UNIVERSIDAD NACIONAL
“SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO”
FACULTAD CIENCIAS DEL AMBIENTE
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA SANITARIA
“TRANSFORMACIÓN DE LODOS GENERADOS EN LA
PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE
CARHUAZ EN BIOSÓLIDOS, MEDIANTE LA
TECNOLOGÍA DE COMPOSTAJE CON
MICROORGANISMOS EFICACES, CARHUAZ - 2018”
TESIS PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE
INGENIERO SANITARIO
Bach.
CARMEN JANNET HUACANCA DE LA CRUZ
Asesor: M. Sc. CARLOS BORROMEO POMA VILLAFUERTE
i
DEDICATORIA
A mi querida madre
Quien hizo todo el esfuerzo para que termine mis estudios y quien fue mi motivo para culminar la tesis, además, porque siempre me enseñó que con amor y sobre todo con paciencia se puede llegar muy lejos.
A mi querida hermana
Quien siempre creyó en mí, y por ser mi mejor ejemplo a seguir, además, porque me enseñó que el día sería mejor, si comenzábamos con una sonrisa.
A mi querido padre
Quien me enseñó que no hay límite de edad para seguir aprendiendo.
ii
AGRADECIMIENTO
A Dios.
Por cuidar siempre mis pasos y los de mi familia.
A mi familia.
Por su gran esfuerzo y dedicación desde el inicio del proceso hasta su culminación, sin ellos, hubiese sido imposible cumplir con mi meta.
A mis docentes.
Por haberme brindado su sabiduría y guiarme en el camino de esta hermosa carrera Ingeniería Sanitaria.
A mi asesor.
Por guiarme en esta difícil etapa de la carrera universitaria.
A mis amigos.
Quienes, a través de sus palabras y su apoyo incondicional, me dieron la energía para terminar la tesis.
Por último, agradezco a los funcionarios de la Municipalidad Provincial de Carhuaz por haberme permitido desarrollar esta investigación dentro de sus instalaciones, además, un especial agradecimiento a las siguientes personas quienes me apoyaron de manera directa durante todo el proceso experimental.
● Ing. Manuel Enrique Salazar Vásquez. ● Sr. Manuel Paredes Huaraz.
● Ing. Francis Reyes Laínez. (BIOEM SAC)
iv
ÍNDICE
AGRADECIMIENTO ... ii
DECLARATORIA DE AUTORIA ... iii
ÍNDICE ... iv
RELACIÓN DE TABLAS ... vii
RELACIÓN DE FIGURAS ... ix
RELACIÓN DE GRÁFICAS ... x
RELACIÓN DE FOTOGRAFÍAS ... xi
RELACIÓN DE ANEXOS ... xii
LISTA DE ABREVIATURAS ... xiii
RESUMEN EJECUTIVO ... xiv
ABSTRACT ... xv
CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN... 1
1.1. REALIDAD PROBLEMÁTICA ... 2
1.2. ANTECEDENTES ... 2
1.3. BASES TEÓRICAS ... 6
1.3.1. Lodos ... 6
1.3.2. Tratamiento de los lodos en el Perú ... 8
1.3.3. Compostaje ... 11
1.3.4. Microorganismos Eficaces ... 16
1.3.5. Transformación de lodos en biosólidos ... 17
1.4. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS ... 21
1.5. FORMULACIÓN Y PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 23
1.6. JUSTIFICACIÓN ... 24
1.7. HIPÓTESIS ... 25
1.7.1 Hipótesis general ... 25
1.7.2 Hipótesis específicas ... 25
v
1.8.1 Objetivo general ... 26
1.8.2 Objetivos Específicos ... 26
CAPITULO II: MARCO METODOLÓGICO ... 27
2.1. METODOLOGÍA ... 27
2.2. TIPO DE ESTUDIO ... 27
2.3. DISEÑO DE INVESTIGACIÓN ... 27
2.4. VARIABLES ... 29
2.5. OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES ... 29
2.6. POBLACIÓN, MUESTRA Y MUESTREO ... 31
2.7. TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS ... 32
2.7.1 Fuentes de información primaria... 32
2.7.2 Fuentes de información secundaria ... 32
2.8. MÉTODOS DE ANÁLISIS DE DATOS ... 32
2.9. ÁMBITO DE ESTUDIO ... 32
2.9.1 Ubicación del área de estudio... 32
2.9.2. Procedimiento y metodología experimental ... 33
CAPITULO III: RESULTADOS ... 44
3.1. RESULTADOS DE LA ESTABILIZACIÓN DE LA MATERIA ORGÁNICA DEL LODO GENERADO EN LA PTAR CARHUAZ APLICANDO LA TECNOLOGÍA DE COMPOSTAJE CON MICROORGANISMOS EFICACES. ... 44
3.2. RESULTADOS DE LA REDUCCIÓN DE LOS PARÁMETROS DE TOXICIDAD QUÍMICA (ARSÉNICO, CADMIO, CROMO) DEL LODO APLICANDO LA TECNOLOGÍA DE COMPOSTAJE CON MICROORGANISMOS EFICACES. ... 46
3.3 RESULTADOS DE LA REDUCCIÓN DE LOS PARÁMETROS DE HIGIENIZACIÓN (SALMONELLA SP, ESCHERICHIA COLI, HUEVOS DE HELMINTOS) EXISTENTES EN EL LODO, MEDIANTE LA TECNOLOGÍA DE COMPOSTAJE CON MICROORGANISMOS EFICACES. ... 52
3.4. RESULTADOS DE LA DOSIS DE MICROORGANISMOS EFICACES MÁS ÓPTIMA PARA LA TRANSFORMACIÓN DE LODOS A BIOSÓLIDOS A TRAVÉS DE LA TECNOLOGÍA DE COMPOSTAJE. ... 58
3.5. RESULTADOS DE LA EVOLUCIÓN DE LOS PROCESOS FISICO-QUÍMICOS DE COMPOSTAJE DE LODOS CON MICROORGANISMOS EFICACES. ... 59
3.6. CONTRASTACIÓN DE HIPÓTESIS ... 71
vi 3.6.2. Prueba de hipótesis específica 2: Al realizar el compostaje con microorganismos eficaces se reduce los parámetros de toxicidad química como el arsénico, cadmio y
cromo del lodo generado en la PTAR Carhuaz. ... 73
3.6.3. Pruebas de hipótesis específica 3: La tecnología de compostaje con microorganismos reduce los parámetros de higienización como la Salmonella, Escherichia Coli y Huevos de helmintos existentes en el lodo generado en la PTAR Carhuaz... 77
3.6.4. Prueba de hipótesis general: la tecnología de compostaje con microorganismos eficaces transforma los lodos generados en la planta de tratamiento de aguas residuales de Carhuaz en biosólidos... 81
CAPITULO IV: DISCUSIÓN ... 84
CAPITULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 88
5.1. CONCLUSIONES ... 88
5.2. RECOMENDACIONES ... 91
CAPITULO VI: REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 92
vii
RELACIÓN DE TABLAS
Tabla 1. Características de los lodos ... 8
Tabla 2. Tecnologías de tratamiento de lodos en el ámbito de EPS en funcionamiento ... 8
Tabla 3. Parámetros de toxicidad química en biosólidos de clase A y de Clase B ... 19
Tabla 4. Parámetros de higienización de biosólidos... 19
Tabla 5. Diseño con pre- prueba y post-prueba, varios grupos y uno de control ... 28
Tabla 6. Composición de los grupos experimentales ... 28
Tabla 7. Operacionalización de variables ... 30
Tabla 8. Valores de humedad, carbono y nitrógeno del lodo. ... 37
Tabla 9. Valores de humedad, carbono y nitrógeno de la viruta de madera. ... 37
Tabla 10. Materiales y herramientas utilizados para el acondicionamiento del terreno. ... 43
Tabla 11. Resultados de las observaciones iniciales y finales del parámetro materia orgánica de cada tratamiento. ... 44
Tabla 12. Resultados de las observaciones iniciales y finales del parámetro arsénico de cada tratamiento. ... 46
Tabla 13. Resultados de las observaciones iniciales y finales del parámetro cadmio de cada tratamiento. ... 48
Tabla 14. Resultados de las observaciones iniciales y finales del parámetro cromo de cada tratamiento. ... 50
Tabla 15. Resultados de las observaciones iniciales y finales del parámetro Salmonella sp, de cada tratamiento. ... 52
Tabla 16. Resultados de las observaciones iniciales y finales del parámetro Escherichia Coli de cada tratamiento. ... 53
Tabla 17. Resultados de las observaciones iniciales y finales del parámetro huevos de helmintos de cada tratamiento. ... 55
Tabla 18. Resultados del bloque 1 según las dosis aplicadas. ... 58
Tabla 19. Resultados del bloque 2 según las dosis aplicadas. ... 58
Tabla 20. Resultados de las observaciones iniciales y finales del parámetro humedad de cada pila compostera. ... 59
viii Tabla 22. Resultados de las observaciones iniciales y finales del parámetro conductividad
eléctrica de cada tratamiento. ... 66
Tabla 23. Resultados de las observaciones iniciales y finales del parámetro relación carbono nitrógeno de cada tratamiento. ... 68
Tabla 24. Análisis de la varianza parámetro materia orgánica ... 71
Tabla 25. Comparaciones múltiples de los grupos de estudio. ... 72
Tabla 26. Prueba Tukey de materia orgánica. ... 73
Tabla 27. Análisis de la varianza parámetro Arsénico ... 74
Tabla 28. Comparaciones múltiples de los grupos de estudio ... 75
Tabla 29. Prueba Tukey de arsénico ... 75
Tabla 30. Análisis de la varianza parámetro cadmio. ... 76
Tabla 31. Análisis de la varianza parámetro cromo ... 77
Tabla 32. Análisis de la varianza del parámetro Escherichia Coli ... 78
Tabla 33. Comparaciones múltiples de los grupos de estudio. ... 79
Tabla 34. Prueba Tukey de Escherichia Coli/gr ... 80
Tabla 35. Análisis de la varianza parámetro huevo de helmintos. ... 81
Tabla 36. Pruebas de normalidad ... 82
Tabla 37. Prueba de ANOVA de Kruskal-Wallis... 83
Tabla 38. Cálculo de la masa seca de cada fracción de residuo de la pila testigo N° T1. ... 97
Tabla 39. Cálculo de la masa seca de cada fracción de residuo de la pila N° T2... 98
Tabla 40. Cálculo de la masa seca de cada fracción de residuo de la pila N° T3... 98
Tabla 41. Cálculo de la masa seca de cada fracción de residuo de la pila testigo N° R-T1.99 Tabla 42. Cálculo de la masa seca de cada fracción de residuo de la pila N° R-T2... 99
Tabla 43. Cálculo de la masa seca de cada fracción de residuo de la pila N° R-T3... 100
Tabla 44. Cálculo de relación C/N inicial de la pila testigo N° T1 ... 101
Tabla 45. Cálculo de relación C/N inicial de la pila N° T2 ... 102
Tabla 46. Cálculo de relación C/N inicial de la pila N° T3 ... 103
Tabla 47. Cálculo de relación C/N inicial de la pila testigo N° R-T1 ... 104
Tabla 48. Cálculo de relación C/N inicial de la pila N° R-T2 ... 105
Tabla 49. Cálculo de relación C/N inicial de la pila N° R-T3 ... 106
Tabla 50. Promedio de temperaturas registradas en cada pila compostera. ... 107
Tabla 51. Fechas de ejecución de los volteo manual a cada pila compostera. ... 110
ix
RELACIÓN DE FIGURAS
Figura 1. Generación del lodo en las etapas de tratamiento de aguas residuales. ... 10
Figura 2. Temperatura, oxígeno y pH de compostaje... 13
Figura 3. Compostaje mediante el sistema de pilas aireadas de modo estática y natural. ... 14
Figura 4. Tecnologías de estabilización de lodos ... 18
Figura 5. Tecnologías aplicadas para la higienización de lodos... 20
Figura 6. Tecnologías aplicadas para la estabilización de lodos ... 29
Figura 7. Esquema de la toma de muestra ... 31
Figura 8. Ubicación geográfica del lugar donde se desarrolló el proceso experimental. .... 33
x
RELACIÓN DE GRÁFICAS
Gráfica 1. Variación del parámetro materia orgánica del bloque 1. ... 45
Gráfica 2. Variación del parámetro materia orgánica del bloque 2. ... 46
Gráfica 3. Variación del parámetro arsénico del bloque 1 ... 47
Gráfica 4. Variación del parámetro arsénico del bloque 2 ... 48
Gráfica 5. Variación del parámetro cadmio del bloque 1 ... 49
Gráfica 6. Variación del parámetro cadmio del bloque 2 ... 49
Gráfica 7. Variación del parámetro cromo del bloque 1 ... 51
Gráfica 8. Variación del parámetro cromo del bloque 2 ... 51
Gráfica 9. Variación del parámetro Escherichia Coli del bloque 1 ... 54
Gráfica 10. Variación del parámetro Escherichia Coli del bloque 2. ... 54
Gráfica 11. Variación del parámetro huevo de helmintos del bloque 1 ... 56
Gráfica 12. Variación del parámetro huevo de helmintos del bloque 2 ... 57
Gráfica 13. Variación del parámetro humedad del bloque 1 ... 60
Gráfica 14. Variación del parámetro humedad del bloque 2 ... 60
Gráfica 15. Variación del parámetro potencial de hidrógeno del bloque 1. ... 62
Gráfica 16. Variación del parámetro potencial de hidrógeno del bloque 2. ... 62
Gráfica 17. Comparación de las temperaturas registradas durante el proceso de compostaje con microorganismos eficaces del bloque 1 ... 63
Gráfica 18. Temperaturas registradas durante el proceso de compostaje con microorganismos eficaces del bloque 2. ... 65
Gráfica 19. Variación del parámetro conductividad eléctrica del bloque 1 ... 67
Gráfica 20 Variación del parámetro conductividad eléctrica del bloque 2. ... 68
Gráfica 21. Variación del parámetro relación C/N del bloque 1. ... 69
xi
RELACIÓN DE FOTOGRAFÍAS
Fotografía 1. Vista frontal de la PTAR Carhuaz. ... 35
Fotografía 2. Construcción del área de trabajo ... 35
Fotografía 3. Activación de EM-compost. ... 36
Fotografía 4. Recolección de lodos de la PTAR Carhuaz ... 40
Fotografía 5. Toma de nuestros de lodo de la PTAR de Carhuaz. ... 112
Fotografía 6. Construcción del área experimental. ... 112
Fotografía 7. Traslado de los residuos hacia la zona experimental. ... 113
Fotografía 8. Inicio de preparación de la mezcla de cada pila compostera. ... 113
Fotografía 9. Preparación de la mezcla de las pilas composteras del bloque 1. ... 114
Fotografía 10. Cerramiento total del área de trabajo. ... 114
Fotografía 11. Riego de cada pila compostera. ... 115
Fotografía 12. Verificación de dimensiones de cada pila compostera. ... 115
Fotografía 13. Ejecución de volteos manuales a cada pila compostera. ... 116
Fotografía 14. Registro de temperaturas a cada pila compostera. ... 116
Fotografía 15. Pila RT2 después de cada volteo. ... 117
Fotografía 16. Etapa final del proceso de compostaje pasado los 90 días propuestos. ... 117
Fotografía 17. Tamizado de cada pila compostera. ... 118
Fotografía 18. Comparación física del compost tamizado, a la izquierda: compost retenidos por la malla. ... 118
Fotografía 19. Pesaje del producto final. ... 119
xii
RELACIÓN DE ANEXOS
ANEXO 1. Determinación del peso de lodos y viruta para cada pila compostera.
ANEXO 2. Determinación inicial de la relación carbono/nitrógeno de cada pila compostera. ANEXO 3. Temperaturas registradas en cada pila compostera.
ANEXO 4. Fechas del volteo manual. ANEXO 5. Fechas de la frecuencia de riego.
ANEXO 6. Registro fotográfico del proceso experimental.
ANEXO 7. Resultados del laboratorio de Calidad Ambiental de la UNASAM – caracterización inicial del lodo de la PTAR Carhuaz.
ANEXO 8. Resultados del laboratorio de Calidad Ambiental de la UNASAM – análisis inicial de cada pila compostera.
ANEXO 9. Resultados del laboratorio de Calidad Ambiental de la UNASAM – análisis final de cada pila compostera.
ANEXO 10. Boleta de pago de los análisis realizados.
xiii
LISTA DE ABREVIATURAS
ANEPSSA : Asociación Nacional de Entidades Prestadoras de Servicios de Saneamiento.
BID : Banco Interamericano de Desarrollo. C.E : Conductividad Eléctrica.
C : Carbono.
CONAGUA : Comisión Nacional del Agua D.S : Decreto Supremo.
EDAR : Estación Depuradora de Aguas Residuales. EM : Microorganismos Eficaces.
EPS : Empresas Prestadoras de Servicios de Saneamiento.
FAO : Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura.
LGIRS : Ley de Gestión Integral de Residuos Sólidos MO : Materia Orgánica.
N : Nitrógeno.
NTC : Norma Técnica Colombiana.
OTASS : Organismo Técnico de la Administración de los Servicios de Saneamiento. pH : Potencial de Hidrógeno.
PTAR : Planta de Tratamiento de Aguas Residuales ST : Sólidos Totales
SUNASS : Superintendencia Nacional de Servicios de Saneamiento SV : Sólidos Volátiles
xiv
RESUMEN EJECUTIVO
La presente investigación se desarrolló con el objetivo de demostrar la transformación de lodos provenientes de la planta de tratamiento de aguas residuales de Carhuaz en biosólidos, mediante la tecnología del compostaje con microorganismos eficaces. Los principales objetivos específicos fueron: estabilizar la materia orgánica, reducir los parámetros de toxicidad química (Arsénico, Cadmio y Cromo), reducir los parámetros de higienización (Salmonella, Escherichia Coli y huevo de helmintos). El diseño fue tipo experimental, se asignó 3 grupos al azar y se realizó de manera simultánea un pre – prueba antes de aplicar el estímulo y, luego de 90 días se realizó la post-prueba. Las pilas composteras estuvieron mezclados con material estructurante: viruta de madera; y material de enmienda: lodos de la PTAR Carhuaz. Además, se incorporó distintas dosis de microorganismo eficaces, formándose el siguiente esquema: pila testigo N° T1 = 90%Lo + 10%V + 0 L EM (grupo control), pila N° T2 = 0%Lo + 10%V+ 2 L EM (grupo experimental 1) y pila N° T3 = 90%Lo + 10%V + 4 L EM (grupo experimental 2), asimismo, se realizó 1 repetición a los grupos propuestos, haciendo un total de 6 pilas. Los parámetros evaluados fueron: conductividad, pH, humedad, temperatura, relación carbono/nitrógeno, concentración de materia orgánica, arsénico, cadmio, cromo, Escherichia Coli, Salmonella sp., y huevo de helmintos. Finalmente, se concluyó que la tecnología del compostaje con microorganismos eficaces pudo estabilizar la materia orgánica, reducir de manera significativa los metales presentes como el arsénico y, existió una tendencia de reducción de los contaminantes patógenos como Escherichia Coli.
xv
ABSTRACT
This research was carried out with the objective of demonstrating the transformation of sludge from the Carhuaz Wastewater Treatment Plant into biosolids, using composting technology with effective microorganisms. The main specific objectives were: stabilize organic matter, reduce chemical toxicity parameters (Arsenic, Cadmium and Chromium), and reduce sanitation parameters (Salmonella, Escherichia coli and helminth eggs). The design was experimental, 3 randomized groups were assigned and a pre-test was performed simultaneously before applying the stimulus and after 90 days the post-test was performed. The composting piles were mixed with structuring material: wood chip; and amendment material: sludge from the Wastewater Treatment Plant into Carhuaz. In addition, different doses of effective microorganism were incorporated, forming the following scheme: control pile N° T1 = 90% Lo + 10% V + 0 L EM (control group), pile N° T2 = 0% Lo + 10% V + 2 L EM (experimental group 1) and pile N° T3 = 90% Lo + 10% V + 4 L EM (experimental group 2), likewise, 1 repetition of the proposed groups was made, making a total of 6 composter piles. The parameters evaluated were: conductivity, pH, humidity, temperature, carbon / nitrogen ratio, concentration of organic matter, arsenic, cadmium, chromium, Escherichia Coli, Salmonella sp., and helminth eggs. Finally, it was concluded that composting technology with effective microorganisms was able to stabilize organic matter, significantly reducing metals like arsenic and, there was a tendency to reduce pathogenic contaminants such as Escherichia Coli.
CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN
Hoy en día, la formación de lodos residuales en plantas de tratamiento de aguas residuales municipales, son un gran problema debido a su volumen, presencia de humedad, requerimiento de estabilización y su gran contenido de microorganismos patógenos. Además, los altos costos que demanda su gestión, el cual podría variar ente el 20 al 50% del precio total que demanda el tratamiento del agua residual, produce que los generadores de lodos presenten deficiencias económicas y se dificulte la disposición final del mismo. (Miglio Toledo 2018)
El contenido del lodo se caracterizará principalmente por el tipo de tratamiento aplicado al agua residual y la época del año en el que se realice. El uso o disposición que se realiza a estos lodos, dependerá básicamente de las regulaciones y leyes que establezca cada país. (Rincón, Mendoza y Gómez 2019)
2
1.1. REALIDAD PROBLEMÁTICA
Actualmente en el Perú, la mayoría de las plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR) municipales, no han desarrollado el manejo y gestión de los lodos. Una de ellas es la Municipalidad Provincial de Carhuaz, ubicado en el departamento de Ancash, donde a mediados del año 2017, pusieron en funcionamiento la primera PTAR de la ciudad, el cual ha generado grandes impactos positivos para la población y el medio ambiente. Sin embargo, como resultado del tratamiento primario de las aguas residuales se generan subproductos muy importantes como los lodos. Estos lodos, son depositados sobre lechos de secado hasta lograr su deshidratación, pero esta alternativa, no ha alcanzado la eliminación de patógenos resistentes como la Escherichia Coli y huevos de helmintos. La falta de espacio para almacenar los lodos, hace que, al concluir el periodo de secado de los lodos, estos sean aplicados en suelos de plantaciones de tallo alto, sin control previo de los parámetros de toxicicidad química ni higienización requeridos para el fin, los cuales ponen en riesgo el suelo, aire y salud de la población.
1.2. ANTECEDENTES
Marín Bahamón, D.; en su tesis de grado desarrollado en Bogotá – Colombia en el año 2019, titulada “Propuesta de aprovechamiento de lodos residuales provenientes de una PTAR del municipio de Sopó Cundinamarca para la producción de un fertilizante organo-mineral” tuvo como objetivo desarrollar una
post-3 tratamiento de estabilización alcalina o por temperatura que lleve el producto a los rangos aceptados por la norma colombiana.
Robledo Mahón, T.; en su tesis doctoral desarrollada en Granada - España en el año 2018, publicada en la Universidad de Granada, titulada “Estudio de los procesos
biológicos y de la estructura de las comunidades microbianas en el proceso de compostaje de lodos de depuradora de aguas residuales urbanas, en sistemas de membranas semipermeable”. Su objetivo fue realizar el estudio de la microbiota y los procesos biológicos de un proceso de compostaje utilizando lodos de depuradora conducido a escala real y combinado con la tecnología de la cubierta semipermeable combinado con aireación forzada, como sistema de ventilación. En su estudio construyó 2 pilas de compostaje, pila I y pila II, los materiales utilizado fueron los lodos desecados parcialmente estabilizados, provenientes de la EDAR sur y Oeste de EMASAGRA, Granada y un estructurante vegetal, el cual consistió de una combinación de restos de astillas y poda triturada, ambas pilas fueron cubiertas por una membrana semipermeable y tuvieron un sistema de insuflación de aire, únicamente varió en los tiempos de compostaje. Finalmente concluyó que la cubierta semipermeable representa una tecnología apropiada para el proceso de compostaje de lodos de depuradora, permitiendo que la temperatura de las pilas alcance valores superiores a 70°C en los primeros días, se evite la salida de olores y se mantenga las condiciones termófilas, incluso en la etapa de maduración.
Subía Muñoz, B.; en su tesis de grado desarrollado en Quito – Ecuador en el año 2017 publicado en la Universidad Internacional SEK, titulada “Valoración de lodos
4 tomaron datos in-situ de oxígeno disuelto, pH, conductividad eléctrica y temperatura de los lodos de recirculación. Finalmente concluyó que el lodo tiene ciertas restricciones y potencialidades para su aprovechamiento, como fue el caso de la conductividad eléctrica, el cual superó rangos recomendables para procesos de compostaje, por otro lado, los valores de metales pesados obtenidos en los lodos a excepción del cadmio, se encontraron por debajo de los límites permisibles que fueron comparados con normativas mexicanas y españolas. En cuanto a las altas concentraciones de microorganismos patógenos se sugirió que la técnica del compostaje será la más adecuada para la estabilización del lodo.
Huayllani Hilario, K.; en su tesis desarrollada en Huancayo – Perú en el año 2017, publicada en la Universidad Continental, titulada “Influencia de microorganismos
eficaces (EM - Compost) en la producción de compost de lodos de la planta de tratamiento de aguas residuales, Concepción, 2016”. Su objetivo general fue determinar la influencia de la dosis de aplicación de microorganismos eficaces (EM - Compost) en los parámetros de calidad del compost (químicos y físicos), preparado con lodos de la planta de tratamiento de aguas residuales de Concepción. En su estudio experimental, aplicada, explicativo. Los resultados obtenidos concluyen que, la aplicación de dosis crecientes de EM-Compost permitió obtener un compost de calidad, utilizando lodos de la planta de tratamiento de aguas residuales, debido a que, por ejemplo, la materia orgánica varía 37.09% y 38.12%, ubicados dentro de los rangos propuestos por la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO) (>20% materia orgánica), disminuyendo ligeramente respecto al tratamiento sin EM-Compost (MO = 38.2%).
García Blásquez, X., en su tesis de pregrado desarrollado en Lima - Perú en el 2017, publicada en la Universidad Nacional Agraria la Molina, titulada “Tratamiento de
5 eficaces, siguiendo el siguiente diseño pila A (20% EMc), pila B (30% EMc) y pila C (control), cuya mezcla estaba comprendida entre aserrín y los residuos orgánicos de excretas humanas. En los resultados obtuvo que, al finalizar el proceso de compostaje la conductividad eléctrica, la humedad, el pH y la relación C/N; permanecieron en el rango de los valores estándar estipulados por las normas de compostaje. Finalmente concluyó los EM permitieron acelerar el proceso natural de descomposición de los residuos orgánicos. Además, presentó diferencia significativa en el pH y C.E. Por último, los análisis microbiológicos realizados a la pila B, indicaron la ausencia de coliformes fecales, E. coli, Salmonella y parásitos y mayor concentración de lactobacillus sp. Haciéndola más óptima comparado con las otras pilas analizadas.
Rodriguez Muñoz, A.; en su tesis de pregrado desarrollado en Lima – Perú, en el año 2017, publicada en la Universidad César Vallejo, titulada “Uso de lodos residuales
con residuos orgánicos para la obtención de compost, San Juan de Lurigancho 2017” tuvo como objetivo determinar el uso de lodos residuales con residuos orgánicos para la obtención de compost. El diseño de investigación fue experimental. La materia prima utilizada fueron los lodos residuales del CITRAR-UNI, residuos orgánicos como frutas, verduras y cascara de ajo provenientes del mercado modelo Cruz de Motupe y estiércol de cuyes y conejos obtenidos en “La Lombriz Feliz”. El método aplicado consistió en el acopio de dichos residuos en cajas de madera en base a 3 tratamientos. Los resultados obtenidos fueron para N% (1,64 – 2,17), P% (4,25 – 4,37), M.O% (55,4– 66,35), pH (7,45 – 7,76), C.E (3,57 – 3,85), Humedad% (20,7 – 25,7), coliformes fecales NMP/g (32 – 1 150) y Coliformes totales NMP/g (460 – 1200), obteniéndose mejores resultados en el tratamiento 1 y 3 ubicándose como compost Tipo A.
Chunga Zapata, E.; en su tesis de pregrado desarrollado en Piura – Perú, en el año 2014, publicada en la Universidad de Piura, titulada “Propuesta de compostaje de
los lodos removidos de las lagunas de estabilización de la universidad de Piura”
6 tratamientos y cada uno con 3 repeticiones, cuya conformación se basó en diferente proporción de materiales. El tiempo de ejecución fue de aproximadamente 47 días, en donde ejecutó volteos manuales con frecuencia semanal, los riegos fueron diarios, los registros de temperatura fueron tres veces por semana y realizó un análisis físico-químico cada 2 semanas, mientras que el análisis microbiológico lo realizó cada semana. Finalmente concluyó que el tratamiento 1 presentó una mayor calidad en los análisis físicos, químicos y microbiológicos del compost, asimismo, para la construcción de pilas de compostaje la mejor proporción sería 10 % de lodo como material base 40 % de residuos de jardín y 50 % de hojarasca de algarrobo. Respecto a la evaluación de la población de coliformes ningún tratamiento alcanzó el rango permisible (< 1 x 105 NMP / 100 g compost) de densidad de coliformes fecales, en un tiempo de 47 días, pero se observa una tendencia decreciente a lo largo del tiempo en los tratamientos 1 y 4.
1.3. BASES TEÓRICAS
1.3.1. Lodos A. Definición
En el Perú, el Decreto Supremo N° 015-2017, del Ministerio de Vivienda Construcción y Saneamiento, define al lodo como un subproducto resultante de los procesos de tratamiento primario y secundario de las aguas residuales, que tienen un gran contenido de materia orgánica que deben ser estabilizados con la finalidad de conseguir un nuevo producto denominado “biosólidos” y de este modo, reaprovecharlo como acondicionador de suelos.
B. Tipos de lodos
La Comisión Nacional del Agua, señala 3 tipos de lodos más comunes, siendo estos los siguientes:
7
o Lodos secundarios: producidos por el contacto del agua residual con los microorganismos y las bacterias, está contenido también por compuestos orgánicos insolubles. Su deshidratación se torna más difícil que los lodos primarios, esto se debe a su gran contenido de agua, obteniéndose únicamente entre 0.5 y 3.0% de sólidos. (CONAGUA, doc. 50)
o Lodos terciarios o tratamiento químico: la remoción de nutrientes y los tratamientos físico-químicos originan lodos químicos, es así que estos lodos están compuestos de floculantes químicos y precipitados, como: polímeros orgánicos, sales de aluminio (sulfato de aluminio) y sales de hierro (cloruro férrico y sulfato ferroso). Este tipo de lodos son más difícil de espesar y deshidratar. (CONAGUA, doc. 50)
C. Características de los lodos
8 Tabla 1.Características de los lodos
Proceso
% Humedad del lodo Densidad relativa
Intervalo Típico Sólidos Lodo
Sedimentación primaria 88 - 96 95 1.4 1.02
Filtro percolador 91 -95 93 1.5 1.025
Precipitación química - 93 1.7 1.03
Lodos Activados 90 - 93 92 1.3 1.005
Tanques sépticos - 93 1.7 1.03
Tanques Imhoff 90 - 95 90 1.6 1.04
Aireación prolongada 88 - 92 90 1.3 1.015 Lodo primario digerido
anaerobiamente 90 - 95 93 1.4 1.02
Laguna aireada 88 - 92 90 1.3 1.01
Lodo primario digerido
aerobiamente 93 - 97 96 1.4 1.012
Fuente: Tratamiento de aguas residuales: teorías y principios (Romero 2004).
1.3.2. Tratamiento de los lodos en el Perú
El 64% de la poblacional en el Perú es servida por 51 empresas prestadoras de servicios de saneamiento (EPS) en el área urbana, 12% lo es por municipios en ese mismo ámbito y 24% es servido por municipios o juntas de usuarios en el área rural. (ANEPSSA 2017)
En el ámbito de las EPS, el Organismo Técnico de la Administración de los Servicios de Saneamiento (OTASS) estima que el 85% de las lagunas primarias de 65 PTAR, se encuentran colmatadas de lodos y/o arenas; debido a la falta de mantenimiento o también porque sus tratamientos preliminares (rejas y desarenador) se encuentran deterioradas o simplemente no cuentan con ellas. (Yancan Torres, 2019) En la tabla N°2 se aprecia las diferentes tecnologías de tratamiento de lodos generados en PTAR, ejecutadas a cargo de las empresas prestadoras de servicio de saneamiento (EPS) existentes en el Perú.
9 EPS PTAR Dent ro del tra ta miento prima rio Dent ro del tra ta miento sec un da rio Dig esto r a er o bio Dig esto r a na er o bio E spe sa do r está tico F lo ta ció n Cent ríf ug a L ec ho de sec a do Dent ro de la la g un a
SEDA HUÁNUCO S.A. 3
EMAPACOP S.A. 1 1
EPS SEDALORETO S.A. 1
EMAPA CAÑETE S.A. 1 2 2
EMSA PUNO S.A. 1 2 1 2
AGUAS DE TUMBES 16 16
EMAPISCO S.A. 2 2
EPS TACNA S.A. 2 2
EMAPAVIGS S.A.C. 2 2
SEDACHIMBOTE S.A. 2 6 6
EPSASA S.A. 2 2 2
EMAPA SAN MARTÍN S.A. 1 1
SEMAPACH S.A. 5 5
EPS SELVA CENTRAL S.A. 1 2 1 2
EPS MOQUEGUA S.A. 3 3
EMAPA Y S.R.L. 1 1 1
SEDAPAL 1 16 3 5 7 10 6
EPS ILO S.A. 1 1
SEDALIB S.A. 12 12
EPSEL S.A. 24 24
SEDAPAR S.A. 3 5 2 5
SEDACUSCO S.A. 1 1 1
EPS GRAU S.A. 1 27 2 27
SEMAPA BARRANCA S.A. 1 1
EMAPICA S.A. 4 4
NORPUNO S.A. 1 1
SEDAJULIACA S.A. 1 1 1 1 1
EPS MANTARO S.A. 1 1
EPS MARAÑON S.R.L. 3 3
TOTAL 13 143 5 1 7 1 9 19 132
10 Figura 1. Generación del lodo en las etapas de tratamiento de aguas residuales.
11 Según el reglamento para el reaprovechamiento de lodos generados en Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales en el Perú, la tecnología del tratamiento aplicado al lodo para su transformación en biosólidos, debe alcanzar los parámetros de estabilización e higienización y no debe presentar toxicidad química. (Decreto Supremo N° 015-2017-VIVIENDA 2017)
1.3.3. Compostaje a. Definición
El compostaje es la degradación biológica de la materia orgánica en condiciones controladas, hasta lograr la estabilidad de un compuesto, cuyo color es de tonalidad oscura, textura suelta y comúnmente con un olor característico a la tierra, denominado “Compost”. (Romero 2004)
b. Proceso del compostaje
Consiste en representar el ciclo biológico natural de crecimiento y descomposición. Los microorganismos, hongos, insectos, ácaros y otros pequeños animales transforman el carbono de la materia orgánica en energía y lo utilizan para su propio crecimiento, liberan otros componentes del carbono al aire (como el dióxido de carbono), toman los nutrientes que las plantas absorbieron del suelo y finalmente las devuelven a este al morir, es así que otros microorganismos y vegetales reutilizan el carbono y los nutrientes y comienza un nuevo ciclo. (Roberto Docampo 2013)
c. Fases del compostaje
La temperatura permite dividir en tres fases al compostaje, siendo estos los siguientes: (FAO 2013)
12 orgánicos, que pueden alterar el pH llevándolo hacia un valor ácido (4.0 - 4.5), todo este proceso se desarrollará entre 2 y 5 días. (FAO 2013)
Fase Termófila o de Higienización: una vez que el proceso de compostaje haya alcanzado los 45°C, ocasionará la disminución del crecimiento de la microflora mesófíla, dando lugar a la aparición de microrganismos termófilos, los cuales, facilitaran la descomposición de fuentes más complejas de carbono (C), entre ellos, la celulosa y la lignina. Además, los microrganismos termófilos, transforman el nitrógeno en amoníaco haciendo que el pH del medio comience a elevarse. A partir de los 60 ºC, se da inicio a la descomposición de ceras, hemicelulosas y otros compuestos C, debido a la aparición de bacterias que producen esporas y actino bacterias. La fase termófila, puede durar desde 1 a tres semanas o incluso meses, esto dependerá del material de partida y las condiciones climáticas del lugar, conjuntamente con otros factores. Es preciso señalar que, la fase termófila, también es denominada como fase de higienización, toda vez que, el calor producido durante el proceso elimina gran parte de las bacterias y contaminantes de origen fecal como Escherichia Coli y Salmonella sp; los quistes, huevos de helminto, esporas de hongos fitopatógenos y semillas de malezas pueden ser eliminados a partir de los 55°C. (FAO 2013)
Fase de Enfriamiento o Mesófila II: la temperatura comenzará a descender (40-45°C), cuando las fuentes de carbono y, sobre todo la de nitrógeno, durante la fase termófila, comienzan a agotarse, es allí, dónde se da inicio a la fase de enfriamiento o Mesófila II, continuando con la degradación de polímeros como la celulosa, y aparecen algunos hongos visibles a simple vista. Y al alcanzar los 40 ºC, comenzará la reaparición de los microorganismos mesófilos reiniciando su actividad, en general el pH desciende levemente, manteniéndose en un medio alcalino, esta fase puede durar de 2 – 5 semanas. (FAO 2013)
13 En la figura 2, se puede observar las fases del proceso de compostaje antes descritas con su respectivo tiempo de duración de cada una de ellas, el aspecto que va cambiando con el tiempo con la influencia de la temperatura, oxígeno y pH.
Figura 2. Temperatura, oxígeno y pH de compostaje.
Fuente:Manual de compostaje del Agricultor, FAO 2013
d. Sistemas de compostaje
14 estos: pilas estáticas con aireación forzada, el cual utiliza un sistema de ventilación sin que se realice ningún volteo desde durante todo el proceso; y pilas con aireación natural, ya sea de modo manual o mediante el uso de maquinaria, de forma periódica, en este caso, el volteo proporciona el oxígeno en toda la pila y homogeniza la temperatura, con la finalidad de reducir los contaminantes patógenos, además de, la estabilizar la materia orgánica (Romero 2004). En la figura 3 se muestra los dos tipos de sistemas de pilas.
Figura 3. Compostaje mediante el sistema de pilas aireadas de modo estática y natural.
Arriba: pila con aireación forzada. Abajo: pila con aireación natural mediante volteo.
15 El acondicionamiento o material estructurante necesario para mezclar los lodos orgánicos y luego ser convertidos en compost, puede ser la viruta o aserrín de madera, en razón a que, estos facilitan el proceso al ajustar la relación carbono/nitrógeno (C/N) y la humedad. Teniendo en cuenta que el tamaño de partículas es un factor de importancia, para el proceso de compostaje, por lo que se recomiendan partículas con tamaños entre 0.3 y 2.7 cm. (Romero 2004)
e. Factores que intervienen en el proceso de compostaje
Los factores que afectan el proceso de compostaje son: el oxígeno o aireación, la humedad del substrato, temperatura, pH y la relación C/N. (FAO 2013)
Oxígeno: al mantener una aireación constante y adecuada permitiremos la respiración de los microorganismos, y estos estos podrán liberar, dióxido de carbono (CO2) hacia la atmosfera. La aireación durante el proceso evita que el material termine compactado. Durante la fase termófila se consumirá la mayor parte del oxígeno presente. El rango ideal para la saturación de oxígeno en el medio varía entre 5% - 15%, siendo el nivel óptimo un 10%. Si se excede la aireación durante el proceso, se ocasionará que la temperatura comience a descender, existirá una reducción mayor de la humedad a causa de la evaporización, y como resultado el proceso se detendrá al no contener agua en el medio. Por el contrario, si la aireación es menor a 5% no existirá evaporación del agua y se formará un exceso de humedad produciéndose un ambiente de anaerobiosis. (FAO 2013)
16 pH:el pH dependerá del tipo de material que se utilice para el proceso, además, el pH variará durante las fases existentes del proceso de compostaje (valor óptimo entre 4.5 – 8.5), por ejemplo, en la primera fase del proceso, el medio comenzará acidificarse, esto debido a la presencia de ácidos orgánicos, mientras que, en la fase termófila debido a que el amonio se convierte en amoniaco, el pH comienza a subir hasta alcalinizar el medio, posterior a ello comenzará a estabilizarse hasta llegar a valores cercanos al neutro. El factor pH va a definir la permanencia de los microorganismos, y cada grupo de estos. Un porcentaje mayor de la actividad microbiana se desarrolla entre un pH de 6,0 – 7,5; mientras que la actividad fúngica se desarrolla entre un pH de 5,5 – 8,0. (FAO 2013)
Relación Carbono-Nitrógeno (C/N) este factor tendrá una variación en función al tipo de material de partida, la Relación C/N se obtiene al dividir el contenido de Carbono (%C total) sobre el contenido de nitrógeno total (%N total) presente en los materiales. Cuando se obtienen valores mayores a 35:1 el proceso puede enfriarse debido al exceso de carbono, por otro lado, si la Relación C/N es menor a 15:1 el proceso comenzará a calentarse, produciéndose malos olores ocasionando la liberación del amoniaco debido al exceso de nitrógeno. (FAO 2013)
Temperatura: El Decreto Supremo N° 015 - 2017 - VIVIENDA en su anexo II, establece como parámetro óptimo que, en el proceso de compostaje confinado, pilas aireadas estáticas o pilas de volteo, la temperatura mínima de los lodos debe elevarse durante 5 días a un mínimo de 40°C.
1.3.4. Microorganismos Eficaces
17 Entre los principales EM tenemos a las bacterias Fotosintéticas (Rhodopseudomonas spp.), las bacterias acido lácticas (Lactobacillus spp.) y levaduras (Saccharomyces spp.), las cuales se describen a continuación: (EM Producción y Tecnología 2007)
Bacterias Fotosintéticas (Rhodopseudomonas spp.): corresponde a un grupo de microbios autónomos y autosuficientes. Estas bacterias están encargadas en sintetizar sustancias necesarias a partir de secreciones de las raíces, materia orgánica y/o gases dañinos (como el sulfuro de hidrógeno) para ello utilizan la luz solar y el calor del suelo como fuentes de energía. (EM Producción y Tecnología 2007)
Bacterias ácido lácticas (Lactobacillus spp.): Son las encargadas de producir ácido láctico a partir de azúcares y otros carbohidratos, que hayan sido producidos por las bacterias fotosintéticas y levaduras. Estas bacterias, suprimen microorganismos dañinos que producen enfermedades como “Fusarium” los cuales producen debilitamiento en las plantas y propagación de plagas. (EM Producción y Tecnología 2007)
Levaduras (Saccharomyces spp.): son las encargadas de sintetizar sustancias antimicrobiales y otras requeridas por las plantas para su crecimiento, esto se desarrolla a partir de aminoácidos y azucares secretados por las bacterias fotosintéticas, materia orgánica y raíces de plantas. (EM Producción y Tecnología 2007)
1.3.5. Transformación de lodos en biosólidos
18
o Parámetro de estabilización: se considera un lodo estabilizado, siempre que la relación de Sólidos Volátiles (SV) a Sólidos Totales (ST) sea menor o igual que sesenta por ciento (60%). La figura 4, muestra las tecnologías prevista para la estabilización del lodo según el Decreto Supremo N° 015-2017–VIVIENDA.
Figura 4. Tecnologías de estabilización de lodos
Fuente: Decreto Supremo N° 015-2017-VIVIENDA 2017.
19 a su difícil eliminación y o reducción. (Decreto Supremo N° 015-2017-VIVIENDA 2017).
Para clasificar los biosólidos como Clase A o Clase B se deben cumplir con los siguientes parámetros de toxicidad química, descritos en la tabla 3:
Tabla 3. Parámetros de toxicidad química en biosólidos de clase A y de Clase B
Mg/kg ST Materia Seca Ar sé n ico Cadmio Cr om o Cobre Plomo M er cu rio Níq u el Z in c
Clase A y B 40 40 1200 1500 400 17 400 2400 Fuente: D.S. N° 015 - 2017 – VIVIENDA
o Parámetro de higienización
El punto central para la producción de biosólidos es la higienización, en razón a que, con ello, se desactivan y reducen los microorganismos patógenos presentes en el lodo, como la Escherichia Coli, Salmonella SPP y huevos viables de helmintos. (Decreto Supremo N° 015-2017-VIVIENDA 2017) En la tabla 4 se describe los límites máximos que debe tener el lodo para ser clasificado como biosólido.
Tabla 4. Parámetros de higienización de biosólidos
Indicador Clase A Clase B
Indicadores de contaminación fecal
Escherichia coli < 1000 NMP/1g ST O
Salmonella sp. < 1 NMP/10g ST
Podrán ser demostradas mediante tecnologías que permitan lograr el nivel de higienización.
Indicador de huevos de Helmintos
Huevos viables de helmintos < 1/4g ST
Fuente: D.S. N° 015 - 2017 – VIVIENDA
20 Figura 5. Tecnologías aplicadas para la higienización de lodos
21
1.4. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS
Biosólidos: es el subproducto resultante de la estabilización de la fracción orgánica de los lodos generados en el tratamiento de aguas residuales, con características físicas, químicas y microbiológicas que permiten su reaprovechamiento como acondicionador del suelo. No son biosólidos las cenizas producto de la incineración de lodos. (D.S. N° 015 - 2017 – VIVIENDA)
Compostaje: El compostaje es la degradación biológica de la materia orgánica en condiciones controladas, hasta lograr la estabilidad de un compuesto, cuyo color es de tonalidad oscura, textura suelta y comúnmente con un olor característico a la tierra, denominado “Compost”. (Romero 2004)
Estabilización de lodo: es el proceso de reducción de fracción orgánica (Sólidos Volátiles - SV) en relación con la materia seca (Sólidos Totales - ST) para controlar la degradación biológica en el producto, los potenciales de generación de olores, de atracción de vectores y de patogenicidad aplicados a lodos de PTAR. (D.S. N° 015 - 2017 – VIVIENDA)
Generador de lodos: es el prestador de servicios de saneamiento y las empresas del sector privado que operan PTAR domésticas y/o municipales. (D.S. N° 015 - 2017 – VIVIENDA)
Higienización de lodo y biosólido: proceso de reducción de concentraciones de patógenos e indicadores de contaminación de origen fecal de acuerdo con los niveles establecidos en Normas Peruanas. (D.S. N° 015 - 2017 – VIVIENDA)
Huevo de helmintos: es el huevo proveniente del grupo de gusanos parásitos que afectan a la salud. (D.S. N° 015 - 2017 – VIVIENDA)
22 Lodos: son residuos sólidos provenientes de procesos de tratamiento de aguas residuales que cuentan con alta concentración de materia orgánica, característica que se aplica principalmente a los lodos obtenidos en el tratamiento primario y tratamiento secundario, así como a las excretas de instalaciones sanitarias in situ. (D.S. N° 015 - 2017 – VIVIENDA)
Microorganismos Eficaces: Los microorganismos eficaces son denominados como “EM”, y están compuestos por tres grupos de microorganismos de origen natural, comúnmente encontrados en suelos y alimentos. (BID 2009)
Productor de biosólidos: Se denomina así a los generadores de lodos que realicen el proceso de transformación de dichos residuos en sus PTAR; a empresas del sector privado dedicadas al rubro. (D.S. N° 015 - 2017 – VIVIENDA)
Reaprovechamiento: es el proceso a través del cual se vuelve a obtener un beneficio del biosólido, permitiendo su reutilización para otros fines. (D.S. N° 015 - 2017 – VIVIENDA)
Solidos totales (ST): es la materia seca concentrada en los lodos y/o biosólidos que han sido deshidratados hasta alcanzar un peso constante. (D.S. N° 015 - 2017 – VIVIENDA)
Sólidos volátiles (SV): son los sólidos orgánicos presentes en los sólidos totales (ST) que se volatilizan cuando una muestra seca se quema en condiciones controladas. (D.S. N° 015 - 2017 – VIVIENDA)
23
1.5. FORMULACIÓN Y PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Uno de los usos que se da al lodo, es posiblemente la utilización directa en los suelos como abono, (Chunga Zapata 2014). Sin embargo, debe existir un previo tratamiento que permita su estabilidad, reducción de contaminantes patógenos y tóxicos para poder ser reaprovechados. Ante ello, el Decreto Supremo N° 015 – 2017 – VIVIENDA, indica que los lodos pueden ser transformados en biosólidos, siempre que se cumpla con los parámetros de estabilización, higienización y toxicidad química, asimismo, el decreto establece diversas tecnologías que permiten la transformación de lodos en biosólidos, entre ellos, se encuentra la tecnología de compostaje, siendo esta, más económica si se compara con otras tecnologías y, al mismo tiempo es ambientalmente segura.
El compostaje es la opción más adecuada si se prioriza la gestión de lodos como enmiendas orgánicas o abonos. (Subía Muñoz 2017) No obstante, este proceso puede durar de entre 3 a 6 meses (EM Producción y Tecnología 2007), y si no se dispone de extensos terrenos para el almacenamiento del lodo, podría convertirse en un problema ambiental para el medio. Por otro lado, la adición de inóculos en el proceso de compostaje reduce la fase de aclimatación y con ello se reduce el tiempo de obtención de compost (Romero 2004). El proceso de compostaje con microorganismos eficaces puede durar de 1 a 2 meses, esto dependerá de la materia prima utilizada. (BID 2009)
Es por ello que, en la presente investigación se optará por el uso de la tecnología de microorganismos eficaces en el proceso de compostaje, con la finalidad de generar una estructura porosa que permite la penetración y circulación del oxígeno, logrando mejorar la calidad del material mientras se reduce el tiempo y los costos de producción.
En base a lo mencionado, surge la siguiente interrogante:
24 Asimismo, surgen los siguientes problemas específicos:
1. ¿Será posible estabilizar la materia orgánica del lodo aplicando la tecnología de compostaje con microorganismos eficaces?
2. ¿Se reducirá la toxicidad química como el Arsénico, Cadmio y Cromo presentes en el lodo al aplicar la tecnología de compostaje con microorganismos eficaces?
3. ¿Se logrará la reducción de Salmonella sp, Escherichia Coli, Huevos de helmintos existentes en el lodo si aplicamos la tecnología de compostaje con microorganismos eficaces?
4. ¿Cuál será la dosis optima de microorganismos eficaces en el proceso de compostaje que permitirá la transformación de lodos a biosólidos?
1.6. JUSTIFICACIÓN
Los resientes cambios efectuados por el Estado frente a la disposición final de lodos de PTAR, prioriza la valorización del residuo antes de su disposición final, es así que en la actualidad existen una serie de medidas que garanticen que los lodos puedan ser transformados en biosólidos para su reaprovechamiento como mejores de suelo, sin poner en riesgo la salud de la población. (D.S N° 015-2017-VIVIENDA)
Es bajo ese enfoque que la presente investigación se encamina a la búsqueda de alternativas sostenibles que permitan la transformación del lodo generado en la PTAR Carhuaz en biosólidos para que puedan ser utilizados como mejores de suelos sin ocasionar riego algún riesgo para la población.
25
Justificación ambiental: La transformación de lodos de la PTAR Carhuaz en biosólidos, contribuye en la reducción de gases de efecto invernadero, también reduce la contaminación al agua ocasionada por la disposición incorrecta de los lodos, además, al ser transformados en biosólidos contribuye la estabilizada del pH en los suelos.
Justificación económica: La tecnología de compostaje es una técnica de bajo costo comparado con otras técnicas industrializadas de tratamiento, sin embargo, requiere de áreas extensas para su ejecución, y comúnmente se toman meses para obtener el producto final, es por ello, que en la presenta investigación, se optó por la incorporación de microorganismos eficaces, con la finalidad de acelerar el proceso y reducir el tiempo de transformación de los lodos, beneficiando de este modo a los productores de biosólidos; del mismo modo, se favorecerá al generador de lodo en la reducción de costos que ocasiona su disposición final en rellenos de seguridad.
1.7. HIPÓTESIS 1.7.1 Hipótesis general
La tecnología de compostaje con microorganismos eficaces transforma los lodos generados en la planta de tratamiento de aguas residuales de Carhuaz en biosólidos.
1.7.2 Hipótesis específicas
➢ El proceso de compostaje con microorganismos eficaces estabiliza al lodo generado en la PTAR Carhuaz.
➢ Al realizar el compostaje con microorganismos eficaces se reduce los parámetros de toxicidad química como el arsénico, cadmio y cromo del lodo generado en la PTAR Carhuaz.
26
1.8. OBJETIVOS 1.8.1 Objetivo general
Transformar los lodos generados en la planta de tratamiento de aguas residuales de Carhuaz en biosólidos, mediante la tecnología de compostaje con microorganismos eficaces.
1.8.2 Objetivos Específicos
➢ Estabilizar la materia orgánica del lodo generado en la PTAR Carhuaz aplicando la tecnología de compostaje con microorganismos eficaces.
➢ Reducir los parámetros de toxicidad química (Arsénico, Cadmio, Cromo) del lodo aplicando la tecnología de compostaje con microorganismos eficaces.
➢ Reducir los parámetros de higienización (Salmonella sp, Escherichia Coli, Huevos de helmintos) existentes en el lodo, mediante la tecnología de compostaje con microorganismos eficaces.
27
CAPITULO II: MARCO METODOLÓGICO
2.1. METODOLOGÍA
La presente investigación es de enfoque cuantitativo, en razón a que se siguió un proceso secuencial y probatorio. (Hernández Sampieri, Fernandez Collado y Pilar 2014)
2.2. TIPO DE ESTUDIO
Según su propósito o aplicación, la presente investigación es de tipo tecnológica en razón a, que se propone la incorporación del conocimiento científico y tecnológico, con el objeto de modificar un proceso. Según su naturaleza, profundidad y alcance es de tipo explicativa, toda vez, que los datos fueron obtenidos por evaluación del fenómeno bajo condiciones del investigador. Se utilizó la experimentación.
2.3. DISEÑO DE INVESTIGACIÓN
28 Tabla 5. Diseño con pre- prueba y post-prueba, varios grupos y uno de control
Grupos Observación inicial (O1)
Tratamiento (X)
Observación final (O2)
RG O1 --- O2
RG1 O1 X1 O2
RG2 O1 X2 O2
Fuente: Hernández Sampieri, Fernandez Collado y Pilar 2014
Donde:
RG, RG1 y RG2: asignación de grupos al azar. Grupo control o testigo (G); Grupo experimental 1 (G1), Grupo experimental 2 (G2)
O1: medición del grupo (ejecución del pre – prueba).
---: Ausencia de estímulo (nivel “cero” en la variable independiente). Grupo de control o testigo.
X1, X2: aplicación del estímulo (dosis distintas de EM)
O2: medición del grupo (ejecución de la post – prueba).
La tabla 6, muestra como las pilas composteras fueron planteados en base al diseño escogido, y el nivel de manipulación que tiene cada grupo experimental, asimismo, se optó por aplicar una repetición a cada pila, los cuales fueron divididos en bloque 1 y bloque 2.
Tabla 6. Composición de los grupos experimentales
Grupo Código Nombre Composición Diseño de
pila
RG T1 Control o testigo 90%Lo + 10%V + 0 L EM
Bloque 1 G1 T2 Grupo experimental 1 90%Lo + 10%V+ 2 L EM
G2 T3 Grupo experimental 2 90%Lo + 10%V + 4 L EM RG R-T1 Repetición – T1 90%Lo + 10%V + 0 L EM
Bloque 2 G1 R-T2 Repetición – T2 90%Lo + 10%V+ 2 L EM
29 Donde:
➢ Lo: Lodo ➢ V: Viruta
➢ EM: Microorganismos eficaces ➢ L: Litro
Figura 6. Tecnologías aplicadas para la estabilización de lodos
2.4. VARIABLES
➢ Variable independiente: tecnología de compostaje de lodos con Microorganismos Eficaces.
➢ Variable dependiente: Transformación de lodos en Biosólidos.
2.5. OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES
30 Tabla 7. Operacionalización de variables
Variable Definición conceptual Definición
operacional Dimensiones Indicadores Unidades Medición
Independiente
Tecnología de compostaje con Microorganismo s Eficaces.
Proceso acelerado de la descomposición de la
materia orgánica,
aumentando su calidad nutricional y biológica.
Aceleración del
proceso de
compostaje con
EM de los lodos de
planta de
tratamiento de
aguas residuales.
Aplicación de microorganis mos eficaces
Dosis creciente de microorganismos eficaces
L Método establecido por
la tesista
Parámetros físico - químicos
Conductividad dS/m Método establecido por
el laboratorio
pH - Método establecido por
el laboratorio
Humedad % Método establecido por
el laboratorio
Temperatura °C Método instrumental
de campo Relación
carbono/nitrógeno %
Método establecido por el laboratorio
Dependiente
Transformación de lodos en Biosólidos
Los biosólidos son
subproductos resultantes de la estabilización de la fracción orgánica de los lodos generados en el
tratamiento de aguas
residuales, con
características físicas,
químicas y
microbiológicas que
permiten su
reaprovechamiento.
Evaluación de los biosólidos
obtenidos,
analizando los
parámetros fisicoquímicos, estabilización, toxicidad química e higienización.
Estabilización Concentración de
materia orgánica %
Método establecido por el laboratorio Toxicidad química - Arsénico, - Cadmio, - Cromo - mg/kg - mg/kg - mg/kg
Método establecido por el laboratorio
Higienización
- Escherichia Coli, - Salmonella sp. - Huevo de helmintos
- NMP/g - NMP/g -
huevos/4g
31
2.6. POBLACIÓN, MUESTRA Y MUESTREO
Población: la población de la investigación está constituida por los lodos residuales generados en la PTAR de Carhuaz, ubicado en el distrito y provincia de Carhuaz, Departamento de Ancash.
Muestra:para la caracterización inicial del lodo, se realizó la muestra desde el lecho de secado de la PTAR Carhuaz, lugar donde el lodo ya había sido acumulado semanas antes. La muestra ejecutada fue del tipo muestra compuesta.
Muestreo:el muestreo fue constituido por muestras puntuales tomados al azar respecto a la ubicación del cuerpo total del lodo acumulado como se muestra en figura 7, del cual se tomó un (1) kilo de lodo de 4 puntos diferentes y en distintas profundidades, posterior a ellos fueron acomodadas en una sola ruma, y luego a través del método de cuarteo se tomó las dos cuartas partes que se oponen, obteniendo 2 kg de lodo, para repetir el proceso hasta obtener finalmente un (1) kilo de muestra compuesta, el cual fue llevado al laboratorio para su respectivo análisis. Cabe precisar que se optó el mismo procedimiento de muestreo para cada pila compostera.
Figura 7. Esquema de la toma de muestra
32
2.7. TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS
2.7.1 Fuentes de información primaria
La fuente de información primaria de este proyecto fueron los datos obtenidos a través de pruebas experimentales que se realizaron en las pilas composteras con volteo manual y la incorporación de microorganismos eficaces (EM-Compost), a dosis definidas.
2.7.2 Fuentes de información secundaria
La documentación acerca del método de compostaje y aplicación de microorganismos eficaces (EM-Compost), se recopiló mediante artículos científicos, tesis y páginas web. Los análisis se realizaron teniendo en cuenta lo establecido en el Decreto Supremo N°015-2017-VIVIENDA, Reglamento para el Reaprovechamiento de los Lodos generados en las Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales.
2.8. MÉTODOS DE ANÁLISIS DE DATOS
Al finalizar el proceso experimental se sistematizó los resultados obtenidos y se describió mediante tablas y gráficos, posterior a ello, se realizó el análisis de varianza (ANOVA) con un nivel de confianza al 95% y una significancia de α = 0.05, además, se utilizó el estadístico de Shapiro Will aplicando el test de normalidad, se utilizó la correlación Bonferroni para las comparaciones múltiples y la prueba Tukey en comparación múltiple Post hoc.
2.9. ÁMBITO DE ESTUDIO
2.9.1 Ubicación del área de estudio
33 Ubicación:
Localidad: Arhuaypampa Ciudad: Carhuaz
Región: Ancash Altitud: 2677 m.s.n.m. Latitud: 9°16'18.5"S Longitud: 77°38'07.2"W
Figura 8. Ubicación geográfica del lugar donde se desarrolló el proceso experimental.
Fuente: a la izquierda: Google Maps, a la derecha: propia.
2.9.2. Procedimiento y metodología experimental
a) Procedencia de lodos:
34 Figura 9. Zona de extracción del lodo y los componentes de tratamiento de la PTAR Carhuaz.
35 Fotografía 1. Vista frontal de la PTAR Carhuaz.
b) Acondicionamiento del terreno: con la finalidad de limitar el acceso de agentes externos a las pilas composteras se delimitó y construyó un área cerrado y techado de 35 m2, colocándose plástico color negro sobre la base, a fin de lograr la protección y recolección de posibles lixiviados generados durante el proceso, en la fotografía N° 2 se muestra el ambiente acondicionado para proteger de la contaminación de agentes externos hacia las muestras.
36 c) Acondicionamiento del proceso experimental: el proceso experimental tuvo las
siguientes características:
➢Tipo de compostaje: pilas composteras con volteo manual, cuyas dimensiones fueron:
Ancho = 1.20 m Largo = 1.20 m Altura = 1.00 m.
➢Material de enmienda: lodos provenientes de los lechos de secado de la planta de tratamiento de aguas residuales de Carhuaz.
➢Material de soporte: viruta de madera proveniente de un aserradero de la localidad.
➢Adición de otras tecnologías: se utilizó la tecnología EM Compost, para ello, fue necesario realizar primero la activación, (lo cual se realizó en un balde limpio se mezcló 1 litro de melaza (5%) en 18 litros de agua limpia sin cloro (90%) y luego se agregó 1 litro de EM Compost (5%), finalmente se cerró herméticamente y se dejó reposar por 6 días.
37
d) Construcción de las pilas composteras: ➢Caracterización:
Residuos 1: Con fecha 4 de mayo de 2018, se procedió a recolectar la muestra de los lodos generados en la PTAR Carhuaz, con la finalidad de conocer sus características principales, es por ello que, se realizó una muestra compuesta (ver figura 7 para mayor detalle de la toma de muestra compuesta) y se recolectó 1 kg de lodo, el cual fue trasladado al laboratorio de calidad ambiental de la UNASAM, para realizar el análisis respectivo, en la tabla se describe los resultados obtenidos en el análisis del laboratorio.
Tabla 8. Valores de humedad, carbono y nitrógeno del lodo.
Descripción %H C [kg MS]
N
[kg MS] Relación C/N lodos 65.63 11.92 0.49 23.98 Fuente: Análisis del laboratorio de Calidad Ambiental de la UNASAM.
Residuo 2:
Según Pérez (2008), indica que la viruta cuenta con los siguientes valores de humedad, carbono y nitrógeno:
Tabla 9. Valores de humedad, carbono y nitrógeno de la viruta de madera.
Descripción %H C [kg MS]
N [kg MS]
Relación C/N
Viruta 31.1 48.1 1.2 40.08
Fuente: Pérez 2008
➢Determinación de la dosis de EM compost para cada tratamiento
Se consideró la siguiente relación:
38 En la presente investigación se planteó como volumen total de mezcla para cada pila compostera 0.5 Tn Entonces tenemos:
Siguiendo lo indicado por Ficha técnica del EM COMPOST, tenemos:
𝐸𝑀
𝑥=
20 𝑥 0.5 𝑇𝑛10 𝑇𝑛= 1𝐿
1 litro por cada 0.5 Tn de mezclaSin embargo, en la presente investigación se tomó el doble de la dosis recomendado por la ficha técnica del producto, es decir, se utilizó 2L y 4L de EM COMPOST al proceso de compostaje para transformar el lodo en biosólido. Por consiguiente, se tiene la siguiente distribución:
● Control o testigo: T1 = 0 L EM/0.5Tn de mezcla ● Tratamiento 2: T2 = 2 L EM/0.5Tn de mezcla ● Tratamiento 3: T3 = 4 L EM/0.5Tn de mezcla
● Repetición Control o testigo: R-T1= 0 L EM/0.5Tn de mezcla ● Repetición tratamiento 2: R-T1 = 2 L EM/0.5Tn de mezcla ● Repetición tratamiento 3: R-T1 = 4 L EM/0.5Tn de mezcla
➢Determinación de volúmenes de la mezcla, se asumió:
➢Cálculo de la relación Carbono / Nitrógeno:
Según la FAO (2013), el rango ideal de la relación C/N para iniciar el
compostaje varía entre 25:1 a 35:1, para la presente tesis se eligió iniciar con:
Según, Cornell (1996), la relación C/N se realiza siguiendo el siguiente cálculo: Relación C/N = 30
39 Donde:
Qi: Masa o peso húmedo del material i Ci: Contenido de C del material i (%) Ni: Contenido de N del material i (%)
Mi: Contenido de humedad del material i (%)
Entonces: 𝑅𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐶
𝑁
= (𝑄𝑙𝑜𝑑𝑜× 𝐶𝑙𝑜𝑑𝑜(100 − 𝑀𝑙𝑜𝑑𝑜)) + (𝑄𝑣𝑖𝑟𝑢𝑡𝑎× 𝐶𝑣𝑖𝑟𝑢𝑡𝑎(100 − 𝑀𝑣𝑖𝑟𝑢𝑡𝑎))
(𝑄𝑙𝑜𝑑𝑜× 𝑁𝑙𝑜𝑑𝑜(100 − 𝑀𝑙𝑜𝑑𝑜)) + (𝑄𝑣𝑖𝑟𝑢𝑡𝑎× 𝑁𝑣𝑖𝑟𝑢𝑡𝑎(100 − 𝑀𝑣𝑖𝑟𝑢𝑡𝑎))
Siguiendo la relación 90% Lodo y 10% viruta = 0.5Tn de mezcla, asumiremos:
𝑄𝑙𝑜𝑑𝑜 = 450 y 𝑄𝑣𝑖𝑟𝑢𝑡𝑎 = 50
Entonces reemplazando en la fórmula de Cornell:
𝑅𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐶/𝑁 =(450 × 11.92(100 − 65.63)) + (50 × 48.1(100 − 31.1))
(450 × 0.49(100 − 65.63)) + (50 × 1.2(100 − 31.1))
𝑅𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐶/𝑁 = 30
