizar el uso de la bolsa. Aún no tenemos resultados de este cambio de bolsa, ya que seguirá operando por algunas semanas. La muestras tomadas del tanque de orina tienen una concentración de amoníaco de unos 1,200 mg/l y una DQO con más de 10,000 mg/l. Estas concentraciones coincidieron con los cálculos realizados tomando en cuenta la dilución de la orina prevista en teoría, con el agua de descarga. Los cálculos hechos, suponiendo que 85% del nitrógeno lo originó la orina, mostraron una taza de captura de aproximadamente 50%. El baño instalado en el departamento, que no separa la orina y que mezcla todas sus aguas residuales fue el causante de esta tasa tan baja. Tomando esto en cuenta, los valores se corresponden con las experiencias de Suecia, donde la tasa de captura de nitrógeno que se midió en la orina separada fue de 60-70% (Jönsson et al., 1998). La orina fue almacenada en diferentes condiciones. En un primer periodo se le agregó ácido sulfúrico para mantener el pH en < 3 por varios meses. Durante ese tiempo no se midieron patógenos en la orina. En una segunda fase no se agregó ácido y la orina se almacenó sin ninguna condición; el valor del pH fue de 8.3-9. No obstante que en estas condiciones se produce amoniaco, los habitantes del departamento no percibieron ningún olor. Sólo después de que se abrió el tanque se notó que éste despidió un ligero olor. Durante el tiempo de almacenamiento se observó la formación de una capa viscosa en la superficie del contenido en el tanque. Por lo anterior se hace necesario mezclar el contenido, e.g. con una bomba, antes de vaciar el tanque de almacenado. Para estimar las posibles pérdidas durante el tiempo de almacenamiento se hicieron mediciones específicas (figura 5). No se registró pérdida de nitrógeno, sea que se agregó ácido o no a lo largo de cuatro meses de almacenamiento. Oldenburg 261 Sesión C A pesar de que un sanitario convencional instalado en el departamento (una de las 5 tazas de baño) no puede ser reemplazado por un sanitario desviador de orina y que la orina de este baño no se separó, la concentración de nitrógeno que ingresó el humedal fue menor que 20 mg/l y puede reducirse a 5mg/l en el flujo de salida del humedal. Sesión C 2o Simposio Internacional sobre Saneamiento Ecológico, abril 2003 Figura 5: Pérdida de nitrógeno en la orina durante el tiempo de almacenamiento Dichos resultados tuvieron el apoyo del personal del museo, pues nunca experimentaron ningún olor proveniente de la planta tratadora de aguas residuales. En consecuencia se mostraron muy satisfechos con el concepto de separación. Estos resultados coinciden con la experiencia sueca, en la cual sólo ocasionalmente se agregó sosa cáustica para evitar la formación de obstrucciones en el drenaje (Johansson, 2001). No se observó obstrucción de tuberías, principalmente en aquéllas por donde fluía la orina, en el sistema de drenaje del Lambertsmühle. Una de las principales tareas del proyecto fue determinar la presencia de residuos de fármacos y hormonas en la orina. Hasta el inicio del proyecto no había experiencias previas para el análisis de estos compuestos, por ello, una tarea central fue desarrollar técnicas de análisis para la matriz de la orina. Los residuos de fármacos se encontraron principalmente en la orina, sólo se pudieron encontrar pequeñas concentraciones en las aguas grises o en las aguas pardas. También se encontraron hormonas, sobre todo hormonas naturales, en las aguas grises. Al final la suma de las sustancias indicadas fue muy baja. La gama de sustancias identificadas fue la misma que se conoce en las aguas residuales normales. La degradación de estas sustancias en la orina se incrementa reduciendo el valor del pH. Algunas sustancias pueden degradarse en un ambiente ácido, lo cual no ocurrió en condiciones neutras. La orina se utilizó como fertilizante, en experimentos en invernadero y en condiciones ambientales libres. La utilización de nutrientes fue excelente en las plantas donde se probó. Tanto en condiciones naturales como en los estudios en invernadero, las tasas de crecimiento de las plantas fertilizadas con orina fue ligeramente mejor que cuando se aplicó fertilizante mineral o estiércol. La muy baja concentración de metales pesados en la orina puede reconocerse como una ventaja significativa en relación con otros fertilizantes minerales. La acidificación de la orina evita que se elimine el amoniaco al tiempo que la orina es una fuente adicional de azufre a los suelos. El balance de nutrientes en los experimentos a pequeña escala muestra un mejor uso de los nutrientes de la orina, en comparación con otros fertilizantes minerales. Hubo suficiente espacio de tierra agrícola disponible para utilizar los nutrientes provenientes de la orina. Estimaciones preliminares muestran que para utilizar 25% del total de nitrógeno proveniente de las aguas residuales sólo se requiere 2.5% del campo cultivable. Oldenburg 262 2o Simposio Internacional sobre Saneamiento Ecológico, abril 2003 Conclusión No todos los sanitarios con separador son recomendables, especialmente si los usuarios son niños. La pérdida de nitrógeno a causa de la recolección y almacenamiento de la orina es similar en condiciones neutras o con acidez. La orina almacenada en condiciones de acidez destruye patógenos y produce un fertilizante higiénico, inocuo. Los contaminantes orgánicos persistentes se concentran principalmente en la orina. Hay componentes específicos que pueden degradarse si la orina se almacena en condiciones de acidez. La remoción de sólidos en el compostero-separador es muy efectiva. La unidad recolecta, separa y deshidrata; el proceso de compostaje es nulo. Debido a la separación de líquidos los valores de concentración de nitrógeno en el flujo de salida del humedal son muy bajos. Los primeros resultados de las investigaciones agrícolas muestran una buena eficiencia de los fertilizantes, especialmente en las plantas. Hay más investigación en proceso. La creciente preocupación por los contaminantes orgánicos persistentes que llegan a las aguas superficiales vía aguas residuales producto de la actividad humana, apoya la instalación del concepto de separación de flujos. Con la separación de la orina puede evitarse la diseminación de estos componentes en el ambiente natural. Además, la emisión de nutrientes en las aguas receptoras puede reducirse, al tiempo que podemos reemplazar los fertilizantes artificiales. Los primeros resultados de este proyecto son muy alentadores y el concepto de separación de flujos muestra muchos beneficios. Esta separación puede incrementar la eficacia del tratamiento. La orina puede funcionar como buen fertilizante y puede sanearse, y hacerla inocua, si se almacena en condiciones específicas. Referencias Bastian, A., Schirmer, G., Londong, J., 2002, Zukunftsfähiges Abwassermanagement – Taller en: der LambertsmühleKA Wasserwirtschaft Abwasser Abfall, 10/2002, S: 1339 – 1342. Hellström D., E. Johansson, 1999: Swedish experiences with urine separating systems (La experiencia sueca con sistemas separadores de orina); Wasser & Boden 51. Jg. 11/1999, S. 26-29. Höglund, C., T.A. Stenström, H. Jönsson, A. Sundin, 1998: Evaluation of faecal contamination and microbial die-off in urine separating sewage systems (Evaluación de la contaminación fecal y muerte microbiana en sistemas separadores de orina); Wat.Sci.Tech. Vol. 38, No. 6, pp 17-25. Höglund, C., 2001: Evaluation of microbial health risks associated with the reuse of source separated human urine (Evaluación del riesgo para la salud asociado con la reutilización de la orina humana separada); tesis doctoral, Instituto Real de Tecnología (Departamento de biotecnología, Instituto Sueco del Agua y Microbiología Ambiental). Jönsson, H., Burström, A., Svensson, J., 1998, Measurements on two urine separating sewage systems (Mediciones en dos sistemas separadores de orina). Universidad Sueca de Ciencias Agrícolas, Departamento de Ingeniería Agrícola, Informe 228, Uppsala, 1998. Johansson M., 2001: Urine Separation – closing the nutrient cycle (Separación de orina - cerrando el ciclo de nutrimentos), http://www.stockholmvatten.se/pdf_arkiv/english/Urinsep_eng.pdf Oldenburg 263 Sesión C Los resultados del primer año de operaciones del sistema separador de orina pueden resumirse en: 2o Simposio Internacional sobre Saneamiento Ecológico, abril 2003 Niederste-Hollenberg, J., Oldenburg, M., Otterpohl, R., 2002: Einsatz dezentraler Sanitärtechnologien mit getrennter Urin-Erfassung in SchwedenWasser & Boden, 54. Jahrg., 5/2002, S. 20-24. Oldenburg, M., Bastian, A., Londong, J., Niederste-Hollenberg, J., Einsatz dezentraler Sanitärtechnologien mit getrennter Urin-Erfassung in SchwedenWasser & Boden, 54. Jahrg., 5/2002, S. 20-24. Otterpohl, R, 2001: Black, brown, yellow, grey – the new colours of sanitation (Negras, pardas, amarillas, grises – los nuevos colores del saneamiento). Water 21, octubre de 2001, pp. 37-41. Sesión C Otterpohl, R., Oldenburg, M., Zimmermann, J., 2002: Integrierte Konzepte für die Abwasserentsorgung ländlicher SiedlungenWasser & Boden 51. Jg. 11/1999, S. 10-13. Oldenburg 264
