tratamiento ácido de lodos residuales fisicoquímicos para

TRATAMIENTO ÁCIDO DE LODOS RESIDUALES FISICOQUÍMICOS PARA REDUCIR
EL CONTENIDO DE MICROORGANISMOS.
José Antonio Barrios Pérez (*)
Instituto de Ingeniería, Grupo de Tratamiento y Reúso UNAM. Ingeniero Civil (1994), Maestro
en Ingeniería Ambiental (1996). Técnico académico en el Grupo Tratamiento y Reúso del
Instituto de Ingeniería de la UNAM desde 1998. Su trabajo se enfoca al tratamiento de lodos,
incluyendo la estabilización por procesos alcalinos y ácidos, la deshidratación y la aplicación en
suelos.
Blanca E. Jiménez Cisneros
Instituto de Ingeniería, Grupo de Tratamiento y Reúso UNAM
Catalina Maya Rendón
Instituto de Ingeniería, Grupo de Tratamiento y Reúso UNAM
Instituto de Ingeniería, Grupo de Tratamiento y Reúso UNAM. Circuito Escolar S/N, Apdo. Postal 70-472, Coyoacán,
C.P. 04510, México D.F. Teléfono 5622-3343 Fax: 5622-3433 [email protected]
RESUMEN
El contenido de microorganismos patógenos en lodos ha retomado interés a nivel mundial debido al incremento en el
reúso de estos subproductos, principalmente en la agricultura, y al potencial de transmisión de enfermedades al
reutilizarlos. Por ello, el estudio de procesos que reduzcan considerablemente el contenido microbiológico de los lodos
merece especial atención. Tal es el caso del tratamiento ácido de los lodos, proceso no-convencional que ha sido
reportado esporádicamente en la literatura pero sin que haya sido estudiado a fondo para establecer las condiciones de
operación o el tipo de reactivo a utilizar. Por tal motivo, el presente trabajo reporta la destrucción de coliformes fecales,
Salmonella spp. y huevos de helmintos mediante la aplicación de ácidos acético y peracético en dosis de 22,000 y 550
ppm respectivamente. Para determinar la velocidad de destrucción de microorganismos se tomaron muestras a los 2, 5,
10, 15 y 30 minutos de contacto. Las eficiencias logradas con el ácido acético fueron de 3.2 y 3.0 logs para coliformes
fecales y Salmonella spp. respectivamente y de 74% para huevos de helmintos. Por su parte, con el ácido peracético, las
eficiencias fueron de 5.9 y 4.7 log para coliformes fecales y Salmonella spp. respectivamente, y de 93% para huevos de
helmintos. Los resultados demostraron que el ácido peracético posee un alto poder bactericida que puede ser
aprovechado en la estabilización de lodos para producir biosólidos que cumplan con la propuesta de normatividad
mexicana (Proy-NOM-004-ECOL-2001).
Palabras clave: Coliformes fecales, Salmonella, huevos de helmintos, lodo fisicoquímico, tratamiento ácido.
INTRODUCCIÓN
El reúso de lodos residuales a nivel mundial es una práctica aceptada en la mayoría de los países, debido principalmente
a que es considerada como la opción más aceptable desde el punto de vista ambiental. Sin embargo, para que esta
práctica pueda ser llevada a cabo se requiere que los lodos cumplan con ciertos criterios de calidad para disminuir los
riesgos a la salud y al ambiente. Particularmente, en países no desarrollados, estos criterios se enfocan a la reducción del
contenido microbiológico de los lodos, debido a los altos valores encontrados, situación que refleja los niveles de salud
de la población que genera el agua residual y, a su vez, los lodos. Sin embargo, el contenido microbiológico de los lodos
ha cobrado gran importancia también en países desarrollados debido al potencial de transmisión de enfermedades al
reutilizar los biosólidos. Por ejemplo, la Unión Europea se encuentra revisando la normatividad en materia de lodos con
el propósito de establecer criterios estrictos que permitan el reúso benéfico de una manera segura requiriendo que los
procesos avanzados reduzcan 6 logs las bacterias Escherichia coli y que las salmonelas se encuentren por debajo del
límite de detección en 50 gramos de muestra húmeda, lo cual pone de manifiesto la preocupación global en este tema.
1
Para llevar a cabo el tratamiento de los lodos, existen varios procesos que se enfocan a diferentes propósitos como
pueden ser la reducción de la masa de lodos, la estabilización microbiológica y el secado. Dentro de éstos, se han
definido las condiciones de operación de los procesos convencionales, de manera que la aplicación de éstos produzca un
lodo con una calidad aceptable para su aplicación o disposición, cumpliendo así con criterios de calidad o normas
existentes. Sin embargo, como alternativa a estos procesos, existen aquellos que no han sido del todo estudiados y que
requieren que se determine la factibilidad de aplicarlos en la estabilización de lodos. Tal es el caso del tratamiento ácido
de los lodos, proceso que ha sido reportado esporádicamente en la literatura pero sin que haya sido estudiado a fondo
para establecer las condiciones de operación o el tipo de reactivo a utilizar. Los ácidos que se han probado para
estabilizar lodos incluyen sulfúrico, perclórico, peracético, acético, propiónico, iso-butírico, n-butírico e iso valérico
(Barrios et al., 2000; Fraser et al., 1984; Godfree et al., 1984; Kiff y Lewis-Jones, 1984; Owen, 1984; y Roth y Keenan,
1971). De ellos, el ácido peracético ya ha sido utilizado para estabilizar lodos con fines de reúso en pruebas de campo y
piloto obteniendo muy buenos resultados (Fraser et al ,1984) y se ha aplicado incluso en la desinfección de agua residual
(Baldry et al., 1995; Sánchez-Ruiz et al., 1995). Por su parte, el ácido acético ha sido utilizado como conservador en la
industria alimenticia debido a que inhibe el crecimiento de bacterias y ha sido escasamente probado en el tratamiento de
lodos residuales (Kiff y Lewis-Jones, 1984). Recientemente, Barrios et al. (2000) realizaron pruebas de estabilización
ácida con cuatro diferentes ácidos: dos orgánicos (acético y peracético) y dos inorgánicos (sulfúrico y perclórico)
obteniendo que los ácidos acético y peracético lograron las mejores eficiencias de remoción de bacterias y huevos de
helmintos.
Por tal motivo, el presente trabajo reporta la destrucción de coliformes fecales, Salmonella spp. y huevos de helmintos
mediante la aplicación de ácidos acético y peracético para producir biosólidos que cumplan con los límites propuestos en
el proyecto de Norma Oficial Mexicana NOM-004-ECOL-2001, la cual establecerá los límites de microorganismos y
metales para que los lodos puedan ser aplicados o dispuestos (tabla 1).
Tabla 1. Límites microbiológicos propuestos en el proyecto de Norma Oficial Mexicana NOM-004-ECOL-2001.
Clase de lodo Coliformes fecales, NMP/g ST Salmonella spp., NMP/g ST Huevos de helmintos, huevos/g ST
A
< 1,000
<3
< 10
B
< 2’000,000
< 300
< 35
ST: sólidos totales
METODOLOGÍA
En este estudio se evaluó la destrucción de microorganismos durante el periodo de mezcla del lodo con el ácido (30
minutos) para determinar la velocidad de destrucción o el tiempo mínimo para llevar a cabo la misma, de tal manera que
el tiempo de contacto pueda ser ajustado a un mínimo para disminuir el tamaño de los reactores (considerando que el
volumen es igual al caudal de lodo multiplicado por el tiempo requerido en el proceso) así como los costos de inversión
y mantenimiento. Para ello, se colectó lodo fisicoquímico de una planta ubicada al sur de la Ciudad de México, la cual
trata un caudal promedio de 35 L/s aplicando una dosis de 66 mg/L de sulfato de aluminio y 1 mg/L de polímero
aniónico.
El lodo fue caracterizado analizando pH, sólidos totales (ST), sólidos volátiles (SV), coliformes fecales, Salmonella spp
y huevos de helmintos de acuerdo con las técnicas mostradas en la tabla 2. Posteriormente, se aplicó una dosis de 22,000
y 550 ppm de ácido acético y peracético, respectivamente, y se mezcló en un equipo de jarras a 320 rpm. Se tomaron
muestras de lodo a los 2, 5, 10, 15 y 30 minutos. Con el propósito de detener la reacción de los ácidos, se añadieron 30
g/L de tiosulfato de sodio, en el lodo tratado con acético, y una mezcla de 2 g/L de tiosulfato de sodio y 0.11 mg/L de
catalasa, en el lodo tratado con peracético, de acuerdo con lo recomendado por Baldry (1983). Las pruebas fueron
realizadas en al menos dos ocasiones con lodo muestreado en diferentes fechas.
Tabla 2. Parámetros analizados y técnicas analíticas empleadas.
2
Parámetro
Método
pH
Referencia
NA
Medición directa en la matriz
Sólidos totales
2540G
Métodos Estándar
Sólidos volátiles
2540G
Métodos Estándar
Coliformes fecales
NA
Proy. NOM-004-ECOL-2001
Salmonella spp.
NA
Proy. NOM-004-ECOL-2001
Huevos de helmintos
NA: No aplica.
NA
Proy. NOM-004-ECOL-2001
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Coliformes fecales y Salmonella spp.
La figura 1 presenta los resultados de coliformes fecales al ser tratado el lodo con los dos ácidos orgánicos. A pesar de
que la concentración inicial en las muestras tratadas con peracético es mayor que en el caso del acético, se observa una
mayor reducción a los dos minutos de contacto. En general las dos curvas presentan una tendencia similar con una
importante reducción a los 2 minutos, la cual se vuelve más lenta hasta los 30 minutos. El ácido peracético demostró un
mayor poder bactericida, alcanzando niveles del orden de 20 NMP/g de ST, en contraste con el acético, el cual logró una
densidad final de 1.2x103 NMP/g ST.
8
Coliformes fecales, log(NMP/g ST)
Acético
Peracético
7
6
5
4
3
2
1
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Tiempo, min
Figura 1. Monitoreo de la destrucción de coliformes fecales con ácidos acético y peracético
durante 30 minutos.
El comportamiento del peracético coincide con lo reportado por Fraser et al. (1983) referente a que el peracético
reacciona de manera muy rápida, consumiéndose el 85% después de 2 minutos y el 99% a los 10 minutos. Después de
ese periodo, el poder desinfectante puede atribuirse al acético residual, aún cuando su concentración es muy baja. La
concentración final en el caso del lodo tratado con acético es suficiente para cumplir con el límite de coliformes fecales
3
para biosólidos clase B (<2x106 NMP/g ST) de acuerdo con el proyecto de NOM-004-ECOL-2001, mientras que para el
lodo tratado con peracético, es posible cumplir con los límites para biosólidos clase A (<1,000 NMP/g ST).
Con respecto a Salmonella, la figura 2 muestra un comportamiento similar al observado en los coliformes fecales.
Empleando ácido acético, se observa una reducción de aproximadamente 2 logs a los 5 minutos de contacto, para
después reducir la concentración de forma gradual en 1 log hasta los 30 minutos, llegando a 15 NMP/g ST. Aún cuando
este nivel es bastante bajo comparado con el del lodo crudo, la presencia de salmonelas implica un riesgo potencial de
infección en caso de que, eventualmente, se presente recrecimiento en el lodo tratado con ácido acético. En contraste, la
destrucción con ácido peracético se da en un periodo de 10 minutos, al cabo de los cuales se alcanza el límite de
detección. Una vez más se cumple con los límites para lodo clase B al aplicar ácido acético y con los de clase A
aplicando peracético.
6
Salmonella spp., log(NMP/g ST)
Acético
Peracético
5
4
3
2
1
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Tiempo, min
Figura 2. Monitoreo de la destrucción de Salmonella spp. con ácidos acético y peracético
durante 30 minutos.
Los resultados del monitoreo bacteriológico coinciden con los reportados por Sanchez-Ruiz et al. (1995), los cuales
indican que la desinfección con ácido peracético se lleva a cabo en un periodo de 5 a 10 minutos de tiempo de contacto,
siendo este un valor constante únicamente para este tipo de reactivo. Además, la eficiencia del ácido peracético depende
del pH del lodo, operando mejor en condiciones neutras o ligeramente ácidas como las encontradas en el lodo
fisicoquímico empleado en este estudio, el cual presentó valores promedio de pH de 5.4 unidades. De acuerdo con lo
anterior, un tiempo de 10 minutos sería necesario, en el caso del peracético, para lograr la estabilización, mientras que
con acético el tiempo requerido es mayor.
En general, ambos ácidos presentan características bactericidas que permiten su empleo en el tratamiento ácido, sin
embargo, las dosis de peracético son considerablemente menores que las de acético para alcanzar el mismo nivel
bacteriológico, además de que el recrecimiento no representa problema alguno con el primero. Es importante mencionar
que el ácido acético puede ser empleado como fuente de carbono o energía si la concentración es menor a la requerida
para inhibir totalmente las bacterias. A su vez, el mecanismo por el cual los ácidos empleados afectan a las bacterias no
ha sido del todo determinado, aunque en el caso del acético el hecho de ser un ácido orgánico de cadena corta facilita la
penetración al interior de la célula en donde se disocia y acidifica el citoplasma (Cherrington et al., 1991), mientras que
en el caso del peracético, parte del poder bactericida se atribuye al oxígeno libre que se libera en la reacción así como a
la desnaturalización de proteínas. (Fraser et al., 1983).
4
Huevos de helmintos.
La inactivación de huevos de helmintos es una tarea difícil cuando se tratan los lodos por procesos que no cambian el pH
significativamente o que no incrementan la temperatura del lodo por encima de 50º C. En el caso del tratamiento ácido,
se observan importantes reducciones en la concentración de este parámetro. Al aplicar ácido acético, se reduce la
concentración de huevos viables a los 2 minutos en un 62%, lo cual es ligeramente menor comparado con el lodo tratado
con ácido peracético, en el cual la concentración después del mismo tiempo se redujo un 88% en promedio (figura 3). A
partir de ese tiempo, los huevos en el lodo con acético siguen presentando una reducción paulatina hasta alcanzar una
reducción máxima de 74%, y una concentración final promedio de 24 huevos por gramo de ST. Este valor es suficiente
para permitir su aplicación en suelos como un biosólido clase B, considerando el valor límite de 35 huevos/g ST
establecido en el proyecto de NOM-004-ECOL-2001.
Para el caso del peracético, después de la reducción inicial de 88%, la concentración de huevos de helmintos continuó
disminuyendo hasta los 10 minutos en los cuales se alcanzó un valor de 8 huevos/g ST, el cual se mantuvo relativamente
constante hasta los 30 minutos, al término de los cuales se logró una eficiencia de 93% y una concentración de 7
huevos/g ST. En este caso, el biosólido producido podría clasificar como un lodo clase A de acuerdo con el proyecto de
NOM (<10 huevos/g ST).
160
Huevos de helmintos viables, huevos/g ST
Acético
Peracético
140
120
100
80
60
40
20
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Tiempo, min
Figura 3. Monitoreo de la inactivación de huevos de helmintos con ácidos acético y peracético
durante 30 minutos.
Al observar las barras de desviación estándar de los resultados, se aprecia que el comportamiento de los huevos de
helmintos en el lodo tratado con ácido acético no es tan predecible como en el caso del peracético, pudiendo inclusive en
algunos casos superar el límite para lodos clase B, con lo cual se reducen las posibilidades de reutilizar benéficamente
estos lodos. Esto requeriría emplear dosis mayores de acético con el propósito de asegurar la calidad del producto y el
cumplimiento con el proyecto NOM-004-ECOL-2001.
Por su parte, el lodo tratado con peracético alcanzó valores que cumplen con los límites de lodos clase A, aún cuando se
considere la desviación estándar de los resultados, desde los 10 minutos de contacto. También es importante mencionar
que el peracético logra resultados prácticamente constantes, independientemente de la concentración inicial de huevos
de helmintos en el lodo crudo, la cual varió considerablemente en las pruebas realizadas.
5
Tomando en cuenta que los lodos pretenden tratarse para reutilizarlos benéficamente en sitios sin contacto público, sería
posible reducir el tiempo de contacto y de mezclado del proceso a 10 minutos (en el caso del ácido peracético), con lo
cual se lograría una distribución homogénea del reactivo empleado y se cumpliría con los límites para lodos clase B.
Esto representaría un ahorro considerable en comparación con los 30 minutos de contacto propuestos inicialmente,
logrando una reducción del volumen de los reactores de un 67%. Adicionalmente, es posible que una dosis menor a 550
ppm sea suficiente para producir lodos clase B, reduciendo el consumo de ácido peracético y, consecuentemente, el
costo del proceso.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El tratamiento ácido de lodos fisicoquímicos con ácido acético y peracético en dosis de 22,000 y 550 ppm
respectivamente, permite producir biosólidos que puedan ser reutilizados en suelos de acuerdo con el Proy-NOM-004ECOL-2001.
La velocidad del ácido peracético para destruir las bacterias e inactivar los huevos de helmintos fue superior a la del
ácido acético, requiriendo únicamente de 10 minutos de contacto para lograr estabilizar el lodo, mientras que con el
acético la reducción microbiológica continúa hasta los 30 minutos. Lo anterior demuestra la posibilidad de reducir los
tiempos del proceso al emplear ácido peracético, reduciendo a su vez las dimensiones de los reactores y el costo
asociado a su construcción y mantenimiento. Adicionalmente, las eficiencias alcanzadas con el ácido peracético superan
a las del acético, permitiendo recomendar al primero para el proceso de estabilización ácida.
Las eficiencias logradas con el ácido acético fueron de 3.2 y 3.0 log para coliformes fecales y Salmonella spp.
respectivamente, y de 74% para huevos de helmintos. Por su parte, con el ácido peracético, las eficiencias fueron de 5.9
y 4.7 log para coliformes fecales y Salmonella spp., y de 93% para huevos de helmintos. El lodo tratado con ácido
peracético presenta niveles de microorganismos similares a los obtenidos por procesos de estabilización alcalina de
lodos fisicoquímicos de acuerdo con Jiménez et al. (2000), lo cual demuestra la alta eficiencia del proceso.
Agradecimientos.- Los autores agradecen al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología el apoyo brindado para la
realización de este trabajo a través del proyecto 27770-T.
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