WO2005051853A1 - Estabilización alcalina de lodos residuales en sistemas cerrados con recirculación de amoniaco opcional - Google Patents

Estabilización alcalina de lodos residuales en sistemas cerrados con recirculación de amoniaco opcional Download PDF

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Blanca Elena JIMÉNEZ CISNEROS
Juan Manuel MÉNDEZ CONTRERAS
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Universidad Nacional Autónoma de México
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Definitions

  • the present invention is a process for treating sludge from wastewater treatment plants with a high content of pathogenic microorganisms, producing biosolids or stabilized sludge that can be reused as soil improvers.
  • Table 2 presents the maximum allowable limits for microbiological contaminants in sludge and biosolids from wastewater treatment plants. Established by the US EPA and the Official Mexican Standard NOM-004- SEMARNAT-2002
  • Bacteria such as Salmonella and Pseudomona aeruginosa that are pathogenic for man, present higher concentrations in sludge from Mexico in relation to other countries.
  • the bacteriophages indicators of enteroviruses reported for Mexico are superior to those of Japan and the United States (Aurora Galicia Badillo. November 24, 2003. Evaluation of the Alkaline Stabilization Process of residual sludge for the elimination of bacteriophages. Master of Science with a specialty in Environmental Engineering (ESIA, Instituto Politécnico Nacional and Reimers et al., 1986 Water Science and Technology, Vol. 18. pp 397-405 and Hays, BD, 1997 Water Research. Vol.
  • helminth eggs parasite worms
  • Ascaris lumbr ⁇ coides Ascaris lumbr ⁇ coides
  • Taenia saginata Trichuris trichiura
  • Strongyloides stercolaris stand out.
  • the concentration of these eggs in crude sludge from Mexico has reached 177 HH / g ST values, which are much higher than those reported in developed countries and even for developing countries such as Egypt and Ghana (Barrios et al., 2001, International Water Association, Acapulco México, pp. 54-61; Jiménez et al., 2001, Internacional Water Association, Acapulco México, pp. 526-533.
  • And Hall 2000, Proceedings of the Joint CIWEM Aqua Enviro Consultancy Services, (Ed. ) Lowe, P. and Hudson, J. Seminal 1, paper 3, Wakefield, UK. Pp1-8.).
  • Helminthiasis are diseases linked to poverty, ignorance and unhealthiness, conditions that prevail in developing countries where the levels of these diseases amount to 10% of the total population (WWD, 2002. Disease fact sheet: Ascariasis, Written for World Water Day. Reviewed by staff and experts from the cluster on Communicable Diseases (CDS) and Water, Sanitation and Health unit (WSH), World Health Organization (WHO). 3 p.). In Mexico, the most frequent genus in water and sludge corresponds to Ascaris (Jiménez e ⁇ al., 2000, Water Science and Technology, Vol. 42, No.
  • object of the present invention sludge free of pathogenic microorganisms is achieved, maintaining its richness in organic matter, which makes it productively useful and also complies with the regulatory provisions for the exploitation and use of biosolids.
  • the sludge is biochemically oxidized by bacteria in an open or closed reactor. Oxygen is supplied by mixing or by injection of pressurized air. The volatile solids contained are transformed to CO 2 , water and nitrates. When operating in batches, this process requires long times to oxidize the organic matter present and is only capable of reducing approximately 2 logarithmic units at 30 ° C, (Westphal and Christensen, 1983, Journal Water Pollution Control Federation, Vol. 55, No . 11, pp. 1381-1386.), So its use in the case of sludge with a high pathogen content is not recommended.
  • Anaerobic digestion uses microorganisms that work in an oxygen-free medium and convert volatile solids to CO 2 , CH 4, and NH 4 + . Stabilization occurs because the biological activity consumes the volatile solids (Metcalf and Eddy, 1991, Wastewater Engineering: Treatment, Disposal, Reuse. McGraw-Hill, USA, 1334p.). Most anaerobic systems are classified as high rate and standard rate. At the standard rate there is no artificial mixing but only the one that causes gas release and heating is optional. In the high-rate system, agitation and heating, carefully controlling the temperature; One of the main disadvantages of the process is the long time required for the reduction of organic matter, which increases costs in addition to requiring highly qualified personnel. Furthermore, Westphal and Christensen, 1983 mention that the process reduces only 1.84 log of fecal coliforms.
  • Composting is the decomposition of organic matter under controlled conditions of temperature, humidity and oxygen. Their result is a highly stabilized humic type material known as compost (Bruce, 1984, Sewage Sludge Stabilization and Disinfection. (Ed.) Ellis Horwood Limited, UK, pp. 320-340).
  • compost a highly stabilized humic type material known as compost (Bruce, 1984, Sewage Sludge Stabilization and Disinfection. (Ed.) Ellis Horwood Limited, UK, pp. 320-340).
  • the optimal humidity used is 50 to 60%, due to this, sometimes it is necessary to add a bulking agent (sawdust, straw, shavings, etc.) in order to absorb moisture, increase porosity and serve as a carbon source. It is possible to divide the process into two main phases:
  • Composting is carried out when the microorganisms present in the mud begin to grow and reproduce, degrading the assimilable compounds (sugars, starches, simple cellulose and amino acids) present in the mud and mainly releasing carbon dioxide, water and heat. As a consequence, the temperature is generally increased above 50 0 C where most of the pathogens are inactivated.
  • Composting is a process capable of reducing up to 4 log units of faecal coliforms and represents an alternative that, due to its potential, can compete to be used in countries with low levels of hygiene and sanitation. However, its operation is complex, the duration of the process is high, it has high area requirements and it is mainly recommended for small treatment plants.
  • Alkaline stabilization of residual sludge It is an economic and simple process to operate that consists of adding alkaline materials, mainly CaO and Ca (OH) 2 to residual sludge in order to create pH and temperature conditions. inactivate pathogens.
  • the alkaline stabilization process is capable of reducing up to 7 logarithmic units of fecal coliform in sludge.
  • Alkaline sludge pre-stabilization. In which the alkaline material is added before the draining stage.
  • class B biosolids are obtained, in accordance with the provisions of the US EPA and NOM-004-SEMARNAT-2002, which contain a certain amount of microorganisms and can be used in soils, as long as they are restricted to free access. It is recommended in low capacity treatment plants.
  • Post-alkaline sludge stabilization - Consists of adding the alkaline material to the residual sludge after it has been drained in band filters and / or centrifuges, mainly.
  • This process is capable of producing class B biosolids, in accordance with the provisions of the US EPA and NOM-004-SEMARNAT-2002, however there is evidence that with an increase in temperature for a certain period of time, they are produced Class A biosolids which, according to the same standards, are practically free of pathogens and have no application restrictions.
  • ammonia is not used as a by-product that has a high disinfecting power as well as a commercial value due to its application in various industrial uses.
  • biosolids resulting from this process comply with the microbiological limits for biosolids class C and B according to the Official Mexican Standard NOM-004-SEMARNAT-2002, as well as biosolids Class B according to the US EPA.
  • the material resulting from this process is suitable for many uses such as soil recovery, intermediate cover of sanitary landfills and embankments.
  • the basic equipment necessary for this process is relatively easy to install and operate.
  • the combination of lime with ammonia increases the spectrum of types of microorganisms that are inactivated (Badillo, 2003 Evaluation of the Alkaline Stabilization Process of residual sludge for the elimination of bacteriophages. Master of Science with specialty in Environmental Engineering. ESIA, Institute National Polytechnic).
  • the process can be used in: • Where it is required to apply a process that reduces sludge odors and their pathogen content. • Treatment plants with highly variable costs, since the process can be easily adjusted to flow changes. • Small treatment plants that store their sludge for later transport. • Sludge with high content and variety of pathogenic microorganisms
  • the process, object of the present invention consists in performing an alkaline stabilization of residual sludge (biological and physicochemical) in closed systems with optional ammonia recirculation.
  • residual sludge biological and physicochemical
  • hermetic reactors that support high levels of pH, pressure and salinity that can be generated during the process must be used.
  • it must have heat insulation systems to prevent the free flow of energy to the surroundings of the system.
  • the process includes the following steps: a) The sludge is dehydrated up to 20% of total solids (80% humidity), through filtration or mechanical separation, air drying or using drying beds.
  • the dehydration of the sludge can be before or after the addition of alkaline materials.
  • the sludge must be homogenized beforehand with rapid agitation between 50 and 200 rpm for at least two minutes.
  • the sludge is mixed with at least one alkaline material such as: quicklime (CaO), hydrated lime (Ca (OH) 2 ), dolomitic lime (CaO.MgO), KMnO 4 , alkaline ash or any another material that increases the pH.
  • the amount of alkaline material must be sufficient to increase the pH of the mixture to a minimum value of 11.5 for a minimum time of two hours.
  • the amount of alkaline material can preferably be between 10% and 50% by weight depending on the conditions of the sludge to be treated. In order to favor the predominant reactions of the process, it is recommended to use rapid mixing between 100 and 500 rpm for at least two hours.
  • ammonia generated in the alkaline stabilization is recovered and stored in a storage tank to be used as a by-product or to be recirculated.
  • the amount of ammonia that is recirculated to the system must be between 10% and 30% by weight to mix it with the added alkaline material and the sludge to be stabilized.
  • the alkaline material and the recirculation of ammonia it is very important to provide efficient and continuous mixing to ensure that the mixture and temperature are uniform and homogeneous.
  • an additional heat source generated by electrical or mechanical energy can be applied, if necessary.
  • a variant of this treatment is only the application of ammonia without adding the alkaline material. This option is ideal for cases in which you do not want to increase the mass of the sludge.
  • Ammonia can be added to the sludge as ammonium hydroxide, ammonium sulfate or any other substance can be added that when increasing the pH releases ammonia or any derivative thereof, the amount must be such that the pH is equal to or greater than 10.9 and it must act on the sludge for at least two hours.
  • the amount of ammonium hydroxide can preferably be between 10% and 60% by weight. And it is convenient to optimize the dose in each case for the sludge that is treated previously.
  • the treatment is capable of producing class B and C biosolids according to Mexican regulations and class B biosolids according to the US EPA.
  • class A biosolids it is sufficient to increase the temperature of the sludge to 60 ⁇ 10 ° C through an additional heat source, so that together with the ammonia they inactivate all the microorganisms contained in the sludge.
  • the sludge treated only with ammonia reaches similar levels of microorganisms to those obtained in the stabilization with lime and does not allow bacterial regrowth. Examples 1. Obtaining and characterizing the sludge to be stabilized.
  • the sludge used in the stabilization was obtained from samples from the San Pedro Atocpan (SPA) wastewater treatment plant in Mexico City D: F, the wastewater received by this plant is mainly domestic and characterized by having a high content of microorganisms (B. Jiménez, e ⁇ al. (2002) Comparison of the Quantity and Quality of the Microbiological Conten ⁇ of Sludge in countries with Low and High Conten ⁇ of Pathogens. Wa ⁇ er Science and Technology. 46 (10) 17-24, ISSN 0273-1223 ISBN: 184339 426 X, UK).
  • the SPA wastewater plant performs an advanced primary traction (TPA) consisting broadly of the following stages: a) Influent of the plant. The residual water is received and sent to the settlers. During the flow of the water to the settlers (in-line dosing), the application of aluminum sulfate as well as a high molecular weight polymer to promote coagulation flocculation in the settlers. b) Sedimentation. In this stage, the solids (physicochemical sludge) separated from the residual water are allowed to settle, which are purged from the settlers approximately every 12 h. The sludge was removed from the settlers 1 hour before purging them, the sludge was allowed to flow to the thickeners for approximately 7 minutes before taking the samples.
  • TPA advanced primary traction
  • the main objective of stabilization is to inactivate pathogenic microorganisms.
  • the response variable of the proposed design for the case of coliforms and Salmonella spp. it was calculated in terms of removal of microorganisms.
  • C f Logarithm of the final concentration of microorganisms (after the application of each concentration of ammonia).
  • C 0 Logarithm of the initial concentration of microorganisms in crude mud.
  • E (C o - Cf) / C or X 100
  • E (C o - Cf) / C or X 100
  • the hermetic reactor used in the previous stages was used, making preheated water pass through the heat transfer zone that it has. Doses of 10 and 20% m / m of NH 3 were added and the treatments were carried out at 20, 30, 40 and 50 ° C for two hours. After this time, the microbiological evaluation of the samples was carried out.
  • the treatments were carried out using mud samples obtained under the same sampling conditions as in the previous stages.
  • the sludge samples were homogenized for 1 minute at 200 rpm, over time respective doses 5, 10, 15, 20, 30 and 40% m / m of CaO (also called “quicklime”) were applied and the speed was increased stirring for 2 hours at 300 rpm. This same treatment was applied to a control sample. After 2 hours, samples were taken in triplicate for immediate analysis.
  • the composition of CaO was as follows:
  • This stage was to incorporate NH 3 into the CaO sludge stabilization process to determine its influence on lime sludge stabilization as well as the feasibility of increasing efficiency by recirculating NH 3 .
  • Both the ammonia and the calcium oxide used were the same from stages 1 and 4, respectively.
  • the CaO doses used were the recommended dose (20%) and three lower doses (5, 10 and 15%). To each of these, 5, 10 and 15% m / m of NH 3 were added , which are less than the recommended amounts (20%).
  • the criteria of Mixed used were the same used in the first stage. At the end of mixing, the samples were taken in triplicate for immediate microbiological analysis. In addition, a sample of raw mud was analyzed as a comparison blank.
  • microbiological parameters were evaluated in the five stages of experimentation; while the physicochemical parameters were evaluated in stage 4, where it was important to evaluate the processes in open and closed systems to explain the differences in the results obtained.
  • Table 4 shows the list of analyzed parameters, the determination methods and the evaluation frequency for each case. Table 4. Evaluation parameters.
  • Figure 1 shows the flow chart of the alkaline sludge stabilization process in closed systems with optional ammonia recirculation.
  • Figure 2 shows the graphs of fecal coliform removal, removal of Salmonella spp and removal of viable helminth eggs in sludge from San Pedro Atocpan treated with different doses of NH 3 .
  • Figure 3 shows the graphs of the effect of contact time on the removal of faecal coliforms, removal of Salmonella spp and removal of viable helminth eggs in physicochemical sludge treated with 20% NH 3 .
  • the best removal results were obtained with 2 h for the eggs of helminths, fecal coliforms and Salmonella ssp., It was also observed that contact times greater than 24 h did not produce significant changes in the removal achieved with 2 h, so there is no bacterial regrowth.
  • Figure 4 (a) shows the effect of temperature on the removal of faecal coliforms in physicochemical sludge treated with different doses of NH 3 . While Figure 4 (b) shows fecal coliform removal (response) with respect to temperature.
  • Figure 5 (a) shows the effect of temperature on the removal of Salmonella spp. in physicochemical muds treated with different doses of NH 3 . While Figure 5 (b) shows the removal of Salmonella spp. (answer) regarding temperature.
  • Figure 6 shows the effect of temperature on viable helminth eggs in physicochemical sludge treated with different doses of NH 3 .
  • Figures 4, 5, and 6 represent the third stage in which the effect of the combination of the temperature with ammonia doses of 10 and 20% m / m was evaluated and the treatments were performed at 20, 30, 40 and 50 ° C for two hours, fecal coliforms and Salmonella ssp. they reduce their concentration to less than 2 log units and less than 1 log, respectively, with doses of 10% ammonia at 40 ° C and the helminth eggs decreased by up to 100% when a dose of 20% NH 3 was used at 50 ° W It was found that the removal of microorganisms increases when the product of both variables is greater (DT product).
  • Figure 7 (a) shows the removal of faecal coliforms in physicochemical sludge treated with different doses of CaO in open and closed systems
  • Figure 7 (b) shows the removal of faecal coliforms (response) with respect to different doses of CaO. .
  • Figure 8 (a) shows the removal of Salmonella spp in physicochemical sludge treated with different doses of CaO in open and closed systems.
  • Figure 8 (b) shows the removal of Salmonella spp (response) with respect to different CaO doses.
  • Figure 9 shows the removal of helminth eggs in physicochemical sludge treated with different doses of CaO in open and closed systems.
  • Figure 9 (b) represents the efficiency of helminth egg removal (response) against CaO doses.
  • Figures 7, 8 and 9 represent the fourth stage and it is shown that effectively closed systems are more efficient than open ones for the stabilization of sludge using lime since the former maintain the ammonia produced and the heat generated in the hydration reaction of calcium oxide, achieving that the product Dose of ammonia-Temperature (DT) is higher.
  • FIG. 10 presents the graphs of the removal of total coliforms, Salmonella spp and helminth eggs in physicochemical sludge treated with CaO and NH 3 , which shows that fecal coliforms and Salmonella ssp., Reduce their concentration to less than 3 MPN / g ST with doses of 10% CaO plus 10% NH 3 and the concentration of viable helminth eggs decreased to 5 HH / g ST with doses of 20% CaO plus 15%) of NH 3 .
  • Biosolids Sludge that has been subjected to stabilization processes and that due to its content of organic matter, nutrients and characteristics acquired after its stabilization may be susceptible to use.
  • Fecal coliforms Bacteria present in the intestines of warm-blooded animals and humans. Short non-sporulated Gram negative rods, also known as thermotolerant coliforms. They can be identified by their tolerance to temperatures of 44 ° C - 45 ° W. They have the ability to ferment lactose at a temperature of 44.5 ° W. They include the genus Escherichia and some species of Klebsiella. Stabilization. Physical, chemical and biological processes to which the sludge is subjected to condition it for its use or final deposit without producing harmful effects on the environment and health.
  • Alkaline stabilization Process by which quicklime (calcium oxide CaO) or hydrated lime (calcium hydroxide Ca (OH) 2 ) or equivalent is added to the mass of sludge and biosolids to raise the pH and eliminate microorganisms.
  • Quicklime calcium oxide CaO
  • hydrated lime calcium hydroxide Ca (OH) 2
  • Helminths Term designated for a wide group of parasitic worms (human, animal and plant), free-living, with varied shapes and sizes.
  • Sludge are solids with a variable moisture content, from wastewater treatment plants, which have not undergone stabilization processes.
  • Physicochemical sludge Sludge generated in treatment plants that use chemical products to treat wastewater.
  • Recirculation The action of feeding a total or partial output current to the reactor inlet.
  • Total Solids are the residual materials that remain in the sludge and biosolids, which have been dehydrated between 103 ° C to 105 ° C for 24 h, until reaching a constant weight and are equivalent on a dry weight basis.
  • Volatile Solids are the total organic solids present in the sludge and biosolids, which volatilize when they are incinerated at 550 ° C for 2 h in the presence of air.

Abstract

Se describe un proceso de estabilización alcalina de lodos residuales en sistemas cerrados con recirculación de amoniaco opcional que produce biosólidos con concentraciones de microorganismos patógenos que cumplen con normatividades mexicanas e internacionales y que por sus características son idóneos para su aplicación en suelos agrícolas, mejoramiento de suelos, remediación de suelos contaminados, generación de suelos en zonas infértiles, cubierta intermedia de rellenos sanitarios y terraplenes sin causar problemas de salud y ambientales. Una optimización del mismo proceso es el aprovechamiento del amoniaco como un subproducto que puede ser recuperado y recirculado al sistema para aprovechar su alto poder desinfectante o para comercializarlo debido a sus diversos uses industriales. La recirculación del amoniaco al proceso incrementa el contenido de nutrimentos por lo que los lodos obtenidos son adecuados para actividades agrícolas; además se reduce la masa de los lodos al requerir menos material alcalino con lo que se reducen los costos de operación así como los de transporte de biosólidos.

Description

ESTABILIZACIÓN ALCALINA DE LODOS RESIDUALES EN SISTEMAS CERRADOS CON RECIRCULACIÓN DE AMONIACO OPCIONAL
Campo Técnico. El conocimiento involucrado en la presente invención, se refiere a la solución de problemas de contaminación ambiental mediante la aplicación de la Ingeniería de procesos.
Breve Descripción La presente invención es un proceso para el tratamiento de lodos de plantas de tratamiento de aguas residuales con alto contenido de microorganismos patógenos, produciendo biosólidos o lodos estabilizados que pueden ser reutilizados como mejoradores de suelos.
Antecedentes.
La mayor parte de los lodos que se generan en plantas de tratamiento de aguas residuales no se tratan. Generalmente se descargan a los sistemas de alcantarillado, se depositan en rellenos sanitarios o se envían a tiraderos, suelos o cuerpos de agua. Además de que el desecho inadecuado de los lodos con alto contenido de microorganismos patógenos resulta perjudicial para la salud, también lo es para el medio ambiente. Por el negativo impacto sanitario y ambiental han surgido normas como el apartado 503 de la Agencia de Protección al Medio Ambiente de los Estados Unidos (US EPA) y la Norma Oficial Mexicana NOM-004-SEMARNAT-2002, que establecen los límites máximos permisibles de contaminantes para el uso, aprovechamiento y depósito de lodos y biosólidos. En México la Norma Oficial Mexicana establece tres niveles de biosólidos las clases A, B y C. El aprovechamiento de los biosólidos, se establece en función del tipo y clase, como se especifica en la Tabla 1 y su contenido de humedad hasta el 85%. Tabla 1. Aprovechamiento de biosólidos
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La tabla 2 presenta los límites máximos permisibles de contaminantes microbiológicos en lodos y biosólidos de plantas de tratamiento de aguas residuales. Establecidos por la US EPA y la Norma Oficial Mexicana NOM-004- SEMARNAT-2002
Tabla 2. Valores máximos permisibles de microorganismos en biosólidos según la US EPA y la NOM-004-SEMARNAT-2002
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(a) Huevos de helmintos viables
Adaptada de: US EPA, 1996 y Diario Oficial de la Federación, 15 de agosto de 2003.
La US EPA y la norma NOM-004-SEMARNAT-2002 establecen los límites máximos permisibles de metales en dos clases de lodos o biosólidos para poder reutilizarlos. La Tabla 3 presenta los límites máximos de metales pesados en biosólidos establecidos en ambas normas. Tabla 3. Valores máximos permisibles de metales pesados en biosólidos según la US EPA y la NOM-004-SEMARNAT-2002
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El contenido de patógenos presentes en los lodos de las plantas de tratamiento de aguas residuales de los países en desarrollo es muy elevado, respecto del de países desarrollados, cuestión que obedece a los bajos niveles de saneamiento predominantes. Por ello, el manejo y depósito de los lodos residuales representa un reto importante en países como el nuestro (Barrios et al., Proceedings Aqua Enviro/CIWEM 6th European Biosolids and Organic Conference, Volume 1 , Aqua Enviro, Wakefield, Nov. 2001. ISB 095369679-3-X. pp1-8). Las evidencias científicas muestran que los coliformes fecales presentes en lodos crudos de México están, de 2 a 5 unidades logarítmicas por encima de las reportadas para países como Estados Unidos, Ghana, Japón y Reino Unido. Las bacterias como Salmonella y Pseudomona aeruginosa que son patógenas para el hombre, presentan concentraciones superiores en lodos de México en relación con otros países. Asimismo, los bacteriófagos (indicadores de enterovirus) reportados para México son superiores a los de Japón y Estados Unidos (Aurora Galicia Badillo. 24 de noviembre de 2003. Evaluación del Proceso de Estabilización alcalina de lodos residuales para la eliminación de bacteriófagos. Maestría en Ciencias con especialidad en Ingeniería Ambiental. ESIA, Instituto Politécnico Nacional y Reimers et al., 1986 Water Science and Technology, Vol. 18. pp 397-405 y Hays, B. D., 1997 Water Research. Vol. 11 , pp .583-595); sin embargo en el caso de los protozoarios se han cuantificado concentraciones superiores, incluso de 2 unidades logarítmicas a las reportadas por Estados Unidos (Barrios eí al., 2001 , Internacional Water Association, Acapulco México, pp.54-61 ; Jiménez et al., 2001 , Internacional Water Association, Acapulco México, pp.526-533. y Reimers eí al., 1986 Water Science and Technology, Vol. 18. pp 397-405). Una de las diferencias más notorias es el contenido de huevos de helmintos (gusanos de parásitos) entre los que destacan Ascaris lumbrícoides, Taenia saginata, Trichuris trichiura y Strongyloides stercolaris. La concentración de estos huevos en lodos crudos de México ha llegado a valores de 177 HH/g ST, que son muy superiores a los reportados en países desarrollados e incluso para países en desarrollo como Egipto y Ghana (Barrios et al., 2001 , Internacional Water Association, Acapulco México, pp.54-61 ; Jiménez et al., 2001 , Internacional Water Association, Acapulco México, pp.526-533.y Hall, 2000, Proceedings of the Joint CIWEM Aqua Enviro Consultancy Services, (Ed.) Lowe, P. and Hudson, J. Seminal 1 , paper 3, Wakefield, UK. pp1-8.).
Las helmintiasis son enfermedades ligadas a la pobreza, ignorancia e insalubridad, condiciones que prevalecen en países en desarrollo donde los niveles de estas enfermedades ascienden al 10% del total de la población (WWD, 2002. Disease fact sheet: Ascariasis, Written for World Water Day. Reviewed by staff and experts from the cluster on Communicable Diseases (CDS) and Water, Sanitation and Health unit (WSH), World Health Organization (WHO). 3 p.). En México, el género más frecuente en agua y lodos corresponde a Ascaris (Jiménez eí al., 2000, Water Science and Technology, Vol. 42, No. 9, pp.103-110), el cual se ha identificado como el causante del 4.4% de la morbilidad total y del 8.3% de la mortalidad total del país (SSA, 2000, Secretaría de Salud, Morbilidad y Mortalidad 2000, Coordinación General de Planeación Estratégica. Dirección general de Evaluación e Información Epidemiológica. 12 p). Este género es uno de los más resistentes a cualquier tipo de proceso de desinfección (Carrington eí al., 1984, The Effect of Anaerobio Digestión Temperatura and Retention Periodo in the Survival of Salmonella and Ascaris ova. In: Sewage sludge stabilization and disinfection, A. Bruce (Ed.), Ellis Hor ood Limited, UK, pp. 369-380).
Dada la problemática de las enfermedades que pueden producir los microorganismos presentes en los lodos provenientes de las plantas de tratamiento de aguas, es importante generar nuevas tecnologías para disminuirlos o inactivarlos y que cumplan con las disposiciones normativas nacionales, de tal forma que se obtengan lodos que además se puedan reutilizar para otras aplicaciones productivas sin que constituyan una amenaza para el medio ambiente.
Con el proceso de tratamiento de lodos, objeto de la presente invención se consiguen lodos libres de microorganismos patógenos, manteniendo su riqueza de materia orgánica, lo cual los hace productivamente útiles y además cumplen con las disposiciones normativas para el aprovechamiento y uso de biosólidos.
En el estado del arte existen tecnologías, en su mayoría probadas y reconocidas en países desarrollados (US EPA, 1994, A Plain English Guide to the EPA, Part 503 Biosolids Rule. US EPA/832/R-93-003, 25 p.), para la producción de biosólidos como la digestión aerobia y/o anaerobia, elaboración de composta y la estabilización alcalina. Estas metodologías no se han puesto a prueba en lodos de países en vías de desarrollo como México para demostrar su capacidad de reducir o eliminar microorganismos en cantidad y tipo.
Digestión aerobia. En este proceso, el lodo es oxidado bioquímicamente por bacterias en un reactor abierto o cerrado. El suministro de oxígeno se realiza por mezclado o por inyección de aire a presión. Los sólidos volátiles contenidos son transformados a CO2, agua y nitratos. Cuando se opera por lotes este proceso requiere de tiempos largos para oxidar la materia orgánica presente y sólo es capaz de reducir aproximadamente 2 unidades logarítmicas a 30 °C, (Westphal y Christensen, 1983, Journal Water Pollution Control Federation, Vol. 55, No. 11, pp. 1381-1386.), por lo que su utilización en el caso de lodos con alto contenido de patógenos no es recomendable.
Digestión anaerobia. La digestión anaerobia emplea microorganismos que trabajan en un medio libre de oxígeno y convierten los sólidos volátiles en CO2, CH4 y NH4 +. La estabilización se produce debido a que la actividad biológica consume los sólidos volátiles (Metcalf y Eddy, 1991,Wastewater Engineering: Treatment, Disposal, Reuse. McGraw-Hill, USA, 1334p.). La mayor parte de los sistemas anaerobios se clasifican en alta tasa y tasa estándar. En la tasa estándar no hay mezclado artificial sino sólo el que causa la liberación de gases y el calentamiento es opcional. En el sistema de alta tasa se utiliza agitación y calentamiento, controlando cuidadosamente la temperatura; una de las principales desventajas del proceso es el tiempo prolongado requerido para la reducción de la materia orgánica, lo cual incrementa los costos además de requerir personal altamente calificado. Además, Westphal y Christensen, 1983 mencionan que el proceso reduce únicamente 1.84 log de coliformes fecales.
Elaboración de composta. La elaboración de composta es la descomposición de la materia orgánica en condiciones controladas de temperatura, humedad y oxígeno. Su resultado es un material altamente estabilizado de tipo húmico conocido como composta (Bruce, 1984, Sewage Sludge Stabilization and Disinfection. (Ed.) Ellis Horwood Limited, UK, pp. 320-340). La humedad óptima utilizada es de 50 a 60%, debido a esto, en ocasiones es necesario añadir un agente de abultamiento (aserrín, paja, viruta, etc.) con objeto de absorber humedad, incrementar la porosidad y servir como fuente de carbono. Es posible dividir el proceso en dos fases principales:
a) Preparación. En esta fase se añaden nutrientes, agentes de abultamiento y humedad según se requiera para acondicionar los lodos para la producción de composta.
b) Elaboración de composta. Se lleva a cabo cuando los microorganismos presentes en el lodo empiezan a crecer y reproducirse degradando los compuestos asimilables (azúcares, almidones, celulosas simples y aminoácidos) presentes en el lodo y liberando principalmente bióxido de carbono, agua y calor. Como consecuencia, la temperatura se incrementa por lo general arriba de los 50 0 C donde la mayor parte de los patógenos son inactivados. La elaboración de composta es un proceso capaz de reducir hasta 4 unidades log de coliformes fecales y representan una alternativa que, por su potencial, puede competir para ser utilizada en países con bajos niveles de higiene y saneamiento. No obstante, su operación es compleja, el tiempo de duración del proceso es alto, presenta altos requerimientos de área y se recomienda principalmente para plantas de tratamiento pequeñas.
Estabilización Alcalina de lodos residuales.- es un proceso económico y sencillo de operar que consiste en la adición de materiales alcalinos, principalmente CaO y Ca(OH)2 a lodos residuales con el fin de crear condiciones de pH y temperatura que inactiven los patógenos. El proceso de estabilización alcalina es capaz de reducir hasta 7 unidades logarítmicas de coliformes fecales en lodos. Existen dos tipos de procesos de estabilización alcalina que se caracterizan por llevarla a cabo, antes o después de la deshidratación de los lodos.
Pre-estabilización alcalina de lodos.- En la cual se añade el material alcalino antes de la etapa de desaguado. Con esta tecnología se consiguen biosólidos clase B, de acuerdo con lo establecido en la US EPA y la NOM-004-SEMARNAT-2002, los cuales contienen cierta cantidad de microorganismos y pueden utilizarse en suelos, siempre y cuando estén restringidos al libre acceso. Se recomienda en plantas de tratamiento de bajas capacidades.
Post - estabilización alcalina de lodos.- Consiste en añadir el material alcalino al lodo residual después de haber sido desaguado en filtros de banda y/o centrífugas, principalmente. Este proceso es capaz de producir biosólidos clase B, de acuerdo con lo establecido en la US EPA y la NOM-004-SEMARNAT-2002, sin embargo existen evidencias de que con un aumento en la temperatura por un cierto periodo de tiempo, se producen biosólidos de la clase A que, de acuerdo con las mismas normas, prácticamente no contienen patógenos y no tienen restricciones de aplicación.
En ambos procesos se utilizan mezcladores abiertos para mezclar el material alcalino con los lodos. Así, el amoniaco que se produce durante el proceso se volatiliza generando problemas de olores y de salud dificultando su aplicación con implicaciones sociales importantes. Además, el amoniaco no se aprovecha como un subproducto que tiene un alto poder desinfectante además de un valor comercial por su aplicación en diversos usos industriales.
El proceso para la estabilización alcalina de lodos residuales en sistemas cerrados con recirculación de amoniaco opcional de la presente invención, resuelve y supera las limitaciones de las técnicas ya mencionadas. Las principales ventajas que presenta esta tecnología son:
• Promueve el contacto directo del NH3 con los microorganismos, que junto con el material alcalino, provoca el aumento del pH e incrementa la eficiencia del proceso: • La aplicación de amoniaco incrementa el contenido de nutrimentos en los lodos por lo que el producto puede ser utilizado en suelos con actividades agrícolas. • La aplicación de amoniaco al proceso reduce la masa de los lodos por el uso de una dosis de material alcalino menor a la requerida en un sistema abierto, y por lo tanto. • Disminuye el costo de operación porque reduce los requerimientos de material alcalino. • Reduce el costo de transporte de lodos. • Evita problemas de olores y de salud. • Produce un subproducto rentable como el NH3. • Los biosólidos producto de este proceso cumplen con los límites microbiológicos para biosólidos clase C y B según la Norma Oficial Mexicana NOM-004-SEMARNAT-2002, así como biosólidos Clase B según la US EPA. • El material que resulta de este proceso es conveniente para muchos usos como la recuperación de suelos, cubierta intermedia de rellenos sanitarios y terraplenes. • El equipo básico necesario para este proceso es relativamente fácil de instalar y de funcionar. • La combinación de la cal con el amoniaco incrementa el espectro de tipos de microorganismos que son inactivados (Badillo, 2003 Evaluación del Proceso de Estabilización alcalina de lodos residuales para la eliminación de bacteriófagos. Maestría en Ciencias con especialidad en Ingeniería Ambiental. ESIA, Instituto Politécnico Nacional).
Además el proceso puede ser utilizado en: • Donde se requiera aplicar un proceso que reduzca los olores de los lodos y su contenido de patógenos. • Plantas de tratamiento con gastos altamente variables, ya que el proceso puede ajustarse fácilmente a los cambios de flujo. • Plantas de tratamiento pequeñas que almacenan sus lodos para transporte posterior. • Lodos con elevado contenido y variedad de microorganismos patógenos
Descripción
El proceso, objeto de la presente invención consiste en realizar una estabilización alcalina de lodos residuales (bilógicos y fisicoquímicos) en sistemas cerrados con recirculación de amoniaco opcional. Para llevar acabo este proceso se debe emplear reactores herméticos que soporten altos niveles de pH, presión y salinidad que puedan ser generados durante el proceso. Además debe contar con sistemas aislantes de calor para imposibilitar el libre tránsito de la energía a los alrededores del sistema.
El proceso comprende los siguientes pasos: a) Los lodos se deshidratan hasta en un 20% de sólidos totales (80% de humedad), mediante filtración o separación mecánica, secado con aire o utilizando lechos de secado. La deshidratación de los lodos, puede ser previa o posterior a la adición de materiales alcalinos Para homogenizar los lodos y facilitar el mezclado con el material alcalino se deberá homogenizar el lodo previamente con agitación rápida de entre 50 y 200 rpm durante al menos dos minutos. b) Para realizar la estabilización alcalina se mezclan los lodos con al menos un material alcalino como: cal viva (CaO), cal hidratada (Ca(OH)2), cal dolomítica (CaO.MgO), KMnO4, cenizas alcalinas o cualquier otro material que incremente el pH. La cantidad de material alcalino debe ser la suficiente para incrementar el pH de la mezcla a un valor mínimo de 11.5 durante un tiempo mínimo de dos horas. La cantidad de material alcalino puede ser preferentemente de entre el 10% y el 50% en peso dependiendo de las condiciones de los lodos a tratar. Para favorecer las reacciones predominantes del proceso, se recomienda utilizar un mezclado rápido de entre 100 y 500 rpm durante al menos dos horas. c) El amoniaco generado en la estabilización alcalina se recupera y almacena en un tanque de almacenamiento para utilizarlo como subproducto o para que se recircule. La cantidad de amoniaco que se recircula al sistema, debe ser entre el 10% y el 30% en peso para mezclarlo con el material alcalino adicionado y los lodos por estabilizar. Durante la adición del material alcalino y la recirculación del amoniaco es muy importante proporcionar un mezclado eficiente y continuo para asegurar que la mezcla y la temperatura sea uniforme y homogénea.
En adición al calor generado en las reacciones químicas, se puede aplicar, si es necesario, una fuente de calor adicional generado mediante energía eléctrica o mecánica.
Una variante de este tratamiento es sólo la aplicación de amoniaco sin agregar el material alcalino. Esta opción es idónea para casos en los cuales no se desea incrementar la masa de los lodos. El amoniaco puede ser adicionado a los lodos como hidróxido de amonio, sulfato de amonio o se puede agregar cualquier otra sustancia que al incrementar el pH libere amoniaco o cualquier derivado de éste la cantidad debe ser tal que el pH sea igual o mayor a 10.9 y debe actuar en los lodos durante al menos dos horas. La cantidad de hidróxido de amonio puede ser preferentemente de entre el 10% y el 60% en peso. Y conviene optimar la dosis en cada caso para los lodos que se traten en forma previa.
A través de esta opción el tratamiento es capaz de producir Biosólidos clase B y C según la normatividad mexicana y Biosólidos clase B según la US EPA. Para producir biosólidos clase A es suficiente con incrementar la temperatura de los lodos hasta 60 ± 10° C a través de una fuente adicional de calor, para que junto con el amoniaco inactiven la totalidad de los microorganismos contenidos en los lodos.
Al final del tratamiento, los lodos tratados sólo con amoniaco alcanzan niveles similares de microorganismos a los que se obtienen en la estabilización con cal y no permite el recrecimiento bacteriano. Ejemplos 1. Obtención y caracterización de los lodos por estabilizar.
1. Los lodos utilizados en la estabilización fueron obtenidos de muestras de la planta de tratamiento de aguas residuales de San Pedro Atocpan (SPA) de la ciudad de México D:F, el agua residual que recibe esta planta es principalmente de tipo doméstico y se caracteriza por tener un elevado contenido de microorganismos (B. Jiménez, eí al. (2002) Comparison of the Quantity and Quality of the Microbiological Contení of Sludge in Countries with Low and High Contení of Pathogens. Waíer Science and Technology. 46(10) 17-24, ISSN 0273-1223 ISBN: 184339 426 X, Reino Unido).
La planta de aguas residuales de SPA realiza un traíamiento primario avanzado (TPA) que consiste a grandes rasgos de las siguieníes eíapas: a) Influente de la planta. El agua residual se recibe y se hace llegar a los sedimentadores. Durante el recorrido del agua a los sedimentadores (dosificación en línea) se realiza la aplicación de sulfato de aluminio así como un polímero de alto peso molecular para favorecer la coagulación floculación en los sedimentadores. b) Sedimeníación. En esía efapa se permite la sedimentación de los sólidos (lodos fisicoquímicos) separados del agua residual, mismos que son purgados de los sedimentadores aproximadamente cada 12 h. Los lodos se extrajeron de los sedimentadores 1 hora antes de la purga de éstos, el lodo se dejo fluir a los espesadores por aproximadamente 7 minutos antes de tomar las muestras. Estos lodos fueron colectados en recipientes de plástico herméticos de una capacidad de 7 litros. Los lodos fisicoquímicos contienen una mayor concentración de microorganismos y son más fáciles de estabilizar por lo que los resultados sin duda aplican a lodos biológicos. c) Cloración. El agua separada de los sólidos se desinfecta con cloro y va a riego agrícola.
2. Primera etapa. Efecto de la dosis de NH3 en la estabilización alcalina de lodos A los lodos obtenidos en la fase anterior se les determinó los sólidos totales para determinar los requerimientos de NH3 y CaO. En un reactor cerrado, marca Apllikon con capacidad de 2 L que permite efectuar un seguimiento de pH, presión y la toma de muestras, se ho ogenizaron las muestras de lodo a 200 rpm durante 1 minuto, transcurrido el tiempo se aplico el NH3 en dosis respectivas de 10, 20, 30, 40 y 50 % m/m utilizando una solución de NH4OH con pH de 13 y se incrementó la velocidad de agitación a 300 rpm durante 2 horas. Este mismo tratamiento fue aplicado a una muestra control. Trascurridas las 2 horas se tomaron 4 muestras para cada una de las dosis de amoniaco y se realizó la evaluación microbiológica inmediata para cuantificar el contenido de coliformes fecales y Salmonella ssp (APHA, AWWA - WEF Standard Methods for Examination of Water and Wastewater, 1995, 19a edición, Washinton D.C, USA. y NOM-004 SEMARNAT 2002). Además, se midieron los huevos de helmintos mediante el método descrito en la NOM 004-SEMARNAT-2002. Debido a la complejidad de los análisis microbiológicos que no permiten realizar todas las determinaciones a la vez, se utilizó un diseño unifactorial de bloques completos y solo se realizó un tratamiento para cada dosis en cada semana de muestreo. Así, el muestreo se realizo durante 5 semanas y cada semana de muestreo representó un bloque.
El objetivo principal de la estabilización es inactivar los microorganismos patógenos. La variable de respuesta del diseño propuesto para el caso de los coliformes y la Salmonella spp. se calculó en términos de remoción de microorganismos.
I = Log (Cf/Co) Donde
I: Remoción de microorganismos.
Cf: Logaritmo de la concentración final de microorganismos (después de la aplicación de cada concentración de amoniaco). C0: Logaritmo de la concentración inicial de microorganismos en lodo crudo.
Para los huevos de helmintos se utilizó la eficiencia (E) como variable de respuesta y se utilizó el método tradicional de cálculo: E = (Co - Cf)/Co X 100 Para validar estadísticamente los resultados obtenidos y determinar la existencia de diferencias significativas entre los tratamientos se realizó el análisis de varianza de los mismos. El análisis estadístico fue realizado para cada grupo de microorganismos (coliformes fecales, Salmonella spp. y huevos de helmintos) de manera independiente.
Los resultados de esta etapa, permitieron establecer los experimentos siguientes, los cuales se realizaron con la dosis de amoniaco recomendable para la estabilización.
3. Segunda etapa. Efecto del tiempo de contacto en la estabilización de lodos con amoniaco
Para evaluar el efecto del amoniaco en la remoción de microorganismos con respecto al tiempo de contacto, en un reactor con las mismas características de la etapa anterior, se homogenizaron las muestras y el control a 200 rpm durante 1 minuto. Transcurrido el tiempo se aplicó una dosis de 20% m/m de amoniaco
(dosis recomendable obtenida de la etapa anterior) y se incrementó la velocidad de agitación a 300 rpm durante 2 horas. La toma de muestras se realizó por triplicado en cuatro tiempos equidistantes (0.5, 1 , 1.5, 2 h) para su análisis microbiológico inmediato. Nuevamente se seleccionó el diseño unifactorial por bloques completos de forma análoga a la etapa anterior considerando los muéstreos realizados como los bloques del experimento y las variables de respuesta a la remoción de coliformes fecales y Salmonella spp y la eficiencia de remoción de huevos de helmintos. El análisis de varianza de los resultados obtenidos se realizó para cada microorganismo de manera independiente.
Adicionalmente, para determinar el efecto del NH3 en la remoción de huevos de helmintos y en el posible recrecimiento bacteriano (coliformes fecales y Salmonella spp) en tiempos de contacto mayores, se evaluó el efecto del amoniaco en tiempos de contacto de 1 , 7, 14, 21 y 28 días. Al cabo de cada uno de estos tiempos se realizó la caracterización microbiológica del lodo. Esta prueba se realizó aplicando a los lodos una dosis de 20% de NH3 misma que se agitó con los criterios de mezclado de las etapas anteriores durante dos horas. Al final del tratamiento, se dejaron los vasos a la sombra en un lugar seco y a temperatura ambiente hasta el tiempo deseado. Al término de cada tiempo se tomaron muestras en recipientes esterilizados para su evaluación microbiológica.
4. Tercera etapa. Efecto de la temperatura en la estabilización de lodos con amoniaco
Para realizar las pruebas a diferentes temperaturas se utilizó el reactor hermético utilizado en las etapas anteriores haciendo pasar agua precalentada a través de la zona de transferencia de calor con que cuenta. Se adicionaron dosis de 10 y 20% m/m de NH3 y los tratamientos se realizaron a 20, 30, 40 y 50 °C durante dos horas. Transcurrido este tiempo, se realizó la evaluación microbiológica de las muestras.
Con un procedimiento similar a las etapas anteriores, el control y las muestras fueron sometidos a los mismos criterios de mezclado y los mismos tiempos. En esta etapa se utilizó un diseño factorial de dos factores el de temperatura y el de NH3 y se realizaron tres réplicas para cada combinación de tratamientos. Como en los diseños anteriores la variable de respuesta fue la remoción de coliformes fecales y Salmonella spp. y la eficiencia de remoción de huevos de helmintos. Con los resultados obtenidos se realizaron los análisis de variancia de manera independiente.
5. Cuarta etapa. Comparación de la estabilización alcalina de todos en sistemas abiertos y cerrados.
Para corroborar que los sistemas cerrados son más eficientes que los sistemas abiertos en la estabilización alcalina de lodos, se comparó la eficiencia de remoción de microorganismos indicadores y patógenos. La simulación del proceso de estabilización en sistemas abiertos se realizó en un equipo de agitación PHIPPS & BIRD, modelo 7790-400 (prueba de jarras). El peso del soporte para los agitadores es de 10 kg y las paletas de agitación miden aproximadamente 10 x 2.5 cm. Las jarras empleadas para estas pruebas fueron vasos de precipitado de plástico Nalgene con capacidad para 2 litros. Los ensayos se llevaron a cabo dentro de la campana de extracción debido a los olores que se producen por el NH3 volatilizado. Las pruebas en los sistemas cerrados se realizaron en un reactor de cierre hermético de las mismas características de las etapas de experimentación anteriores.
Los tratamientos se realizaron utilizando muestras de lodo obtenidas bajo las mismas condiciones de muestreo de las etapas anteriores. Las muestras de lodo se homogenizaron durante 1 minuto a 200 rpm, transcurrido el tiempo se aplicaron dosis respectivas 5, 10, 15, 20, 30 y 40% m/m de CaO (llamado también "cal viva") y se incrementó la velocidad de agitación durante 2 horas a 300 rpm. Este mismo tratamiento fue aplicado a una muestra control. Trascurridas las 2 horas se tomaron muestras por triplicado para su análisis inmediato
La composición de CaO fue la siguiente:
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Para esta etapa se utilizó un diseño factorial con dos factores en diferentes niveles uno para el tipo de sistema y el otro para la dosis de CaO. Ambos procesos fueron evaluados en términos de remoción de coliformes fecales y
Salmonella ssp y la eficiencia de remoción de huevos de helmintos. Con los resultados obtenidos se realizó el análisis de varianza para cada variable de respuesta de manera independiente. 6. Quinta etapa. Evaluación del efecto de la recirculación de NH3 en el proceso de estabilización con CaO.
Esta etapa tuvo por objeto incorporar NH3 al proceso de estabilización de lodos con CaO para determinar su influencia en la estabilización de lodos con cal así como la factibilidad de incrementar la eficiencia mediante la recirculación del NH3. Tanto el amoniaco como el óxido de calcio utilizados fueron los mismos de las etapas 1 y 4, respectivamente.
La dosis de CaO utilizadas fueron, la dosis recomendable (20%) y tres dosis inferiores (5, 10 y 15%). A cada una de éstas, se añadieron de 5, 10 y 15% m/m de NH3, que son cantidades inferiores a la recomendable (20%). Los criterios de mezclado utilizados fueron los mismos utilizados en la primera etapa. Al término del mezclado las muestras fueron tomadas por triplicado para su análisis microbiológico inmediato. Además, se analizó una muestra de lodo crudo como blanco de comparación.
Al igual que en la primera etapa de experimentación, se utilizó un diseño unifactorial por bloques completos para evaluar el efecto de la mezcla CaO/NH3 en la remoción de microorganismos. Los bloques fueron representados por cada muestreo de lodos realizado semanalmente mientras que el factor en estudio fue la mezcla de CaO/NH3.
El proceso se evaluó comparando la remoción de coliformes fecales y Salmonella spp. y la eficiencia de remoción de huevos de helmintos independientemente. 7. Evaluación de la calidad de los lodos estabilizados
En cada una de las etapas fue evaluada la calidad de los lodos estabilizados, los parámetros fueron establecidos con base en la parte 503 de la US EPA, "Estándares para el uso o disposición de lodos residuales" y la NOM-004- SEMARNAT-2002 "Protección Ambiental - Lodos y Biosólidos - Especificaciones y límites máximos permisibles de contaminantes para su aprovechamiento disposición final".
Los métodos de análisis se efectuaron según APHA, AWWA - WEF Standard Methods for Examination of Water and Wastewater (1995), 19a edición, Washington D.C, USA.
Por referirse a las variables de respuesta de los experimentos realizados, los parámetros microbiológicos fueron evaluados en las cinco etapas de experimentación; mientras que los parámetros fisicoquímicos fueron evaluados en la etapa 4 donde fue importante evaluar los procesos en sistemas abiertos y cerrados para explicar las diferencias en los resultados obtenidos. La tabla 4 muestra la lista de parámetros analizados, los métodos de determinación y la frecuencia de evaluación para cada caso. Tabla 4. Parámetros de evaluación.
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(E-4): Etapa 4 Realizado en la totalidad de las réplicas de cada experimento. Realizado en las etapas 1ra A 4a
Breve descripción de las figuras
La figura 1 muestra el diagrama de flujo del proceso de estabilización alcalina de lodos en sistemas cerrados con recirculación de amoniaco opcional La figura 2 muestra las gráficas de la remoción de coliformes fecales, remoción de Salmonella spp y remoción de huevos de helmintos viables en lodos de San Pedro Atocpan tratados con diferentes dosis de NH3. Los resultados indicaron que el amoniaco inactiva significativamente los coliformes fecales y la Salmonella ssp. (7 y 5 log, respectivamente) así como a los huevos de helminto (94%). A partir del análisis estadístico se seleccionó a la dosis de 20% para el tratamiento de los lodos. La figura 3 muestra las gráficas del efecto de tiempo de contacto en la remoción de coliformes fecales, remoción de Salmonella spp y remoción de huevos de helmintos viables en lodos fisicoquímicos tratados con 20% de NH3. Los mejores resultados de remoción se obtuvieron con 2 h para los huevos de helmintos, coliformes fecales y Salmonella ssp., también se observó que tiempos de contacto superiores a 24 h no producen cambios significativos en la remoción alcanzada con 2 h por lo que no existe el recrecimiento bacteriano. La figura 4 (a) muestra el efecto de la temperatura en la remoción de coliformes fecales en lodos fisicoquímicos tratados con diferentes dosis de NH3. Mientras que la figura 4 (b) muestra la remoción de coliformes fecales (respuesta) con respecto a la temperatura.
La figura 5 (a) muestra el efecto de la temperatura en la remoción de Salmonella spp. en lodos fisicoquímicos tratados con diferentes dosis de NH3. Mientras que la figura 5 (b) muestra la remoción de Salmonella spp. (respuesta) con respecto a la temperatura.
La figura 6 muestra el efecto de la temperatura en huevos de helmintos viables en lodos fisicoquímicos tratados con diferentes dosis de NH3. Las figuras 4, 5, y 6 representan la tercera etapa en la cual se evaluó el efecto de la combinación de la temperatura con dosis de amoniaco de 10 y 20% m/m y los tratamientos se realizaron a 20, 30, 40 y 50 °C durante dos horas, los coliformes fecales y Salmonella ssp. reducen su concentración hasta menos de 2 unidades log y menos de 1 log, respectivamente, con dosis de 10% de amoniaco a 40° C y los huevos de helmintos disminuyeron hasta en un 100% cuando se utilizó una dosis de 20% de NH3 a 50° O Se comprobó que la remoción de microorganismos aumenta cuando mayor es el producto de ambas variables (producto DT). La figura 7 (a) muestra la remoción de coliformes fecales en lodos fisicoquímicos tratados con diferentes dosis de CaO en sistemas abiertos y cerrados Mientras que la figura 7 (b) muestra la remoción de coliformes fecales (respuesta) con respecto a diferentes dosis de CaO.
La figura 8 (a) muestra la remoción de Salmonella spp en lodos fisicoquímicos tratados con diferentes dosis de CaO en sistemas abiertos y cerrados. La figura 8 (b) muestra la remoción de Salmonella spp (respuesta) con respecto diferentes dosis de CaO. La figura 9 muestra la remoción de huevos de helmintos en lodos fisicoquímicos tratados con diferentes dosis de CaO en sistemas abiertos y cerrados. La figura 9 (b) representa la eficiencia de remoción de huevos de helmintos (respuesta) contra dosis de CaO. Las figuras 7, 8 y 9 representan la cuarta etapa y se demuestra que efectivamente Los sistemas cerrados resultan más eficientes que los abiertos para la estabilización de lodos utilizando cal ya que los primeros, mantienen el amoniaco producido y el calor generado en la reacción de hidratación del óxido de calcio, consiguiendo que el producto Dosis de amoniaco- Temperatura (DT) sea superior. Además, en los procesos cerrados se requiere hasta 5% menos de cal para cumplir con los límites de bacterias para biosólidos clase A según el estándar de la US EPA y la NOM-004-SEMARNAT-2002 La figura 10 presenta las gráficas de la remoción de coliformes totales, Salmonella spp y huevos de helmintos en lodos fisicoquímicos tratados con CaO y NH3, con lo cual se demuestra que los coliformes fecales y la Salmonella ssp., reducen su concentración hasta menos de 3 NMP/g de ST con dosis de 10% de CaO más 10% de NH3 y la concentración de huevos de helmintos viables disminuyó hasta 5 HH/g de ST con dosis de 20% de CaO más 15%) de NH3. En general, se determinó que es posible incrementar la destrucción de microorganismos patógenos si se recircula el amoniaco producido, requiriendo para ello dosis de CaO menores a 20% m/m.
Los resultados obtenidos contribuyen al mejor conocimiento del efecto del NH3 en la remoción de microorganismos patógenos y en el proceso de estabilización alcalina. Su recirculación puede reducir los costos del proceso convencional hasta en un 25% por requerimientos de CaO.
Para efectos de esta invención se entenderá como:
Aprovechamiento. Uso de los biosólidos como mejoradores de los suelos por su contenido de materia orgánica y nutrientes, o en cualquier actividad que represente un beneficio.
Biosólidos. Lodos que han sido sometidos a procesos de estabilización y que por su contenido de materia orgánica, nutrientes y características adquiridas después de su estabilización puedan ser susceptibles de aprovechamiento. Coliformes fecales. Bacterias presentes en el intestino de animales de sangre caliente y humanos. Bacilos cortos Gram negativos no esporulados, también conocidos como coliformes termotolerantes. Pueden identificarse por su tolerancia a temperaturas de 44° C - 45° O Tienen la capacidad de fermentar la lactosa a temperatura de 44.5° O Incluyen al género Escherichia y algunas especies de Klebsiella. Estabilización. Procesos físicos, químicos y biológicos a los que se someten los lodos para acondicionarlos para su aprovechamiento o depósito final sin producir efectos dañinos al medio ambiente y a la salud.
Estabilización alcalina. Proceso mediante el cual se añade cal viva (óxido de calcio CaO) o cal hidratada (hidróxido de calcio Ca(OH)2) o equivalentes, a la masa de lodos y biosólidos para elevar el pH y eliminar microorganismos. Helmintos. Término designado a un amplio grupo de gusanos parásitos (de humanos, animales y vegetales), de vida libre, con forma y tamaños variados.
Poseen órganos diferenciados, y sus ciclos vitales comprenden la producción de huevos o larvas, infecciosas o no. Huevos de helmintos viables. Huevos de helmintos susceptibles de desarrollarse e infectar.
Lodos. Son sólidos con un contenido variable de humedad, de las plantas de tratamiento de aguas residuales, que no han sido sometidos a procesos de estabilización. Lodos Fisicoquímicos. Lodos generados en plantas de tratamiento que utilizan productos químicos para el tratamiento de las aguas residuales.
Recirculación. Acción de alimentar total o parcialmente a la entrada del reactor una corriente de salida.
Sólidos Totales (ST). Son los materiales residuales que permanecen en los lodos y biosólidos, que han sido deshidratados entre 103° C a 105° C durante 24 h, hasta alcanzar un peso constante y son equivalentes en base a peso seco.
Sólidos Volátiles (SV). Son los sólidos orgánicos totales presentes en los lodos y biosólidos, que se volatilizan cuando estos se incineran a 550 ° C durante 2 h en presencia de aire.

Claims

Reivindicaciones
1. Proceso de estabilización alcalina de lodos residuales biológicos y fisicoquímicos en sistemas cerrados con recirculación de amoniaco opcional que produce biosólidos con bajas concentraciones de microorganismos patógenos y que pueden cumplir con cualquier normatividad para su aprovechamiento, que comprende de los siguientes pasos: a) Deshidratación de los lodos; b) Homogenización de los lodos con agitación rápida; c) Estabilización de los lodos con al menos un material alcalino, en donde la cantidad de material alcalino sea la suficiente para incrementar el pH de la mezcla a un valor mínimo de 11.5 durante un tiempo mínimo de dos horas;, d) Mezclado rápido para favorecer las reacciones predominantes; e) Recuperación del amoniaco producido en la estabilización para almacenarlo en un tanque de almacenamiento para utilizarlo como subproducto o para que se recircule al proceso; f) Recirculación opcional del amoniaco al sistema para mezclarlo con el material alcalino adicionado y los lodos por estabilizar; g) Adición opcional de cualquier reactivo que produzca amoniaco en el sistema en una cantidad tal que el pH sea igual o mayor a 10.9 para aprovechar el poder desinfectante del amoniaco y que pueda ser omitida o reducida la cantidad del material alcalino de la etapa de estabilización y así obtener biosólidos con la misma calidad microbiológica que con la estabilización alcalina y que además se reduzca la masa de los lodos; h) Aplicación de calor a través de cualquier fuente de calor externa para que en combinación con el amoniaco se ínactiven totalmente los microorganismos de los lodos;
2. Proceso de conformidad con la reivindicación 1 en donde la etapa de deshidratación de los lodos puede ser pre-estabilización o post-estabilización.
3. Proceso de conformidad con la reivindicación 1 en donde la etapa de la homogenización de los lodos con agitación rápida es de entre 50 y 200 rpm durante al menos dos minutos.
4. Proceso de conformidad con la reivindicación 1 en donde el material alcalino puede ser al menos uno de los siguientes: cal viva (CaO), cal hidratada (Ca(OH)2), cal dolomítica (CaO.MgO), KMnO4, cenizas alcalinas o sustancias equivalentes.
5. Proceso de conformidad con la reivindicación 4 en donde la cantidad de material alcalino puede ser preferentemente de entre el 10% y el 50%.
6. Proceso de conformidad con la reivindicación 1 en donde el mezclado rápido es de entre 100 y 500 rpm durante al menos dos horas.
7. Proceso de conformidad con la reivindicación 1 en donde la cantidad de amoniaco que se recircula al sistema debe ser entre el 10% y el 30% en peso.
8. Proceso de conformidad con la reivindicación 1 en donde la adición del reactivo que produce amoniaco puede ser hidróxido de amonio, sulfato de amonio o cualquier otra sustancia que al incrementar el pH libre amoniaco o sus derivados de éste.
9. Proceso de conformidad con la reivindicación 8 en donde la cantidad de amoniaco es de entre el 10% y el 60% en peso.
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