Establecimiento y análisis de los escenarios relativos a

Establecimiento y análisis de los escenarios relativos a la
producción, procesamiento y gestión de lodos de depuradora para el
desarrollo de una herramienta de toma de decisión para su
minimización y valorización
Iraia Oribe García1, a, Ainhoa Alonso Vicario1, b y Ana M. Macarulla Arenaza1, c
1
Deusto Institute of Technology – DeustoTech Energy
Universidad de Deusto
a
b
{ iraia.oribe, ainhoa.alonso,cana.macarulla}@deusto.es
Palabras clave: lodos depuradora, valorización residuos, gestión de residuos.
Resumen.
La gestión de los residuos es un problema multidisciplinar y el establecimiento de los potenciales de
reutilización, reciclaje, recuperación y/o co-tratamiento de los diversos residuos, depende de las
características de cada residuo, de las tecnologías de tratamiento, de los procesos productivos, de
los costes de operación (pre-tratamientos) y transporte, de la aceptación social y de la legislación
vigente. En este trabajo se presenta la primera fase del desarrollo de una nueva herramienta de toma
de decisión (Decision Support System, DSS) para la gestión de lodos de depuradora de aguas
residuales urbanas, en la búsqueda de soluciones viables para la minimización de su impacto
medioambiental y el establecimiento de rutas óptimas para su valorización. En primer lugar se
establecen los escenarios en los cuales la utilización de los lodos pueda ser viable, analizando los
beneficios e impactos de cada uno de ellos. Este estudio se realiza para el territorio histórico de
Gipuzkoa.
1. Introducción
En las estaciones de depuración de aguas residuales (EDAR), se lleva a cabo la depuración de las
mismas mediante operaciones físicas, químicas y biológicas en una determinada secuencia. El fin
último es obtener un efluente no contaminante que cumpla con los requisitos establecidos en la
Directiva 91/271/CEE en materia de vertido. No obstante, y teniendo en cuenta la ley de
conservación de la materia de Lavoiser, en una EDAR la materia contaminante contenida en la
aguas residuales, pasa de un estado líquido a un estado sólido, denominado lodo, fango o biosólido
(LD). Las aguas residuales urbanas se caracterizan en función de unos determinados parámetros.
Por ejemplo el parámetro “habitante-equivalente” define una determinada cantidad de agua y una
carga contaminante normalizada [1].
La producción continua y con tendencia a crecer, hace que uno de los retos más importantes desde
el punto de vista ambiental de la depuración de las aguas, sean el tratamiento y correcta disposición
de los lodos [2-5]. Una gestión sostenible de los LD puede definirse como un método que cumpla
con los requisitos de reciclaje eficiente de los recursos sin vertido de sustancias nocivas para los
seres humano o el medio ambiente [6]. Los principales escenarios de gestión se resumen en la
Figura 1.
EDAR
Espesamiento
Aplicación
agrícola
Digestión
anaerobia
Producción materiales
construcción : ladrillos,
áridos ligeros
Deshidratación
Valorización energética
Secado térmico
Vertedero
Fig. 1: Esquema general de los posibles escenarios de disposición de LD en una EDAR con digestión anaerobia
2. Situación de Gipuzkoa
Las calidades de las aguas que se tratan en un sitio o en otro son diferentes, entre otras razones
porque lo son los hábitos de consumo y los sectores industriales. Es importante, por tanto, analizar
las características de las EDAR de manera localizada. En particular este estudio está localizado en
la Comunidad Autónoma Vasca y, más concretamente, en la provincia de Gipuzkoa. Actualmente,
en la CAV existen un total de 47 estaciones depuradoras (Figura 2) que tratan el agua de
aglomeraciones urbanas con más de 2.000 habitantes equivalentes [7].
de 2.000 habitantes equivalentes [8]
Fig. 2: EDAR localizadas en la CAV, que tratan vertidos cuya carga contaminante es mayor de
En el ámbito de la depuración de las aguas residuales urbanas, desde 2003 se ha producido un
avance significativo en lo que a infraestructuras públicas de saneamiento se refiere, ya que en 2003
daban servicio al 64% de la población y en 2010 al 86%. En la tabla 1 se presentan los datos de
saneamiento y generación de la CAV recogidos para 2008.
La calidad del LD es fuertemente dependiente de la carga contaminante del influente y de las
características técnicas del proceso de tratamiento al que se somete, por ello, es necesario conocer la
línea de tratamiento que constituye cada proceso de depuración. Tras un estudio relativo a la línea
de tratamiento que tiene lugar en las EDAR de Gipuzkoa (tabla 2), se ha observado que en la
mayoría de los casos y para EDAR con más de 50.000 habitantes equivalentes la línea de
tratamiento común es la siguiente: pre-tratamiento (desbaste, desarenado, desengrasado),
tratamiento biológico y decantación con recirculación de fangos, espesamiento (por flotación),
estabilización (digestión anaerobia) y deshidratación. Como post-tratamiento de fangos se observa
la inclusión de secado térmico.
Tabla 1: Generación de lodos en la CAV, 2008 [10]
Capacidad de instalación
Habitante-equivalente
2.322.392
Volumen tratado
Hm3/año
212.839
Producción de lodos
Producción
T ms/año
37.236
Sequedad media
%
26,36
3. Escenarios de gestión de lodos
Una vez generado el LD existen distintas alternativas de gestión. Es de obligado cumplimiento el
principio de jerarquía contemplado en el artículo 8 de la Ley 22/2011, del 28 de julio, de residuos y
suelos contaminados: prevenir en la medida de lo posible, preparar el residuo para ser reutilizado,
reciclar lo que no se pueda reutilizar y valorizar de otra manera. El depósito final en vertedero es la
última y más desfavorable opción. No obstante, el orden general podrá ser matizado para conseguir
el mejor resultado medioambiental global. Asimismo, se intentará cumplir el principio de
proximidad.
Actualmente, está en proceso de elaboración para el conjunto de la CAV el Plan de Gestión de
Lodos Orgánicos del País Vasco, con objeto de abordar, desde un óptica global y teniendo en
cuenta la normativa actual, la problemática de generación y correcta gestión de los residuos de
lodos orgánicos generados en las EDAR, con vistas a evitar que se destinen a vertederos sin
concederles un adecuado aprovechamiento [14]. Por ello, la descripción de los escenarios de
disposición se realizará de acuerdo a lo dispuesto en el II Plan Nacional de Lodos de Depuradoras
de Aguas Residuales (II PNLD) [15], según el cual, los objetivos cuantitativos establecidos para el
2011 son los siguientes: valorización en usos agrícolas de al menos el 70% de los LD, valorización
energética y deposito en vertedero de un máximo del 15% cada uno y la correcta gestión ambiental
del 100% de las cenizas de incineración.
3.1.
Prevención
La primera acción ante la producción masiva de LD, es reducir la carga contaminante vertida en las
aguas residuales. El II PNLD, afirma que la prevención en origen de la contaminación es un
requisito imprescindible para obtener LD fácilmente valorizable.
La mayor parte de la contaminación de los LD, sobre todo la de componentes peligrosos y metales
pesados, procede de vertidos incontrolados o ilegales [14]. Con el objeto de obtener LD de mejor
calidad, es necesario, por un lado, poner énfasis en iniciativas dirigidas a evitar dichos vertidos; y
por otro, en producir productos con menores cantidades de sustancias peligrosas, es decir, reducir la
producción/vertido de sustancias dañinas y persistentes en origen (planta de
producción/hogares/industrias). De esta manera se puede obtener un producto menos dañino para el
medio ambiente en todas sus aplicaciones posibles: mejor calidad de la enmienda orgánica, menores
emisiones de compuestos contaminantes (dioxinas, furanos), menores lixiviados.
Cabe señalar que muchos de los constituyentes químicos, incluidos los nutrientes, son importantes
cuando se habla de la gestión final del LD procesado. El contenido en metales pesados, compuestos
orgánicos, patógenos, hidrocarburos, deben ser analizados si se va a enviar a incineración o
reutilización agrícola. Asimismo, el poder calorífico (PCI) es un factor determinante cuando estos
van a ser enviados a procesos de transformación térmica [2].
Tabla 2: Descripción de los procesos de depuración de las EDAR [11-13]
X
X
X
X
X
Badiolegi
Azpeitiz
25.000
425
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Atalerreka
Hondarribia
97.000
1088
X
X
X
X
X
X
X
X
Arronamendi
Deba
5.000
100
X
X
X
X
X
X
X
X
Sanantope
Getaria
2.000
50
Gaikao
Legorreta
35.000
625
X
X
X
X
X
X
Loiola
Donosti
300.000
10.000
X
X
X
Zabalera
Mutriku
4.000
X
X
X
Iñurritza
Zarautz
22.000
650
X
X
X
Basusta
Zumaia
8.000
200
X
X
X
Zuringoain
Urretxu
25.000
360
X
X
X
X
Epele
Arrasate
95.000
X
X
X
X
Mekolalde
Bergara
16.000
X
X
X
X
Aduna
Aduna
92.000
X
X
X
X
175
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Secado térmico
X
Centrifuga
Filtros prensa
Filtración a vacio
X
Aerobia
X
Química
X
Flotación
325
Gravedad
55.000
Biofiltros
Elgoibar
Nombre
Apraitz
X
POST
TRAT
Deshidratación
Filtro banda
Estabilización
Anaerobia
Centrifuga
Dec. Secundaria
Lombrices
SBR: reactor secuencial
Biológico en dos etapas
Espesamiento
Aireación prolongada
Aireación graduada
Mezcla completa
Flujo pistón
Físico químico
Dec. primario
Desengrasado
Trat-secundario
Hab.eqv
Desarenador
LINEA DE FANGOS
Localidad
Desbaste (gruesos y finos)
LINEA DE AGUAS
PreTrattratamiento
primario
Lodos, t/año
EDAR
3.2.
Valorización material
3.2.1. Aplicación al suelo
El primer escenario analizado ha sido el uso agrícola de los lodos. El II PNLD [15] recomienda,
como opción más favorable desde el punto de vista ambiental, la utilización de los lodos como
enmienda orgánica en agricultura una vez que se han compostado. Asimismo, identifica también el
almacenamiento prolongado de los LD para EDAR pequeñas.
La aplicación al suelo es una forma de reutilizar los compuestos con valor agrícola presentes en los
LD a la tierra. La práctica es reconocida como la Mejor Técnica Disponible (MTD) en la mayoría
de las circunstancias, por la Unión Europea y por muchos gobiernos de los estados miembros. Sin
embargo, la aplicación de los LD implica la transmisión de los contaminantes contenidos en ellos,
entre otros, metales pesados, compuestos orgánicos y sustancias patógenas, resultado de los
tratamientos aplicados a las aguas residuales para su depuración.
Por ello, el uso de los LD está limitado para todos los estados miembros mediante la Directiva
86/278/CEE, relativa a la protección del medio ambiente y, en particular, de los suelos, en la
utilización de los lodos de depuradora en agricultura. Esta Directiva se transpuso al marco jurídico
estatal mediante el Real Decreto 1310/1990, de 29 de octubre, y fue completado con la Orden de 26
de octubre de 1993 sobre utilización de lodos de depuración en el sector agrario. Sin embargo, ya en
el I PNLD (2001), se decía que esta legislación estaba siendo objeto de modificación en aras de
hacerla más restrictiva. No obstante, a día de hoy no ha habido ningún pronunciamiento en este
sentido.
La aplicación en agricultura presenta algunos problemas técnicos y sociales. Los problemas
técnicos, además del contenido en sustancias potencialmente peligrosas, provienen de que el LD se
produce continuamente durante el año, y sin embargo, al suelo sólo puede ser aplicado una o dos
veces al año. A su vez, la aceptación de productos cultivados con LD es un tema polémico. Este
hecho pone de manifiesto la necesidad de establecer conversaciones entre agricultores y
consumidores, industria alimentaria y minoristas para que la aceptación social del uso de estos.
El promedio de aplicación de fertilizantes durante las tres últimas temporadas en la EU27,
contenían un total de 10’4, 2’4 y 2’7 millones de toneladas de nitrógeno (N), fósforo (P2O5) y
potasio (K2O) respectivamente. Las predicciones auguran que el consumo de fertilizantes aumentará
hasta 10’8, 2’7 y 3’2 respectivamente [16].
El fósforo (P) es un elemento esencial para todos los organismos vivos y, a diferencia de muchos
otros elementos, no existe un sustituto para su funcionalidad biológica [17] y dado que el P es un
recurso no-renovable y que sus reservas mundiales están limitadas, es esencial considerar la
reutilización y reciclaje de los residuos que contengan este compuesto, como los LD.
Por ello, mediante la reutilización de los LD en suelos agrícolas y forestales, obtendremos una
fuente de materia orgánica, así como, el tan necesario P, evitando la producción de fertilizantes
químicos.
3.2.2. Materiales de construcción
Otra manera de valorización material es la valorización de la fracción inorgánica de los LD
mediante procesos cerámicos. Estos procesos han sido estudiados desde los años 80 y distintos
autores han demostrado su viabilidad técnica. Los procesos de ceramización establecen la frontera
con la encapsulación, y por tanto, del futuro comportamiento de un residuo confinado en el seno del
medio receptor. Por lo tanto, si el residuo entra a formar parte íntima, químicamente (ceramización),
del nuevo compuesto, el futuro comportamiento del conjunto será correcto y homogéneo, pero si el
residuo es sólo retenido físicamente (encapsulamiento), sin cambio en la estructura morfológica y/o
química, quedará encapsulado y su futura evolución dependerá más del medio donde se halle que de
su propia estabilidad y resistencia [18].
Sin embargo, la opinión pública tiene dudas sobre la seguridad que presentan los productos
materiales producidos a partir de residuos. Existe miedo por la posible introducción de sustancias
contaminantes en los hogares. Si la opinión pública presenta dudas, los productores de materiales de
construcción también tiene las suyas, debido a que la introducción de residuos no debe reducir las
características de los productos que fabrican. Cusidó y Cremades (2012) [19] afirman que el LD
puede ser incorporado a la producción de ladrillos de arcillas en un 5% a 25% en peso (sin
considerar las propiedades mecánicas del producto) sin que presenten ningún riesgo
medioambiental ni para la salud humana.
3.3.
Valorización energética
Los LD pueden utilizarse como fuente de energía alternativa reduciendo así la dependencia con los
combustibles primarios. La posibilidad de poder utilizar residuos como combustible sustitutivo en
los procesos de producción y reducir así el consumo de combustibles fósiles, supone sinergias
importantes tanto en la disminución el uso de recursos no renovables como en la gestión de la
emisión de gases de efecto invernadero. Por otro lado, este uso permite la posibilidad de poder
aprovechar instalaciones ya existentes.
Sin embargo, la combustión de LD da lugar a la emisiones atmosféricas de sustancias toxicas como
metales pesados, dioxinas o furanos. Además de la emisión de sustancias contaminantes, hay que
tener en cuenta que los procesos de valorización energética, no son procesos de eliminación
completa, aproximadamente un 30% de los sólidos permanecen como cenizas [2, 20]. Es por tanto
necesario una correcta gestión de este residuo, tal y como establece el II PNLD.
Esta valorización puede ser aplicada en dos ámbitos mayoritariamente: en instalaciones de
incineración de residuos, o en instalaciones con uso intensivo de energía. Asimismo, podemos
hablar de combustión o de co-combustión. La legislación europea reconoce el co-procesamiento
(co-combustión en este caso) como una operación de recuperación, reconocida como MTD y
regulada por la Directiva de Incineración y la Directiva de Prevención y Control Integrados de la
Contaminación (IPPC).
Además, las distintas experiencias llevadas a cabo tanto en Europa como en los Estados Unidos,
demuestran su viabilidad técnica y medioambiental. Esta opción se ha probado en todo tipo de
calderas (combustor para combustible pulverizado, combustor de lecho fluidizado, lecho fluidizado
burbujeante y lecho fluidizado circulante, parrilla) y para una gran variedad de tipos de biomasa
(forestal, serrín, cultivos energéticos,...) y residuos (LD, residuos de demolición,...).
Por tanto, la co-combustión es aplicable a todos los tipos de calderas que tradicionalmente utilizan
combustibles fósiles, pero cada planta necesita de una tecnología adaptada a sus características.
Cuando se integra un nuevo combustible a la caldera, el reemplazo parcial no debe empeorar
sustancialmente el rendimiento de la misma. Por ello, en muchos casos, es necesario someter al LD
a una serie de pre-tratamientos con el objeto de alcanzar, respecto del tamaño de partícula y el
contenido de humedad, unas características similares a las del combustible fósil original.
De los tratamientos térmicos podemos mencionar además de la combustión, la oxidación húmeda,
la pirolisis, y la gasificación. Como ejemplo de estas tecnologías vamos hacer referencia a la
incineración de residuos así como su utilización de LD en plantas cementeras.
3.3.1.
Incineración
Actualmente la única planta de incineración de LD en la CAV es la planta de incineración de
Galindo (Bizkaia). En Gipuzkoa, está paralizado el proyecto de la planta de incineración de residuos
de Zubieta, entre cuyos objetivos estaba valorizar energéticamente los LD.
Para proceder a la co-incineración de LD en instalaciones dispuestas para RSU, el PCI debe ser
parecido al de éstos, para que se puedan añadir fácilmente al proceso sin que éste sufra. El LD a
incluir en este proceso puede proceder de distintos puntos de la línea de fangos. El LD del secado
térmico es el que mejores resultados presenta. También es posible introducir lodo espesado,
reduciendo los costes de tratamiento (deshidratación y/o secado). En este caso, sin embargo, un
valor calorífico reducido implica refrenar la proporción de residuos (aproximadamente 20% del
tonelaje) [21]. En este caso se dispone de la planta de incineración de RSU de Zabalgarbi.
De acuerdo al RD 653/2003, de 30 de mayo, sobre incineración de residuos, las instalaciones de coincineración se diseñarán, equiparán, construirán y explotarán, de modo que, tras la última
inyección de aire de combustión incluso en las condiciones más desfavorables, al menos durante
dos segundos la temperatura de los gases derivados del proceso se eleve de manera controlada y
homogénea hasta 850ºC. Si se incineran residuos peligrosos que contengan más del 1% de
sustancias organohalogenadas, expresados en cloro, la temperatura deberá elevarse hasta 1100ºC, al
menos durante dos segundos.
3.3.2.
Hornos de clinker
La industria cementera a nivel mundial depende significativamente de fuentes de energía para su
funcionamiento y produce alrededor del 5% de todas las emisiones de CO2 que son generadas por la
actividad humana [22].
La industria cementera es receptora de una gran cantidad de combustibles alternativos sustitutivos
de los combustibles convencionales (en muchos casos con incentivos importantes). Ésta es una
práctica común en la industria cementera mundial y está reconocida internacionalmente como la
MTD. Los combustibles tradicionales utilizados son el gas, el petróleo y el carbón. La Tabla 3
resume los combustibles alternativos para la industria cementera.
Tabla 3: Tipo de residuos con potencial para ser utilizados en plantas cementeras [23]
Tipo de combustible
Residuos líquidos
Residuos sólidos
Residuos gaseosos
Opciones
Tar, residuos químicos, residuos de destilación, disolventes residuales, aceites usados,
suspensiones de cera, residuos petroquímicos, asfalto, lodo residuos de pintura, aceite
de lodos
Coque de petróleo, residuos de papel, residuos de caucho, lodos de pasta de papel,
neumáticos, cajas de baterías, residuos plásticos, desechos de madera, residuos
domésticos, paja de arroz, combustible derivado de residuos, cáscaras de nuez, suelos
de aceite de cojinetes, lodos de depuradora
Gas vertedero, gas de pirólisis
Käänte et al. (2004) [23] como regla sugieren que la dosis máxima de LD a alimentar nunca puede
superar el 5% de la capacidad de producción de clinker de la planta. Esta importante restricción
radica en la emisión de sustancias perjudiciales a la atmósfera.
El uso de combustibles alternativos en hornos de clinker tiene dos características que lo hacen
especialmente interesante: alta temperatura (> 1450ºC) con alto tiempo de permanencia y atmósfera
oxidante lo cual asegura la destrucción completa de los compuestos orgánicos (dioxinas y furanos).
Un estudio llevado a cabo por Rovira et al. (2011) [24] en Catalunya para conocer los efectos de la
utilización de LD como combustible adicional en una planta cementera durante un año, concluye
que los efectos sobre la salud son comparables con aquellos obtenidos cuando la planta no utilizaba
LD, siendo ambos aceptados por los estándares internacionales.
Además de la utilización del contenido energético de los residuos, la industria cementera con el
objetivo de reducir aún más sus emisiones de efecto invernadero, sustituye parte del clinker por
diversas adiciones, como son las cenizas volantes, la puzolana y escorias. Esta práctica implica una
reducción en el consumo de recursos naturales, tanto de materias primas como de combustibles.
3.4.
Otras vías de valorización
Hidrogeno a partir de LD: prácticamente el total del hidrógeno producido en la actualidad procede
del reformado del gas natural. Numerosos estudios han demostrado el potencial de obtener
hidrógeno a partir de LD mediante gasificación [25].
Otra vía de valorización en auge es la producción de catalizadores o adsorbentes [26-28]. Los
adsorbentes, por ejemplo, pueden producirse bien con LD secos o con cenizas de procesos térmicos.
Las propiedades de los adsorbentes son fuertemente dependientes del proceso de activación
(carbonización, activación química con KOH, ZnCl2, H2SO4, K2S, H3PO4, activación física) así
como de la propia naturaleza del LD [30].
4. Conclusiones
Los residuos han pasado de tener una connotación negativa a presentarse ahora como una
oportunidad. Son numerosos los escenarios en los cuales se pueden aplicar de una manera exitosa,
bien para la valorización energética como de la materia contenida en la misma (Figura 6).
Los LD de aguas residuales urbanas al igual que la fracción orgánica de los RSU, son una fuente de
materia orgánica y de nutrientes (N, P, K) necesarios bien para suelos agrícolas bien para la
recuperación de suelos contaminados. Sin embargo, su uso implica la transmisión de sustancias
contaminantes como metales pesados o compuestos orgánicos. Asimismo, su uso como aditivos
para materiales de construcción se presenta cada día como un mercado con más oportunidades.
Cuando no puede ser valorizado materialmente, puede utilizarse como combustible alternativo. La
principal desventaja que presenta este escenario, es el de no ser un escenario de eliminación final
como puede ser la valorización agrícola de los LD. A su vez, las emisiones atmosféricas producidas
en su combustión tienen que ser objeto de un control muy exigente.
Aunque con menos aplicabilidad local, existen nuevas tendencias en la valorización de este residuo
como son la producción de adsorbentes o producción de hidrógeno.
En este escenario donde son de naturaleza muy diferentes los espacios de aplicación de los LD, es
necesario de herramientas que ayuden en la toma de decisión (DSS). La gestión sostenible de los
residuos llama a integrar distintas variables en aras de obtener un decisión lo más transparente
posible. Así, se deben incluir las variables técnicas, es decir, la inclusión del residuo en el proceso
productivo no debe resultar en una reducción de la eficiencia del proceso ya establecido. Asimismo,
la ruta seleccionada debe ser rentable para ambas partes, es decir, no deben requerirse elevadas
inversiones ni gastos correspondientes al transporte, manipulación y pre-tratamiento del residuos.
Cuestión de obligado cumplimiento es la legislación vigente, cada vez más restrictiva en materia
medioambiental. Se debe cumplir con el principio de proximidad en la gestión del residuo.
Fig. 3: Descripción de los escenarios posibles para una EDAR con digestión anaerobia.
Y por último, pero por ello no menos importante, se debe incluir a la sociedad en la toma de
decisión. La población debe estar informada y debe ser un agente activo en decisiones de esta
índole.
Son muchas las DSS desarrolladas hasta ahora. Sin embargo, éstas vagamente incluyen todas esas
variables dentro de su modelo. La mayoría de los modelos tienen en cuenta aspectos económicos y
medioambientales, dejando de lado los otros aspectos. Por tanto, se hace necesario avanzar en el
desarrollo de herramientas que permitan una gestión de residuos más sostenible, ambientalmente
eficaz, económicamente asequible y socialmente aceptado. Los resultados de este trabajo han
permitido sentar las bases para el desarrollo futuro de estas herramientas.
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