Estudio de la mineralización en el suelo del nitrógeno de lodos procedentes de plantas depuradoras de aguas residuales

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Estudio de la mineralización en el suelo del nitrógeno

de lodos procedentes de plantas depuradoras

de aguas residuales

Mª Antonia Garau Guasch

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UNIVERSIDAD DE BARCELONA FACULTAD DE FARMACIA

ESTUDIO DE LA MINERALIZACION EN EL SUELO DEL NITRÓGENO DE LO DOS PROCEDENTES DE PLANTAS DEPURADORAS DE AGUAS RESIDUALES.

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1zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA 5 5

6.- ANÁLISISzyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA r: r ? A D I S T ! C C S . zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA

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o sea, que las dos poblaciones, en las que t eneros d e f i n i

-das ar.bas var iab l e s, sen iguales por t e r r ino r e d i o ; f r e nt e

a que son d i st i n t a s.

para peder r e a l i sa r d i c h o cont r ast e se debe cono-2 cono-2

c e r s i l a s v a r i a n z a s de ar.bas p o b l a c i o n e s (C^ y cH^) sen i

-cuales o d i s t i n t a s , ya que e l estadístico a u t i l i z a r en am

bos casos es d i st i n t o .

para cor.parar las var ianzas se cal cul a e l e st a d i s-zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA

-2~ que s i g u e una distribución F de Sne

2 d e c o r c o n ( n ^ - i , ^2"^ ^ grados de li b e r t a d .

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(4)

siendo:

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en e l caso en que este estadístico no dé s i g n i f i c a t i v o , se puede r e s o l v e r l a comparación de medias mediante e l estadi_s

t i c o t de Student:

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que se compara (en v a l o r a b s o l u t o ) con e l v a l o r de una t de Student a l n i v e l de s i g n i f icacióno¿ y (n.^+n2-2) grados de l i ^ bertad,

t l < t . , se acepta H ; en caso c o n t r a r i o , se r e expl ^ 0^' ^ o' ' — S i

chaza.

Para poder r e a l i z a r este c o n t r a s t e se r e q u i e r e que l a s v a r i a b l e s con l a s que se trabaja-en ambas poblaciones, sigan una distribución normal. Con l o s datos obtenidos en e l presente t r a b a j o , se ha v e r i f i c a d o s i se cumplía e s t a c o n d i -ción, para e l l o se ha r e a l i z a d o e l t e s t de L i l l i e f o r s cuya metodología es l a s i g u i e n t e :

Dados unos datos r e f e r i d o s a una v a r i a b l e a l e a t o r i a normal :zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA :¡t^, x^, ... x^; s i con e l l o s , una vez ordenados, se

c a l c u l a l a función de distribución o P r o b a b i l i d a d a c u m u l a t i -va:

P(x) = P (X< x)

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X zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA

Para saber s i determinados datos experimentales s i _ guen una distribución Normal se c a l c u l a , para l o s mismos,

l a Punción de Distribución teórica ( s i éstos s i g u i e r a n d i -cha l e y de p r o b a b i l i d a d ) y l a Punción de Distribución mue_s

t r a l :

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i / n , s i x.< X < X . ^

' 1 1+1

1, s i x:^ X

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seazyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA D = sup S( x ) F(x) l a máxima d i f e r e n c i a e n t r e l a d i s -tribución m u e s t r a i y l a teórica. Para saber s i e s t a d i f e r e n c i a es s i g n i f i c a t i v a se c o n s u l t a l a t a b l a de L i l l i e f o r s con un n i v e l de significación X. S i D > D^ , se rechaza l a

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6.2.- EXPERIENCIAS DE CAMPO.

Se ha u t i l i z a d o el. método d e l análisis de l a v a r i a n za con clasificación doble para conocer, respecto a un para metro determinado, s i había d i f e r e n c i a s s i g n i f i c a t i v a s

en-t r e en-traen-tamienen-tos y enen-tre r e p e en-t i c i o n e s . La relación de v a r i a n zas o prueba F i n d i c a que a l menos dos medias son d i f e r e n

-tes entre s i ( s i F . ^ . ^ F „ , >). ^ experimental (G. L. mtras . , G. L. e r r o r )

Posteriormente, para conocer cuáles medias son i g u a l e s y cuáles son d i f e r e n t e s , se ha efectuado l a prueba de Tukey. Para cada par de medias que se q u i e r a comparar, se c a l c u l a q:

X - X

q = ' ^

siendo Q : cuadrado medio o v a r i a n z a d e l e r r o r experimental y n : número de r e p e t i c i o n e s . ,

y se compara con q , donde: m:n2 de t r a t a m i e n t o s y Y :grados de l i b e r t a d d e l

e r r o r .

S i q .zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA ^ .y <l f \ \, l a s medias x, y x„ son

^experimental-^ (m,y )'zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA 1- ^ 2

s i g n i f i c a t i v a m e n t e d i s t i n t a s .

para comparar l o s dos s u e l o s "empleados f r e n t e a un mismo t r a t a m i e n t o , se ha r e c u r r i d o a l a técnica d e l contras_

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1 • - 5ÍTERMINACI0N_DE_DIVE||Á|^F0|m^

Se han a n a l i z a d o l o s lodos r e s i d u a l e s procedentes de 14 e s t a c i o n e s depuradoras de aguas r e s i d u a l e s . La t o -ma de muestras se efectuó a i n t e r v a l o s de dos meses durante un año. Las formas nitrogenadas determinadas f u e -ron: N - t o t a l , N - h i d r o l i z a b l e , N-amoniacal, N - n i t r i c o y N - n i t r o s o .

1.1. - RESULTADOS.

Los v a l o r e s máximo, mínimo, medio y e l c o e f i c i e n -te de variación d e l con-tenido en M - t o t a l , N-inorgánico y N - h i d r o l i z a b l e correspondientes a l o s lodos a n a l i z a d o s

se expresan en l a s t a b l a s 23, 24 y 25 respectivamente.

1.2. - DISCUSIÓN.

Se __observa ( t a b l a 23) un contenido medio en N - t o t a l ligeramente s u p e r i o r a lzyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA 4% (s.m.s.) en l o s lodos obtenidos por digestión a e r o b i a . Este p o r c e n t a j e disminuye en l o s l o -dos obteni-dos por digestión anaerobia ( v a l o r medio: 1.89%) y • en e l caso d e l lodo de T o r r a s Hostench ( v a l o r medio%

0.33 %) que procede de l a depuración de desechos de una i n d u s t r i a p a p e l e r a y está t r a t a d o con p o l i e l e c t r o l i t o s .

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1 6 4

ción con Cao y F e C l ^ y p o s t e r i o r filtración. Este t r a t a miento favorece l a pérdida de nitrógeno por v o l a t i l i z a -ción d e l amoníaco, l o cuál 'se manifiestia en ima.disminu, GÍóii_^delzyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA_xC.Qntenida en N.-rtotal.

La mayor p a r t e d e l nitrógeno contenido en l o s l o dos es Norgánico y por t a n t o no será inmediatamente u t i

-l i z a b -l e por -l o s v e g e t a -l e s . En -l a t a b -l a 24 se puede

obser-var que l o s v a l o r e s dezyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA N-inorgánico son bajos r e s p e c t o a l N - t o t a l ( t a b l a 2 3 ) .

En l a mayoría'de l o s lodos estudiados e l N -inorgá-nico,' expresado como p o r c e n t a j e d e l N - t o t a l , es i n f e r i o r a l lO/á, siendo en su mayor p a r t e N-NH^ . E l contenido en N-NOg es muy bajo (en g e n e r a l menor de 5 ppm N excepto en e l caso d e l lodo de Rosas- cuyo v a l o r medio es de 14 ppm N), por e l l o se ha expresado conjuntamente con e l N

-NO^. Ambos representan escasamente un 0.5% d e l N - t o t a l .

E l bajo contenido en Ninorgánico puede a t r i b u i r -se a que e x i s t a n pérdidas d e l mismo cuando e l lodo perma-nece en l a s eras de secado. '

Estos r e s u l t a d o s , en g e n e r a l , están de acuerdo con l o s consultados en l a bibliografía,' p o r ejemplo, SOM MERS y c o l . (l 977), después de a n a l i z a r más de 250

mues-t r a s procedenmues-tes de 150 e s mues-t a c i o n e s depuradoras de ÜSA,

c i t a como v a l o r e s medios l o s s i g u i e n t e s :zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA 3.9% de N- t o t a l , 0.65% de N-NH^ y_0.05% de N-NO^. Me CALLA y c o l . (1977)

hacen una recopilación de l o s r e s u l t a d o s obtenidos con l o s lodos de 174 depuradoras de s i e t e estados de USA y obtienen como media: 3.2% de N - t o t a l , 0.74% de N-NH^ y 0.06% de N-NO^.

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a l a descomposición. Se observa que e l porcen-t a j e de N - h i d r o l i z a b l e r e s p e c porcen-t o a l N - porcen-t o porcen-t a l es menor en los lodos anaerobios, p o r l o que éstos se comportarán c o -mo una r e s e r v a nitrogenada a más l a r g o p l a z o que l o s ae-r o b i o s .

Además de l a s v a r i a c i o n e s d e l contenido en l a s di_ f e r e n t e s formas nitrogenadas según e l t i p o de lodo, e x i s -te una gran v a r i a b i l i d a d e n t r e l a s d i f e r e n t e s muestras de una misma estación depuradora, que se expresa mediante e l c o e f i c i e n t e de variación (expuesto en l a s t a b l a s 23, 24 y 25). E l c o e f i c i e n t e de variación medio obtenido con todos l o s lodos estudiados es d e l 31.97, 82.43, 62.42 y 38,48% para e l N t o t a l , NNH^, NÍNO^+NO^) y N h i d r o l i z a b l e r e s -pectivamente. Respecto a e s t o , SOMMERS y c o l . (1976) dan un c o e f i c i e n t e de variación d e l 23% para e l N-orgánico y d e l 82% para e l N-inorgánico; según MOREL (1977) e l coe-f i c i e n t e de variación para e l N - t o t a l en una misma depu-radora es d e l • 2 3 % y p a r a l a s ocho depudepu-radoras urbanas es_

tudiadas d e l 39%. Me CALLA y c o l . ( l 9 7 7 ) han obtenido unos c o e f i c i e n t e s de variación d e l 85, 1 71 y 1 58% para e l N-to t a l , N-NH^ y N-NO^ 'respectivamente.

La v a r i a b i l i d a d de l a s d i f e r e n t e s formas n i t r o g e -nadas de l o s lodos se ha representado en unos diagramas de distribución de f r e c u e n c i a s ( f i g u r a s 6. y 7,..,. ) .

Los r e s u l t a d o s obtenidos r e s p e c t o a l a s c a r a c t e -rísticas físico-químicas (pH y c o n d u c t i v i d a d ) de e s t o s

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2.- VARIACION_ESTACIONAL_DE_LA

LODOS RESIDUALES.

En l a s gráficas s i g u i e n t e s se representa l a v a -riación e s t a c i o n a l d e l contenido en N - t o t a l (gráficas 1 yzyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA 2 U N-NH^ (gráficas 3 y 4 ) , N-(N02+N02) (gráficas 5 y

6) y N - h i d r o l i z a b l e (gráficas 7 y 8) de algunos lodos ob tenidos por digestión a e r o b i a y anaerobia.

Hay que tener en cuenta que en algunas l o c a l i d a -des, por s e r zona turística, e x i s t e una fluctuación im-p o r t a n t e en cuanto a l a im-población f l o t a n t e según i a éim-po ca d e l año, l o que c o n d i c i o n a l a capacidad de f u n c i o n a -miento de l a depuradora y, p o r c o n s i g u i e n t e , l a c a l i d a d d e l lodo r e s i d u a l r e s u l t a n t e . En l a gráfica i se puede observar como excepción que e l contenido en N - t o t a l d e l lodo de Rosas es prácticamente constante a l o l a r g o d e l año, probablemente debido a que e l volumen de población es mayor que en l a s demás l o c a l i d a d e s y e l aumento reía t i v o de población durante l a temporada turística i n f l u -ye menos. . '

La variación e s t a c i o n a l d e l contenido en N h i -d r o l i z a b l e es análoga a l a -d e l N - t o t a l .

Respecto a l N-inorgánico, e x i s t e n también f l u c tuaciones que pueden e s t a r condicionadas por e l tiempo de permanencia d e l lodo en l a s eras de secado antes de

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En l a s gráficaszyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA 9 y 10 se r e p r e s e n t a l a relación

C/ N de l o s lodos aerobios y anaerobios en fimción de l a época d e l año. Se observa, en g e n e r a l , que l a relación

C/ N es menor en lodos aerobios que en anaerobios y que en l o s lodos aerobios se mantiene r e l a t i v a m e n t e constan te durante todo e l año.

Con todo l o d i c h o anteriormente se confirma que l o s lodos son unos m a t e r i a l e s muy heterogéneos, por l o que, s i se a p l i c a n a l s u e l o en función de su contenido en nitrógeno, hay que tener en cuenta su v a r i a b i l i d a d en e l t r a n s c u r s o d e l tiempo. Por e l l o s e r i a convenien-' t e •, determinar e l contenido en nitrógeno t o t a l .

;deX lodo que se q u i e r a a p o r t a r a l s u e l o como f e r t i -l i z a n t e nitrogenado, aunque poco práctico.

¥ONG y c o l . ( 19 8 0 ) , después de a n a l i z a r mensual, mente durante un año l o s lodos procedentes de dos e s t a c i e n e s depuradoras, c i t a n que l o s v a l o r e s más elevados de N - t o t a l en l o s meses l l u v i o s o s se pueden e x p l i c a r por

e l nitrógeno a d i c i o n a l aportado por l a l l u v i a y que l o s v a l o r e s bajos después de l a s l l u v i a s i n d i c a n un proceso de lavado p o s t e r i o r a l a mineralización.

S i n embargo, nos ha p a r e c i d o aventurado h a b l a r de mineralización porque no se dispone de un punto de r e f e r e n c i a único, es d e c i r , no se a n a l i z a l a misma mue_s t r a de lodo que va evolucionando con e l tiempo s i n o que l a depuradora va evacuando lodo a l a s eras de secado a medida que l o produce. A pesar de e l l o ^ y debido a l a s c o n d i c i o n e s climáticas de l a s zonas en que se l o c a l i z a n l o s lodos estudiados, se puede suponer que l a m i n e r a l i z a

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3.- METODO_BIOLOGICO_PARA_LA_DETER

NERALIZA3LE : MÉTODO "A" (INCUBACIÓN Y PERCOLACIÓN).

3.1 .- RESULTADOS.

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En l a s t a b l a s 27, 28, 29 y 30 se expresan l o s v a l o r e s d e l N-(NO^+NO ) l i b e r a d o p o r incubación de l o s suelos A y B con l a s d o s i s de lodo mencionadas anteriormente ( t a b l a 2 1 ) . E l contenido en N-NO y N-NO se i n d i c a conjuntamente y a que l a c a n t i d a d de NNO^ determinada ha s i d o siempre i n f e -r i o -r , a 1 ppm.

3.1.2. - Tasa de mineralización.

Se ha expresado e l N-mineralizado como p o r c e n t a j e d e l N-orgánico aportado p o r e l lodo, con e l f i n de f a c i l i t a r l a s comparaciones p o s t e r i o r e s :

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en e l apartado 6 d e l c a p i t u l o I de e s t a memoria.

'La expresión a n t e r i o r se ha u t i l i z a d o para cada do-s i do-s de lodo y cada periodo de incubación y l o do-s r e do-s u l t a d o do-s do-se d e t a l l a n en l a s t a b l a s 31, 32, 33 y 34.

B.1 .3.- N-potencialmente m i n e r a l i z a b l e .

E l N-potencialmente m i n e r a l i z a b l e (N^) d e f i n i d o por STANFORD (1972) se deduce de l a c a n t i d a d de N-mineralizado mediante incubaciones sucesivas y es una estimación de l a c a n t i d a d de nitrógeno que se mineralizará en un tiempo i n -f i n i t o y en condiciones óptimas de temperatura y humedad.

Siguiendo e l método de cálculo d e s c r i t o en e l apar-tado 5 d e l c a p i t u l o I I I , se ha efectuado una estimación d e l c o e f i c i e n t e de mineralización ( k ) . En l a s gráficas 11, 12 y 13 se representa l a función de k para l o s dos c o n t r o l e s y para l a d o s i s 4 de l o s dos lodos en ambos s u e l o s .

Ya que no se han observado d i f e r e n c i a s e n t r e e l compor tamiento d e l lodo estéril y e l no estéril para una misma d o s i s de aporte, se han considerado ambos v a l o r e s d e l coef. k,, en e l análisis de l o s r e s u l t a d o s obtenidos, conjuntamente.

. Conocido e l v a l o r de k para e l cuál y = f ( k ) = O,, se ha estimado e l Npotencialmente m i n e r a l i z a b l e y se ha c a l c u

-lado l a v i d a media de N„ ( t , ) a p a r t i r de l a ecuación :

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Estudio de la mineralización en el suelo del nitrógeno de lodos procedentes de plantas depuradoras de aguas residuales

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