Digestion anaerobia de solidos en alta concentración

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(1)UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS. DIGESTIÓN ANAEROBIA DE SOLIDOS EN ALTA CONCENTRACIÓN. TESIS DOCTORAL. PORFIRIO MANDUJANO SÁNCHEZ 2001.

(2) UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS DEPARTAMENTO DE ORDENACIÓN DEL TERRITORIO, URBANISMO Y MEDIO AMBIENTE. DIGESTIÓN ANAEROBIA DE SÓLIDOS EN ALTA CONCENTRACIÓN. TESIS DOCTORAL. Autor: Porfirio Mandujano Sánchez Ingeniero Civil (UADY-MEX). Director: Dr. Ing. D. Aurelio Félix Hernández Muñoz Catedrático de Ingeniería Sanitaria y Ambiental (UPM). Madrid, 2001.

(3) Tribunal nombrado por el Magnífico y Excelentísimo Señor Rector de la Universidad Politécnica de Madrid, el día. Presidente. D.. Vocal. D.. Vocal. D.. Vocal. D.. Secretario. D.. de. de 2001.. Realizado el acto de defensa y lectura de la tesis el día. de. de 2001. en Calificación:. EL PRESIDENTE. VOCAL. VOCAL. VOCAL. EL SECRETARIO.

(4) AGRADECIMIENTOS. Agradezco a mis padres por darme el don de ser, sin ellos no sería posible lo que soy.. A ti Lilia Cristina, por que siempre estas a mi lado con tu comprensión y tu amor.. Quisiera ser mejor cada día por ustedes. Mauricio Marco Michel Mariel. A José Ignacio, a María del Pilar y a Elsy Noemy, por su apoyo moral y fraternal.. A D. Aurelio Hernández Muñoz por su atinada tutoría y dirección en esta etapa de mi vida, mi eterno agradecimiento.. Al Instituto Tecnológico de Chetumal, a la Dirección General de Institutos Tecnológicos y a la Asociación Nacional de Universidades e Institutos de Enseñanza Superior, gracias por su confianza y apoyo.. A la Universidad Politécnica de Madrid, en específico a la Cátedra de Ing. Sanitaria y Ambiental, por la buena acogida.. A todos y cada uno de los que forman parte de mi hermosa familia.. A D. Enrique Iglesias M. y Dña. María Orejudo M., un infinito agradecimiento por su apoyo desinteresado en la culminación de mi tesis.. A Dña. Isabel del Castillo, a Dña. Julia Chamorro y a D. Manuel Gil, por sus sabios consejos.. Mucho agradeceré su amistad, y siempre he de recordarles en esta etapa de mi vida: Alejandro, Abilia, Pedro, Isabel, Alberto, Adriana, Jaime, Silmara, Osear, Edwin y Francisco..

(5) Pensar en España evocará a mi mente muchos buenos momentos vividos con Ustedes, mi cariño vivirá siempre con: D. Pedro Ranero Dña. Tere López Dña. Verónica Ranero La sola mención de Montejurra, llevarán mis recuerdos en todas aquellas personas que durante mi estancia en España me hicieron sentir que no estaba en un país extraño, mi más sincero agradecimiento. A mis amigos de México, que gracias a Dios son muchos y por no querer omitir a ninguno, cuando lean estas líneas sabrán que son ellos a quien me refiero, gracias por su amistad..

(6) RESUMEN La problemática que plantean los Residuos Sólidos Urbanos (RSU) como consecuencia de su incremento y las implicaciones sobre la contaminación ambiental y el agotamiento de los recursos naturales, hace que sea esencial la búsqueda de caminos para su gestión correcta desde el punto de vista ambiental y social.. La generación de RSU tiene una triple repercusión medioambiental; contaminación, desperdicio de recursos y la necesidad de espacios para su disposición. En la conferencia de la Naciones Unidas sobre el Ambiente y el Desarrollo sostenida en junio de 1992, también conocida como la Cumbre de la Tierra, fue adoptada la agenda 21.. En el Capitulo 21, la atención está dirigida a:. > Minimización de los residuos. > Maximización de la reutilización y reciclaje de los residuos con un enfoque ambiental. > Estimulo de la disposición y tratamiento de los residuos con enfoque ambiental. > Extensión de la cobertura de los servicios de residuos.. Por su parte la Comisión Europea (1997), introduce significativos cambios con referencia al manejo de la fracción orgánica de los RSU, en el Artículo 5, proponiendo, la reducción de la fracción biodegradable de los RSU que serán dispuestos a los vertederos, de acuerdo a lo siguiente: a) 25 % para el 2002; b) 50 % para el 2005; y c) 75 % para el 2010. Estas reducciones están referidas a las cantidades dispuestas en los vertederos en el año 1993.. Bajo estos considerandos he realizado la presente tesis Digestión Anaerobia de Sólidos en Alta Concentración, estableciendo realizar el experimento con la fracción orgánica de los RSU (foRSU) y los fangos de una depuradora, realizadas en proporción con la producción per cápita de los habitantes de Madrid. El sistema adoptado, buscan la recuperación de biogás, investigando sobre diferentes métodos de digestión anaerobia:.

(7) monoetapa, de dos fases y de dos etapas, combinando condiciones termofílicas y mesofílicas, bajo deferentes tiempos de residencia hidráulicos.. Se trabajo con la fracción orgánica de los RSU, obtenidos de un restaurante y de su cocina, triturados a diámetros entre 0,3 y 5 mm, en condiciones húmedas; unidos a los fangos digeridos de la depuradora de El Endrinal, para el caso de los procesos de monoetapa, y de fango fresco de la depuradora de Alcalá de Henares, para los casos de la digestión anaerobia de dos fases y dos etapas, en condiciones mesofílicas y termofílicas.. El resultado de la investigación permite una comparación adecuada de los distintos sistemas, justificándose como mejor solución la digestión en fases en condiciones mesofílicas.. La primera fase, fase acida, se diseña con altas cargas del orden de 26 Kg /m^ día de ST y de 24 Kg/m'^ día de SV. En la segunda fase, fase metánica de 3,4 a 10,4 Kg/m^ día de ST y 3,1 a 8,9 Kg/m^ de SV. La máxima eficiencia en la remoción de los sólidos volátiles fue de 85,6 %.. Los tiempos de retención hidráulicos adecuados se fijan en 2 a 3 días de la fase acida y de 12 a 15 días en la fase metánica.

(8) ABSTRACT. The problems that outline the Urban Solid Wastes (USW) as consequence of their increase and the implications on the environmental poUution and. depletion of the. natural resources, requierefrom the enviromental and social point of view to search roads for their correct management.. The generation of RSU has a triple environmental repercussion; pollution, resources waste and the need of spaces for their arrangement.. In the conference of the United Nations about the Environment and. Development. supported in June of 1992, also known as the Summit of the Earth, it was adopted the agenda 21.. In the I Capitúlate 21, the attention is directed to:. > Minimizing of the wastes. > Maximizing waste reflise and recycling with an environmental approach. > Stimulating waste arrangement and treatment with environmental approach. > Extending the coverage of waste services.. As far as it is concemed the European Commission (1997), introduces meaningful changes with reference to the managing of the USW organic fraction of the, in Article 5, proposing, the reduction of the fraction USW biodegradable that will be disposed to the solid waste disposal, according to: a) 25 % for 2002; b) 50 % for 2005; and c) 75 % for 2010.~'These reductions are referred to the quantities disposed in the solid waste disposal in 1993.. Under these cosideration I have accomplished the present research Anaerobic Digestión High Concentration of Solids, establishing to accomplish the experiment with the organic fraction of USW (ofUSW) and the sludges of a sewage treatment plant, in proportion with the per capita production of the inhabitants of Madrid. The adopted system, seek the recovery of biogas, researching on different anaerobic digestión.

(9) methods: monostage, of two phases and of two stages, combining thermophilic and mesophilic conditions, under different hydraulic residence times.. It is work with the ofUSW, obtained from a restaurant and its cook, mash to diameters between 0,3 and 5 mm, in wet conditions; joined to the digested sludges of the sewage treatment plant of The Endrinal, for the case of monostage processes, and to fresh sludges of the sewage treatment plant of Alcalá of Henares, for the cases of two phases and two stages, anerobic digestión mesophilic and thermophilic conditions.. The result of the research permits am adequate comparison of the different systems, being justified as better solution the digestión in phases under mesophilic conditions.. The first phase, acid phase, is designed with high rates about 26 Kg /m3 day of ST and of 24 Kg/m3 day of. SV. In the second phase, metanogenic phase about 3,4 to 10,4. Kg/m3 day of ST and 3,1 to 8,9 Kg/m3 of SV. The máximum efficiency in the volatile solids removal was 85,6 %.. The adequate hydraulic retention times are fixed in 2 to 3 days acid phase and of 12 to 15 days for the metanogenic phase..

(10) ÍNDICE AGRADECIMIENTOS. RESUMEN/ABSTRACT 1. ANTECEDENTES. 1. 1.1 Curriculum vitae del doctorando. 1. 1.2 Formación del Doctorando. 3. 1.3 Justificación del tema de tesis. 3. 1.4 Objetivos iniciales. 6. 2. GENERALIDADES. 7. 2.1 Introducción. 7. 2.2 Residuos urbanos. 9. 2.3 Problemática de los residuos. 20. 2.4 Tratamiento de los residuos: alternativas. 26. 2.4.1 Tratamiento de residuos sólidos. 26. 2.4.2 Tratamiento de fangos. 29. 2.5 Normativa sobre los residuos y normativa sobre reutilización. 32. 3. INVESTIGACIÓN BIBLIOGRÁFICA. 37. 3.1 Metodología de la investigación bibliográfica. 37. 3.2 Tasa de producción/Jer cápita de fango y RSU. 38. 3.3 Condiciones térmicas. 44. 3.4 Condiciones del proceso. 48. 3.4.1 Carga orgánica. 48. 3.4.2 Producción de biogas. 56. 3.4.3 Inhibidores del proceso. 65. 3.4.4 Tiempo de residencia hidráulico. 69. 3.5 Fronteras del conocimiento. 72. 4. OBJETIVOS DEFINITIVOS. 80. 5. M E T O D O L O G Í A. 81. DEL. ESTUDIO. 5.1 Parámetros que intervienen en el proceso. 81. 5.2 Equipo de laboratorio. 86. 5.3 Descripción del equipo experimental. 88. 5.4 Planificación en el tiempo. 91.

(11) 6. ENSAYO DE CHOQUE. 94. 6.1 Introducción a los ensayos de choque. 94. 6.2 Ensayos de choque en la iniciación de la fermentación anaerobia. 96. 6.3 Conclusiones de los ensayos choque. 131. 6.4 Ensayos choque en relación con las técnicas analíticas. 133. 7. DESARROLLO DE LA FASE EXlÊRIMENTAL. 136. 7.1 Generalidades. 136. 7.2 Descripción del tipo y toma de muestras. 138. 7.3 Digestión de una sola fase. 141. 7.3.1 Digestión de una fase en condiciones mesófilas. 142. 7.3.2 Bitácora de la digestión anaerobia de una fase mesofílica. 144. 7.3.3 Digestión anaerobia de una fase en condiciones termófilas. 147. 7.3.4 Bitácora de la digestión anaerobia de una fase termófila. 149. 7.4 Digestión anaerobia en dos fases. 151. 7.4.1 Digestión anaerobia de dos fases, termófilo. 153. 7.4.2 Bitácora de la digestión anaerobia de dos fases, termófila. 154. 7.4.3 Digestión anaerobia de dos fases, mesófílo. 157. 7.4.4 Bitácora de la digestión anaerobia de dos fases, mesóñla. 158. 7.5 Digestión anaerobia en dos etapas. 160. 7.5.1 Digestión anaerobia en dos etapas, termófila-mesófila. 160. 7.5.2 Bitácora de la digestión anaerobia de dos etapas, termófila-mesófila. 161. 7.5.3 Digestión anaerobia en dos etapas, mesófila-mesófila. 163. 7.5.4 Bitácora de la digestión anaerobia de dos etapas, mesófila-mesófila. 164. 8. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS. 167. 8.1 Digestión anaerobia de una fase. 167. 8.1.1 Digestión anaerobia de una fase en condiciones mesófilas. 167. 8.1.2 Digestión anaerobia de una fase en condiciones termófilas. 176. 8.2 Digestión anaerobia de dos fases. 183. 8.2.1 Digestión anaerobia de dos fases termofílica. 183. 8.2.2 Digestión anaerobia de dos fases mesofílica. 211. 8.3 Digestión anaerobia de dos etapas. 237. 8.3.1 Digestión anaerobia de dos etapas: termofílica-mesofílica. 237. 8.3.2 Digestión anaerobia de dos etapas: mesofílica-mesofílica. 274. 8.4 Resultados colaterales. 311.

(12) 9. ANÁLISIS DE RESULTADOS. 314. 9.1 Digestión anaerobia de una fase o etapa. 321. 9.1.1 Digestión anaerobia de una fase mesofílica. 321. 9.1.2 Digestión anaerobia de una fase termofílica. 323. 9.2 Digestión anaerobia de dos fases. 324. 9.2.1 Digestión anaerobia de dos fases termofílica. 324. 9.2.2 Digestión anaerobia de dos fases mesofílica. 328. 9.3 Digestión anaerobia de dos etapas. 331. 9.3.1 Digestión anaerobia de dos etapas: termofílica-mesofílica. 331. 9.3.2 Digestión anaerobia de dos etapas: mesofílica-mesofílica. 337. 10. CONCLUSIONES. 343. 11. PROPUESTA DE INVESTIGACIÓN. 357. 12. BIBLIOGRAPÍA. 368.

(13) CAPITULO 1 ANTECEDENTES.

(14) 1. Antecedentes 1.1 Curriculum vitae del doctorando. Porfirio Mandujano Sánchez nace en Progreso, Yucatán, México, el 22 de Abril de 1960. Realiza desde 1964 a 1978 todos sus estudios elementales, obteniendo el bachillerato en la especialidad de "Físico-Matemáticas". Se traslada a la ciudad de Mérida, Yucatán, México, para realizar los estudios de formación profesional como Ingeniero Civil con la especialidad en Hidráulica y Sanitaria, de 1978 a 1983. Esta última en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Yucatán. Obtiene su titulo en 1984 al presentar su examen profesional con ia tesis "Efectos de las Aguas Residuales sobre el Concreto". En 1983 obtiene una beca del Consejo del Sistema Nacional de Educación Tecnológica (CoSNET), dentro del programa "Apoyo a la Docencia del Sistema Nacional de Institutos Tecnológicos", para realizar estudios de Maestría en Ingeniería Ambiental, en la Unidad de Posgrado e Investigación de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Yucatán. Misma que termina en 1985, obteniendo el grado de Master en Ingeniería al presentar su examen de grado con la tesis " Evaluación de un Filtro Percolador con Material de Plástico de Desecho, Operando Bajo Diferentes Condiciones de Carga Hidráulica y Orgánica". En 1986 se incorpora al Instituto Tecnológico de Minatitlán, perteneciente al Sistema Nacional de Institutos Tecnológicos (SNIT), como profesor asociado "C", impartiendo las materias de Contaminación Ambiental, Control de contaminantes y Laboratorio de Hidráulica, así como corresposable del proyecto de investigación "Evaluación de la Calidad del Aire en la Zona Minatitlán-Coatzacoalcos", financiado por la Secretaría de Desarrollo Urbano y Ecología (SEDUE). En 1987 realiza el proyecto de investigación "Evaluación de la Lluvia en la ciudad de Minatitlán", financiado por la propia institución, siendo jefe de la oficina de Construcción y Equipamiento, del departamento de Planeaciótt. En 1988 se traslada al Instituto Tecnológico de Chetumal perteneciente al SNIT, donde hasta la fecha sigue laborando. Ha impartido 9 asignaturas diferentes dentro de la licenciatura en Ingeniería Civil, de las cuales ha elaborado el programa de la materia.

(15) "Diseño de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales", para el SNIT. Ha sido presidente de la Academia de Ingeniería Civil, en 1991, también fue jefe de la oficina de posgrado en 1992, y de 1994 a 1998 foe jefe del departamento de Gestión Tecnológica y Vinculación.. Así mismo dentro de su experiencia profesional, ha sido jefe de la oficina de Ingeniería Ambiental y Asesor Técnico de 1991 a 1994, en la Embotelladora de Chetumal, S.A. de C.V., perteneciente a la empresa multinacional Coca Cola Co. Desde 1990 cuenta con el registro nacional de Prestadores de SJervicios en Materia de Impacto Ambiental, y ha realizado 5 estudios de Manifestación de Impacto Ambiental en la Modalidad General. Ha asistido a varias conferencias y cursos, de los cuales podemos destacar el de "Evaluación de Plantas Potabilizadoras", con una duración de 100 horas, impartido por la Organización Panamericana de la Salud (OPS), la FIUADY y la Junta de Agua Potable de Yucatán; "Manejo y Disposición de Residuos Sólidos" impartido por los profesores M. S. Pescod y D. J. EUiot, de la Universidad de New Castle, Inglaterra y "Tratamiento de Aguas Residuales Industriales y Municipales" impartido por el Dr. Rubens S. Ramahlo.. En apoyo a las actividades docentes del SNIT, ha impartido diferentes cursos y conferencias, dentro de las diferentes actividades, de las cuales se puede destacar: El foro "La Ingeniería Civil, Distintos Enfoques: La Ingeniería Sanitaria"; La VI Semana del Conocimiento; VII Reunión Nacional de Vinculación y Gestión Tecnológica y XII Concurso de Creatividad: Fase Local". Así mismo ha asesorado 31 tesis de licenciatura. Ha obtenido como asesor del proyecto de creatividad "Aplicación de la Hidráulica de Pozos a un Modelo Geohidrológico", el primer lugar en las fases Local y Regional. Ha sido asesor técnico en el Comité Estatal de Ingenieros Civiles, dentro del programa de Solidaridad para una Escuela Digna, en Chetumal, México. Ha sido miembro de la Sociedad Mexicana de Ingeniería Sanitaria y Ambiental A. C. de Quintana Roo. Ha sido miembro del Comité Académico del Examen General de Ingeniería Civil, en el área de Ingeniería Sanitaria y Ambiental, del Centro Nacional de Evaluación de la Educación Superior (CENEVAL). Ha publicado 3 artículos..

(16) 1.2 Formación para el doctorado.. Realiza sus estudios de doctorado en la Universidad Politécnica de Madrid, de 1998/2000 habiendo. cursado las siguientes. asignaturas, periodo, créditos y. calificaciones. Curso 1998-1999:. Créditos. Calificación. 3. Sobresaliente. Industriales.. 6. Notable. Impactos Ambientales. Auditorias.. 6. Notable. Bases Químicas de Diseño de Biorreactores.. 3. Notable. Créditos. Calificación. 6. Notable. 6. Notable. 4. Notable. Asignatura Transferencia de Tecnología: Infraestructuras Urbanas y Obras Públicas en América Latina. Procesos. de Depuración. de. Aguas. Residuales. Curso 1999/2000:. Asignatura Residuos Tóxicos y Peligrosos Residuos Sólidos Urbanos: disposición, eliminación, recuperación. Recursos Hidráulicos. Planificación y Modelos.. El 24 de Mayo de 1999, solicita al Director del Departamento de Ordenación del Territorio, Urbanismo y Medio Ambiente, la aceptación del proyecto de Tesis Doctoral titulado "Digestión Anaerobia de Sólidos en Alta Concentración", siendo aceptada el 15 de Julio de 1999 y nombrado como Director a D. Aurelio Hernández Muñoz.. 1.3 Justificación del tema de tesis.. Tradicionalmente, el medio -agua, aire, suelo- ha sido el recipiente de todos los productos y desechos resultantes de las actividades humanas. Mientras estos desechos venían siendo depositados en el medio ambiente en pequeñas cantidades y en forma dispersa, el medio recipiente ha sido capaz de asimilarlos sin sufrir daños o cambios irreversibles, mientras ha tenido la capacidad y el tiempo suficiente para inactivarlos, absorberlos, dispersarlos, o estabilizarlos -como consecuencia el daño causado ha sido.

(17) relativamente limitado, y en general los recursos afectados han sido capaces de recobrar la mayoría de sus características originales.. Durante las últimas décadas, la población rural ha venido emigrando en números crecientes hacia los centros urbanos. Sumada a esta emigración el incremento acelerado de la población urbana en sí, ha resultado en la reconcentración demográfica en áreas relativamente reducidas, y consecuientemente en una producción concentrada de enormes cantidades de residuos. Debido a la manera en que estos desechos han venido siendo depositados en medio de estas áreas, muchos de sus sectores, no han podido absorber el impacto de sobrecarga, resultando en su deterioro paulatino y en algunos casos irreversibles. Los daños sociales y económicos, a consecuencia de esta producción y eliminación indiscriminado de residuos, ya han llegado a tal magnitud que actualmente son considerados como problemas de primer orden que requieren atención y medidas inmediatas para su control primero, y consecuentemente su solución a corto plazo.. Es así como en las grandes urbes, los problemas relativos a la contaminación y deterioro generalizado del medio ambiente, son ya paralelos e inclusive más apremiantes que los referentes al aprovisionamiento de agua potable, alcantarillado, energía eléctrica, transporte y vías de comunicación. Ya que la ausencia de un medio ambiente adecuado hace que los servicios mencionados se conviertan en actividades irrelevantes para una comunidad que difícilmente podrá sobrevivir.. Por lo que me hace reflexionar que día a día se deberán formar un número mayor de profesionales calificados en el tema del medio ambiente, o crear, tanto en los técnicos como en ta sociedad, una ética ambiental.. Considere oportuno capacitarme más, orientándome hacia la búsqueda de soluciones para los principales problemas que anteriormente he mencionado, en lo referente al deterioro del medio ambiente, tratando los aspectos teóricos y prácticos involucrados con la investigación, la docencia y el desarrollo de investigaciones en los principales campos de la Ingeniería Ambiental..

(18) Por ello solicité a la Comisión de Doctorado del Departamento de Ordenación del Territorio, Urbanismo y Medio Ambiente, la aceptación para cursar el Programa de Doctorado de Territorio y Medio Ambiente, el cual fue aceptado y ratificado el 6 de Mayo de 1999 por la Comisión de Doctorado de la Universidad Politécnica de Madrid y determinando en virtud de las atribuciones que me ha reconocido el articulo 12 del R.D. 185/1985 de 23 de enero que el Título que podré obtener es el de Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos,. En el primer ciclo 1998/1999 curse 4 materias, de las cuales, dos son las que han dado sustento a mi trabajo de investigación, éstas son: Procesos de Depuración de Aguas Residuales Industriales y Bases Químicas de Diseño de Biorreactores. La primera con el conocimiento de la cualificación y cuantifícación de los fangos provenientes de depuradoras y sus posibles tratamientos y disposiciones finales, y la segunda con el análisis de las diferentes reacciones bioquímicas que ocurren en los reactores biológicos.. En el segundo ciclo 1999/2000 curse 3 materias de las cuales. Residuos Sólidos Urbanos: disposición, eliminación, recuperación, que me permitió poder conocer la dinámica de producción de los RSU de acuerdo a las diferentes condiciones socioeconómicas de poblaciones, así mismo poder evaluar su clasificación considerando aspectos de valorización, redistribución, reducción, reutilización, reciclado y sus posibles disposiciones finales y tratamiento.. En este camino hacia el doctorado, de acuerdo con el director y tutor de la tesis, comencé con la presente investigación con opción a tesis de Doctorado dentro del programa "antes mencionado. En ella se involucra los dos problemas fundamentales de los núcleos de población, que son los fangos de depuradoras y los RSU, en específico la fracción orgánica, investigando sobre un sistema de tratamiento que pudiera involucrarlos. Esto me llevo a considerar la Digestión Anaerobia como una vía factible de realizar su estabilización, con la finalidad de obtener productos asimilables por el medio receptor y una fuente de energía limpia, considerando la tasa de producción de los residuos per cápita..

(19) 1.4 Objetivos iniciales. En la solicitud de la tesis, con el conocimiento alcanzado hasta entonces, señale el objetivo perseguido en mi investigación.. La digestión anaerobia de sólidos en alta concentración es un proceso biológico en el que se produce la fermentación con un contenido de sólidos total de aproximadamente el 10 por 100 o más. La digestión anaerobia de sólidos en alta concentración es una tecnología relativamente nueva, y su aplicación para la recuperación de energía, a partir de la fracción orgánica de los Residuos Sólidos Urbanos (RSU), todavía no se ha desarrollado completamente. Dos ventajas importantes que tiene el proceso de digestión anaerobia de sólidos en alta concentración: más bajos requisitos de agua y una tasa mayor de producción de gas por unidad de volumen del tamaño del biorreactor.. Así establecí, como objetivo principal, evaluar un digestor anaerobio de sólidos de alta carga, trabajando con fangos de depuradoras en unión de la fracción orgánica de los RSU, considerando lo siguiente:. •. Tasa de producción per cápita de fangos y RSU.. •. Condiciones Térmicas.. •. Condiciones del proceso..

(20) CAPITULO 2 GENERALroADES.

(21) 2. Generalidades. 2.1 Introducción.. En la naturaleza existe una interacción continua entre los seres vivos y los que consideramos algo menos vivos, como el aire, el agua o los minerales, produciéndose una circulación ininterrumpida de materia, de elementos químicos como carbono, agua, azufre, nitrógeno, fósforo, etc. entre. estos medios inertes o inorgánicos y las. comunidades vivas.. En cada ecosistema existen conjuntos de seres vivos con necesidades y actividades complementarias, de forma que unos son productores, otros consumidores y otros descomponedores, lo que permite que se reciclen permanentemente los principales elementos necesarios para la vida, que haya una circulación cíclica de la materia.. Como conclusión, en la naturaleza, y dentro de ella en los diferentes ecosistemas, los desechos son constantemente reutilizados, por lo que no existen residuos, es decir que no existe lo que no posee utilidad, y todo es reciclado.. Durante siglos, las sociedades rurales han producido básicamente alimentos de fácil asimilación y descomposición, y bienes duraderos basándose en materias primas naturales (madera, cuero, algodón, lana, etc.) o escasamente transformadas (hierro, cerámica, yeso, cal, etc.), aprovechando la energía en cantidades reducidas. El residuo asi generado era escaso y fácilmente reciclable: restos de comida que se daba como alimentación al ganado, restos agrícolas o excrementos para abonar la tierra, etc.. Las sociedades urbanas han producido desde muy antiguo gran cantidad de residuos difíciles de reciclar, no tanto por su composición -no muy diferente de los procedentes de las áreas rurales- como por su cantidad.. Con la utilización en gran escala de la energía fácil del carbón y del petróleo para el transporte horizontal de alimentos y materias primas, y con la electricidad, particularmente para el transporte vertical en los ascensores, se da el gran paso para llegar a las elevadas concentraciones de población actuales basadas en una complicadísima tecnología transformadora de materias primas -las fábricas- de elevado.

(22) consumo y baja eficacia energética, pues emplean energías no renovables, y con gran producción de residuos. El desequilibrio natural del ser humano productor y consumidor, y no reciclador o descomponedor, llega al máximo en nuestras sociedades actuales, netamente productoras de residuos e incapaces de reciclarlos y devolverlos al medio sin agredirlo.. Al observar esta constante, se deduce que en lo que a residuos se refiere existe una correlación entre cantidades de producción industrial y consumo (Producto Nacional Bruto, renta per capita) y generación de residuos. Esta coincidencia es el resultado de un sistema productivo, común en todos los países y que se caracteriza por su escaso nivel de desarrollo técnico en cuanto a recuperación y reciclaje de los subproductos de la fabricación y de los objetos anticuados.. Los residuos que se generan están compuestos por materias primas en diferentes grados de transformación, que han sido transportados desde lugares cada vez más lejanos, extraídas a profundidades cada vez mayores en el caso de los minerales y obtenidas en condiciones cada vez más antinaturales las vivas, con el progresivo aumento de su coste económico y energético y la creciente pérdida de fertilidad de las tierras.. Al no ser devueltos a su lugar de origen ni recuperados para posteriores utilizaciones, y ser generados cada vez en mayores cantidades, se ha establecido un modelo económico de duración limitada, asociado al agotamiento más o menos próximo de los recursos, ya sean minerales, energéticos o productivos -tierra agrícola, forestales y masas de aguas.. Debido a la creciente generación de residuos, cada vez más abundantes en cantidad y peligrosos por su composición, es prácticamente imposible su recogida y tratamiento, ya sea para disminuir su peligrosidad, reciclarlos o almacenarlos sin riesgos, dado que unos residuos se generan en forma sólida, pastosa o líquida, pero otros se emiten a la atmósfera en forma de finísimas partículas sólidas en suspensión o bien en estado gaseoso.. Cada vez se generan más residuos de composición fisicoquímica ajena a los materiales existentes en la naturales, y a su peligrosidad, conocida unas veces y desconocida otras, se añade su no biodegradabilidad y comportamiento desconocido en el fiíturo, así como.

(23) la duración de su peligrosidad, muy por encima quizás de nuestra propia civilización, en el caso de algunos residuos radiactivos. Como consecuencia de lo anterior, el vertido sobre el entorno de las enormes cantidades de residuos produce daños irreparables en los ecosistemas a gran escala: contaminación de tierras, agua y aire, envenenamiento de animales y vegetales, etc., y repercute en la salud humana en el último extremo(l). 2.2 Residuos urbanos. A lo largo de la historia, el primer problema de los residuos sólidos, ha sido su eliminación, pues su presencia es más evidente que otro tipo de residuos y su proximidad resulta molesta. La sociedad solucionó este problema quitándolo de la vista, arrojándolo a las afueras de las ciudades, cauces de los ríos o en el mar, u ocuhándolo mediante enterramiento. El crecimiento acelerado de la población en los últimos años, asi como el proceso de industrialización han aumentado la generación de residuos. Hace 30 años, la generación de residuos por persona era de unos 200 a 500 g/hab/día, mientras que hoy se estima entre 500 y 1.000 g9/hab/dia. En los países desarrollados, esta cifra es dos a cuatro veces mayor. Pero el problema no radica solamente en la cantidad sino también en la calidad o composición que pasó de ser densa y casi completamente orgánica a ser voluminosa, parcialmente no biodegradable y con porcentajes crecientes de materiales tóxicos y en referencia a la producción de fango, Bontoux, L., Vega, M. y Papameletiou (1999) estúnan actualmente para la Unión Europea (EU) una producción de 6,5 millones de toneladas al año, y esperan que esta cifra alcance los 15-20 millones de toneladas para el año 2005. Los correspondientes aumentos en cada estado miembro de la UE van del 40 al 300 por ciento. Se entiende por residuo a todo aquello que se genera como consecuencia no deseada de una actividad humana y, en general, de cualquier ser vivo. Como cualquier proceso natural, el comportamiento de los residuos está gobernado por un conjunto de leyes de seguimiento general..

(24) La primera ley podría resumirse con la frase: "Yo soy, pues yo contamino". El ser vivo, para subsistir debe transformar de forma continua ciertos productos a su alcance en otros que pueda asimilar. Ello da lugar, tal como se ha dicho, a la generación de residuos. En realidad, esta primera ley se inspira en la segunda ley de la Termodinámica, la cual se puede enunciar de la siguiente manera: "Al convertir energía en trabajo, siempre se transfiere una cierta cantidad de energía residual hacia el entorno".. La segunda ley es, también, muy escueta en su enunciado: "El reciclado completo de un residuo es imposible". Una posible vía para reducir el impacto ambiental de los residuos es reciclarlos, utilizándolos para otras actividades. Para ello se requiere utilizar el residuo como materia prima. No obstante, de acuerdo con la primera ley, en todo proceso de conversión de materias primas a productos asimilables, se producen, inevitablemente, residuos.. La tercera ley, hace referencia a la gestión de los residuos tóxicos. El abandono de un residuo tóxico en el entorno, generado en la transformación de un producto determinado, debe implicar la conversión del contaminante en una sustancia que sea compatible con el medio.. No obstante, hay que señalar que el depósito de los residuos de forma absolutamente compatible con el medio es imposible. Esto constituye el argumento de la cuarta ley: "En cualquier forma ambientalmente aceptable de depósito de residuos, las pequeñas fugas de residuo son inevitables, aunque aceptables para el entorno, gracias a su capacidad autodepuradora". La consideración de esta ley es importante en el momento de diseñar procesos ideados para eliminar residuos, es decir, de transformarlos en otros inocuos para el medio, puesto que en el intento de acercarse a la inalcanzable meta del 100% de eliminación, los costes crecen de forma exponencial.. Para finalizar, la última ley, la quinta, manifiesta que es la naturaleza la que decide en última instancia qué residuos son ambientalmente aceptables y cuales no. Desde la aparición de la vida en nuestro planeta, la naturaleza se ha ido desarrollando de tal forma que ha aceptado la existencia de pequeñas cantidades de una gran variedad de sustancias. No obstante, la actividad humana, sobretodo a partir de la segunda mitad del 10.

(25) presente siglo, ha ido generando residuos cada vez en mayor cuantía, sobrepasando la capacidad de asimilación de la naturaleza. Sin embargo, el término de residuos es más apropiado que el de desechos o basura. El diccionario de la Real Academia Española define residuos como: lo que resulta de la descomposición o destrucción de una cosa, parte o porción que queda de una cosa. Históricamente el problema de los residuos domésticos aparece con el nacimiento de la ciudad. Con las concentraciones humanas se empiezan a producir las primeras aglomeraciones de residuos que requieren un transporte al exterior de los núcleos urbanos. El concepto de residuos está definido de diversas formas distintas. Así la O.C.D.E. (Organización de Cooperación y Desarrollo Económico) define a los residuos como "aquellas materias generadas en las actividades de producción y consumo que no alcanzan, en el contexto en que son producidas, ningún valor económico", ello puede ser debido a la inexistencia de tecnología adecuada para su aprovechamiento, como a la inexistencia de mercado para los productos recuperados. La Ley española 42/1975, de 19 de noviembre, sobre desechos y residuos sólidos urbanos define como tales los producidos como consecuencia de las siguientes actividades: •. domiciliarias.. •. comerciales y de servicios.. •. sanitapías en hospitales, clínicas y ambulatorios.. •. limpieza viaria, zonas verdes y recreativas.. •. abandono de animales muertos, muebles, enseres y vehículos.. •. industriales, agrícolas, de construcción y obras menores de reparación domiciliaria, que se produzcan en las zonas clasificadas como urbanas y urbanizables.. •. en general, todos aquellos residuos cuya recogida, transporte y almacenamiento o eliminación, corresponda a los Ayuntamientos de acuerdo con lo establecido expresamente en la Ley de Régimen Local y demás disposiciones vigentes.. 11.

(26) El conocimiento de la composición de los residuos domésticos tiene gran importancia para la toma de decisiones en la elección del sistema de tratamiento. La composición es enormemente variable, influyendo en la misma factores muy diversos. Se puede decir que la composición de los R.S.U. es consecuencia de:. -. Las características de la población: Según la población sea urbana o rural, tenga áreas residenciales, sea o no zona turística o industrial, etc.. -. La época de producción de los residuos: El clima y las estaciones influyen en la composición de los residuos; en verano se suelen consumir más frutas y verduras, en invierno se producen más escorias y cenizas.. -. El status o nivel social de la población: El modo y nivel de vida influyen tanto en la composición como la cantidad.. -. Los hábitos de consumo (especialmente el alimenticio): Los hábitos de consumo además de depender del nivel de ^dda van variando con el tiempo, apareciendo en el mercado productos alimentarios ya preparados cuyo consumo aumenta día a día.. -. Otros: Tipo de producción agraria, estructura económica del entorno y motivaciones exteriores de consumo(26).. Los residuos domiciliarios se dividen en dos grandes grupos: los orgánicos y los inorgánicos. Los orgánicos son todos aquellos de origen biológico, que en algún momento tuvieron vida; es decir, todo aquello que nace, vive, se reproduce y muere. Greneralmente están compuestos de desperdicios de la comida, la cocina y restos de plantas y vegetales. Los residuos inorgánicos están constituidos por materiales no biodegradables: vidrio, papel, plástico, metales, etc(25).. Para obtener una aproximación a la composición típica de los RSU, se presenta a continuación una sucesión de cuadros con datos de composición de residuos en una ciudad, como Madrid.. 12.

(27) Tabla 2.1 Composición de los RSU en Madrid.. ]fóft!8!«i6íxsad€aa^ {%). Ctfixpmm^ Metales. 3,73. Vidrio. 6,60. Tierra. 0,25. Desechos aümeotarios. 49,36. Papel. 14,58. Cartón. 5,69. Plástico. 12,90. Madera. 0,07. Goma. 0,42. Textil. 3,55. Pilas. 0,2. Otros. 2,65. TOTAL. 100,00. Fuente: Anuario Estadístico Año 1996. Ayuntamiento de Madrid. Tabla 2.2 Densidad media de los RSU en Madrid.. Beg&fsgpedfico0ri^BE3) * Metales. 320 (Al: 160). Vidrio. 196. Tierra. 481. Desechos atímenfarios. 291. Papel. 89. Cartón. 50. Plástico. 65. Madera. 237. Goma. 131. Textil. 65. Pilas. 300. Otros. 131. Fuente: Anuario Estadístico Año 1996. Ayuntamiento de Madrid. * Datos tomados de Tchobanoglus, G., 1.996.. 13.

(28) Tabla 2.3 Composición química media de los residuos urbanos en Madrid.. <}Q&9^P@]£&B£eS. %C. ; %m. %02. %m. i %s :. MÊÍás v d Ü b s .. Metales. 4,5. 0,6. 4,3. 0,05. 0,01. ~. Vidrio. 0,5. 0,1. 0,4. <0,1. -. 0,4. JD££sed;»s ffl^^mccHi. m,ú. ^'"". 3%6. 2J&. ^. Cartón y papel. 43,4. 5,9. 44,8. 0,3. 0,2. 77,5. Plásticos. 60,0. 7,2. 22,8. -. -. 95,8. Madera. 49,5. 6,0. 42,7. 0,2. <o,i. 68,1. Gomas. 69,7. 8.7. ~. ~. 1,6. 93,9. Textiles. 48,0. 6,4. 40,0. 2,2. 0,2. 66,0. Cueros. 60,0. 8,0. 11,6. 10,0. 0,4. 68,5. .. Tabla 2.4 Relación C/N de los residuos urbanos en Madrid.. €»^ês|^. %afe?^áí0^fi|6. ^ i ^ ^ C ^. Metales. —. —. Vidrio. 0,40. 34,0. Cenizas. —. —. :Siesí?^fl«<*gfeSc(:^. xm. ts,s. Cartón y papel. 12,3. 15,5. Plásticos. 2,0. 13,6. Madera. 11,3. 7,5. Gomas. 4,9. 7,5. Textiles. 17,5. 20,4. Cueros. 12,5. 9,1. 14. 21,4.

(29) Tabla 2.5 Rechazo medio de los residuos urbanos en Madrid.. %m^é^0mi&íá.. C^ss^psi^^ Metales. 90,5. Vidrio. 98,9. Ceni2as. 100,0. íS^Ssesáfe^^rgÉEáííDS. S,Ó''. Cartón y papel. 6,0. Plásticos. 10,0. Madera. 1,5. Gomas. 20,0. Textiles. 3,2. Cueros. 10.0. Tabla 2.6 Humedad media de los residuos urbanos en Madrid.. !. ^. OSíRpCÉîfeS. %SdS96g^&l^^. Metales. 2,5-6. Vidrio. 2,5 -10. Cenizas. 2-6. DÍ;Í©EÉ!^<»'ÊÉC^. m-m. Cartón y papel. 15-30. Plásticos. 3-12. Madera. 0,1-4. Gomas. 0,1-1. Textiles. 1,2-3. Cueros. 0,1-1. TOTAL. 100,0. 15. T*p0. ¿í^siS^Mo. No combustible. 7-22. F^í«*^. m-m. Combustible. 19,5-51. 100,0.

(30) Tabla 2.7 Composición química media de los residuos urbanos en Madrid.. %c.. ' €ojsîms^í^. :. %E2. %02. %m. %s. ^«^^^^nssvcláil^ .. Metales. 4,5. 0,6. 4,3. 0,05. 0,01. -. Vidrio. 0,5. 0,1. 0,4. <0,1. -. 0,4. JDCSSCÉSS {HîSÉEXS.. 4m. «^. 37,é. 2,«. ^. Cartón y papel. 43,4. 5,9. 44,8. 0,3. 0,2. 77,5. Plásticos. 60,0. 7,2. 22,8. ~. -. 95,8. Madera. 49,5. 6,0. 42,7. 0,2. <0,1. 68,1. Gomas. 69,7. 8.7. -. -. 1,6. 93,9. Textiles. 48,0. 6,4. 40,0. 2,2. 0,2. 66,0. Cueros. 60,0. 8,0. 11,6. 10,0. 0,4. 68,5. ,. '. 21,4. Tabla 2.8 Poder calorífico de los residuos urbanos en Madrid.. C^^êai^. Fe^<^1^5<s&0£C^^0. Metales. 167. Vidrio. 47. Cenizas. -. LDcsecÉsQis c«Egá^&@s:. vm. Cartón y papel. 3.912. Plásticos. 7.834. Madera. 3.689. Gomas. 6.050. Textiles. 4.422. Cueros. 4.167. Por otra parte, definiremos como fangos los subproductos generados en el proceso de tratamiento de las aguas residuales, y están constituido por una fase liquida y otra sólida, cuyo origen es la acumulación de materia contaminante que ha sido adicionada al agua por actividades antropogénicas y/o naturales.. Degrémont 1979 ha diferenciado seis tipos de fangos en ftinción de sus características; estructurales, químicas y composición.. 16.

(31) Fangos de tipo orgánico-hidrófilo.- Estos tipos de fangos son ios propiamente denominados fangos de las estaciones de aguas residuales, aunque también, presentan esta estructura los procedentes de industrias agrícolas, alimentarias, textiles, química orgánica. Se trata de fangos compuestos por:. -. materias proteicas a veces muy fermentadas. -. residuos vegetales o animales aceites y grasas animales. -. hidróxidos hidrófilos (Al y Fe). -. hidrocarburos. Fangos de naturaleza aceitoso-hidrófilo.- Este tipo de fangos son los procedentes de refinerías, talleres mecánicos e industrias metalúrgicas. Están compuestos principalmente por:. -. aceites y grasas minerales. -. hidrocarburos. -. hidróxidos de aluminio y hierro. -. materia orgánica biológica. Fangos de naturaleza aceitoso-hidrófobo.- Estos fangos proceden de aguas residuales de siderúrgicas. Están compuestos principalmente por:. -. materia seca, densa y sedimentables. -. aceites y grasas minerales como composición predominante. Fangos de naturaleza mineral-hidrófila.- Estos fangos proceden de procesos de tratamiento de aguas potables, de aguas residuales de la industria química, de los colorantes, tintes, curtiduría y tratamientos de superficies metálicas. Están compuestos principalmente por:. -. hidróxidos metáUcos hidrófilos (Fe, Al y Cr). -. materias orgánicas. -. CaCOs o CaS04 17.

(32) -. ". grasas animales y materias orgánicas. Fangos de naturaleza mineral-hidrófobo.- Procedentes de incineración de basura y siderúrgicas principalmente. Están compuestos principalmente por:. •. -. materias minerales densas. -. contenidos en hidróxidos hidrófilos (Fe, Al y Mg). -. materia orgánica en bajo contenido. Fangos de naturaleza fibrosa.- Proceden de las aguas residuales de la industria papelera (pasta de papel y cartón). Se componen principalmente de fibra celulósica (7).. La tecnología más común para el tratamiento de aguas residuales, aplicada en Europa, es é[ proceso de fangos activos, un proceso biológico que consume grandes cantidades de energía y genera grandes cantidades de lodos orgánicos. Esto lodos, separados del agua tratada en la última etapa del proceso, contiene más del 93 por ciento de agua y son altamente biodegradables. Para faicilitar el manejo y la eliminación de los lodos se suelen aplicar procesos de desecación.. Conseguir una óptima disposición de los lodos es un problema complejo y aun más, el determinar el sitio idóneo para su disposición final, por lo que una alternativa de solución es el establecer un sistema de tratamientos que permita su reuso y/o disminución de: - riesgo potencial por compuestos orgánicos, - contaminación presencia y concentración de elementos tóxicos (metales pesados entre otros).. Si bien la existencia de los lodos residuales es en sí un problema, debido a su generación en las plantas depuradoras de agua, éste se incrementa al ser multiplicado por el número de plantas y por la calidad de los procesos a las que son sometidas las aguas residuales, que cada vez son más eficientes. A los problemas antes mencionados, habrá que añadirle uno más, la normativa tan dispar que existe en el ámbito mundial. Si bien hay que describir las diferentes problemáticas a las que nos enfi-entamos al tratar de darles un uso adecuado a los lodos, cabe también mencionar las bondades que ellos 18.

(33) presentan al ser considerados como un recurso, un recurso que presenta enormes ventajas, como: cantidad, altas concentraciones de materia orgánica, presencia de elementos metálicos útiles a la agricultura como macro y microelementos, mejorador de las característicasfísicasy químicas de los suelos, mejorador de suelos desérticos, etc. Además, es de mencionar su alto contenido de materia orgánica (hasta el 80% en fangos frescos y 65% en fangos digeridos) y nutrientes esenciales como nitrógeno, potasio, fósforo, etc., además de otras propiedades físicas y químicas, siempre y cuando se cumplan la normativa Un punto de partida es la caracterización y composición de los lodos, mismos que han sido ampliamente investigados por Hernández Muñoz, 1998 (3), en el Laboratorio de Ingeniería Sanitaria y Ambiental de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos de la Universidad Politécnica de Madrid, y reportados en la siguiente tabla: Tabla 2.9 Caracterización y composición de lodos. j^êassÉEDS. Ijoáas^saewafm. Loá(%ssê^tdE»É^. Loá^^gÊJái^^. pH. 5.5-6.5. 6.5-7.5. 6.8-7.6. Contenido en el agua (%). 92-96. 97.5 - 98. 94-97. S.S.V(%). 70-80. 80-90. 55-65. Grasas (%S.S.). 12-14. 3-5. 4-12. Proteínas (%S.S.). 4-14. 20-30. 10-20. Carbohidratos (%S.S.). 8-10. 6-8. 5-8. Nitrógeno(%S.S.). 2-5. 1-6. 3-7. Fósforo (%S.S.). 0.5-1.5. 1.5-2.5. 0,5-1.5. Bacterias patógenas (n7100 mi). 10' - 10'. 100 - 1000. 10 - 100. Metales pesados(%S.S.)(Zn, Cu, Pb). 0.2-2. 0.2- 2. 0.2-2. Fuente: Hernández Muñoz. 1998 (3). 19.

(34) Tabla 2.10 Composición y caracterización de los lodos de depuradoras en Madrid, España Paatócfejs PH Grasas y aceites (%M.S.) Proteínas (%M.S.) Nitrógeno (%M.S.) Fósforo (%M.S.) Potasio (%M.S.) C/N D.Q.O./S.S.V. D.B.O5./S.S.V.. Lsáo&pEHsmes 5-8 6-35 20-30 1.5-4.0 0.8-2.8 0-1 1.2-1-6 0.5-1.1. Fuente: Hernández Muñoz. 1998 (3). loíh&ss^miáíífso'Si 6.5-8 5-12 32-41 2.4-6.7 2.8-11 0.41-0.70 5.7-14.6 2.17. iVI[.S.: materia seca. 2.3 Problemática de los residuos. La problemática que plantean los RSU como consecuencia de su incremento y las implicaciones sobre la contaminación ambiental y el agotamiento de los recursos naturales, hace que sea esencial la búsqueda de caminos para su gestión correcta desde el punto de vista ambiental y social.. La relación entre la salud pública y el almacenamiento, recogida y evacuación inapropiados de residuos sólidos es evidente. Las autoridades de la salud pública han demostrado que las ratas, las moscas, y otros transmisores de enfermedades se reproducen en vertederos incontrolados. El Servicio de Salud Pública USA ha publicado los resultados de un estudio, relacionando 22 enfermedades humanas con la gestión incorrecta de residuos sólidos.. Fenómenos ecológicos, tales como la contaminación de aire y del agua, han sido atribuidos también a la gestión inapropiada de los residuos sólidos, por ejemplo, el lixiviado de basureros y vertederos mal diseñados han contaminado las aguas superficiales y subterráneas. (Tchobanoglous et al. 1996).. Cada ciudadano genera por término medio 1 kg. de residuos sólidos al día (365 kg. por persona y año). Estos residuos domésticos van a parar a vertederos e incineradoras. Buena parte de estos RSU, el 60 por ciento del volumen y 33 por ciento del peso de la. 20.

(35) bolsa de basura, lo constituyen envases y embalajes, en su mayoría de un solo uso, normalmente fabricados a partir de materias primas no renovables, o que aun siendo renovables se están explotando a un ritmo superior al de su generación (p. ej., la madera para la fabricación de celulosa), y difícilmente reciclables una vez utilizados. A lo anterior tenemos que añadir que en el hogar también se producen residuos derivados de pinturas, disolventes, insecticidas, productos de limpieza, etc., considerados residuos peligrosos porque suponen un riesgo importante para la salud o el medio ambiente, pese a que solo representan un pequeño porcentaje de los RSU. Todos estos residuos sólidos pueden ser llevados a vertederos, pero ocupa mucho terreno y contamina suelos y aguas. Incinerarlos tampoco es la solución, pues se emiten contaminantes atmosféricos y se producen cenizas y escorias muy tóxicas. La generación de RSU tiene una triple repercusión medioambiental: contaminación, desperdicio de recursos y necesidad de espacios para su disposición. Antiguamente, las basuras (RSU) no eran un motivo de preocupación, ya que su eliminación se producía de forma más o menos natural. Incluso hoy día la eliminación de los RSU en algunos municipios rurales no constituye un problema, al realizarse directamente a través de la actividad agrícola y ganadera, o bien en los fogones de las cocinas caseras, aprovechando además las cenizas para el campo, lo que puede considerarse como uno de los procedimientos más primitivos. Los RSU, al ser acumulados o abandonados de una forma incontrolada, crean una evidente problemática ambiental, ya que al no tomar las medidas preventivas oportunas contaminan los medios receptores (aire, suelos y aguas), afectando de una forma importante al paisaje, con la consiguiente depreciación del terreno y deterioro del entorno. Cabe destacar tres aspectos importantes en esta problemática ambiental de los RSU: • Los riesgos sanitarios, es decir, los posibles riesgos de contraer o transmitir enfermedades o lesiones a través del contacto con estas, si no se recogen y eliminan 21.

(36) adecuadamente.. Los depósitos incontrolados de basuras producen. olores. desagradables y riesgos para la salud de las personas, debido a la presencia de cantidades de roedores, insectos y otros agentes portadores de enfermedades.. •. Los depósitos de RSU y los vertederos incontrolados producen impactos negativos sobre los cuerpos de agua del entorno, ya que los líquidos lixiviados pueden alcanzar y contaminar fuentes superficiales o subterráneas de agua potable o de riego agrícola, así como cuerpos de agua de interés para la acuicultura y el turismo.. •. El deterioro del entorno que producen las grandes acumulaciones de RSU dispersas en el territorio de forma incontrolada. Se producen molestias a las personas que viven en las proximidades por la presencia de polvo, papeles y plásticos que se extienden por los alrededores al seír transportados por el viento (22).. Cantanhede, A. (1996), establece que la cantidad diaria de RSU que se genera (1995) en América Latina asciende a 275.000 toneladas. Se estima que solo 75 por ciento es recolectada, y de ella solo 30 por ciento se dispone en vertederos: Predominan los vertidos incontrolados con quema indiscriminada de desechos y sin tratamiento de lixiviados, situados muchas veces en áreas densamente pobladas. Para recolectar y disponer esta basura se necesita una flota de 28.000 camiones recolectores y 350.000 m^ diarios de espacio para enterrarla sanitariamente.. Para el año 2000, la población urbana de Latinoamérica será aproximadamente 405 millones de habitantes (355 millones en 1995) lo que implica una mayor demanda de servicios, la necesidad de triplicar la actual capacidad operacional de los sistemas de manejo y"' creciente disponibilidad de recursos económicos, institucionales y de personal.. Los residuos sóhdos y semisólidos de agua, aguas sucias e instalaciones de tratamiento de residuos municipales e industriales son llamados residuos de plantas de tratamiento (2). A causa de las características físico-químicas del proceso de lodos activados, el lodo tiende a acumular una serie de metales y compuestos orgánicos. Esta propiedad es una 22.

(37) ventaja, cuando se considera la calidad del agua residual tratada, pero hace que la calidad del lodo dependa, fiíndamentalmente, de cuatro grupos de contaminantes:. a) Metales: Principalmente zinc (Zn), cobre (Cu), níquel (Ni), cadmio (Cd), plomo (Pb), mercurio (Hg) y cromo (Cr). Su potencial de acumulación en los tejidos humanos y su biomagnificación en la cadena alimentaria suscitan preocupaciones, tanto medio ambientales como sanitarias. Los metales están siempre presentes, a concentraciones bajas, en las aguas residuales domésticas, pero las concentraciones preocupantes son sobre todo las que se encuentran en las aguas residuales industriales.. b) Nutrientes importantes de las plantas: Son el nitrógeno y el fósforo. Su peUgrosidad radica en su potencial de eutroficación para las aguas subterráneas y superficiales. Sin embargo, se pueden considerar como fertilizantes valiosos, y su principal valor para la agricultura reside en su alto contenido en materia orgánica. En las áreas sensibles identificadas, la directiva sobre aguas residuales exige un tratamiento terciario de éstas (eliminación de los nutrientes). Estos tratamientos también producen lodos, siempre con alto contenido en nutrientes y de distintas naturaleza según el proceso utilizado.. c) Contaminantes oi^ánicos: Los plaguicidas, los disolventes industriales, los colorantes, los plastificantes, los agentes tensoactivos y muchas otra moléculas orgánicas complejas, generalmente con poca solubilidad en agua y elevada capacidad de adsorción, tiende a acumularse en los lodos. Incluso están presentes en los lodos residuales de hidrocarburos aromáticos polinucleares, procedentes de la combustión de los combustibles fósiles. Todos ellos son motivo de preocupación por sus efectos potenciales sobre el medio ambiente y, en particular, sobre la salud humana. Una característica específica de este tipo de contaminantes, en comparación con los dos anteriores, es su (variado) potencial de biodegradación lento, pero significativo. Por tanto, los sistemas biológicos de tratamiento de aguas residuales, con tiempos de residencia más largos, tendrán una mayor capacidad de biodegradar estos compuestos indeseables. La biodegradación también puede ocurrir después de esparcir los lodos en la tierra o durante el composting.. 23.

(38) d) Agentes patógenos: Los agentes patógenos más importantes que existen en el agua y que se han encontrado en los lodos son las bacterias (como la Salmonella), los virus (sobre todo, enterovirus), los protozoos, los tremátodos, los cestodos y los nematodos. Como resultado, para que cualquier vertido de los lodos sea seguro se precisa la eliminación, o al menos una inactivación suficiente, de estos agentes patógenos. A este fin, se pueden aplicar a los lodos una serie de tratamientos, como la pasteurización, la digestión aerobia o anerobia, el composting, la estabilización con cal, el almacenamiento en estado líquido y la desecación y el almacenamiento en seco(23). Si bien, la composición de lodos residuales municipales ha sido ampliamente estudiada por varios investigadores como: Berrow et. al. 1972 (19), Blakeslee 1973 (24), Sommers et. al. 1976 (25), CoUn et. al. 1989 (26), entre otros. Todos establecen que la composición de la materia orgánica, en peso seco de lodo, es de 40 % a 60 %. Existen sin embargo pocos estudios antes de la década de los 80,. que presenten una. identificación de los tipos y concentraciones de los compuestos orgánicos presentes en los lodos residuales. Esencialmente la materia orgánica presente en el lodo residual, está formado por células bacterianas, virus, quistes, huevecillos de parásitos, etc., que representan un riesgo para la salud. Por lo que, en 1981, la Organización Mundial de la Salud (OMS), y Chada 1984 (27), sugirieron que la Salmonella, Shigella y Taenia saginata deberían de incluirse como organismos de riesgo en la evaluacic»n de los lodos residuales. Jelinke y Braude 1976 (28) añadieron también a esta lista a Mycobacterium turbeculosis, huevecillos de Ascaris lumbricoides y otros parásitos, así como virus, que pueden desarrollarse en los lodos. Otros estudios han demostrado, como los de Strauch 1989 (29), que en la microbiología de lodos tratados por diferentes procesos (digestión biológica, pasteurización, compostaje, estabilización química y filtro prensa) encontró ciertos organismos potencialmente indicadores de desinfección pero no la destrucción total, junto con resistencias a variaciones de pH, temperatura y algunos reactivos químicos. Tal estudio 24.

(39) incluye a organismos aerobios totales, coliformes totales, coliformes fecales, enterobacterias, estreptococos, virus y salmonelas. Por lo anterior, es importante tomar los comentarios que presentan los estudios epidemiológicos de los lodos residuales de Golueka 1983 (30) - y que sean a partir de éstos - que se desprenda la posibilidad de reciclar, usar o disponerse adecuadamente. Es decir, para obtener una mejor calidad microbiana hay que desinfectar (ausencia de microorganismos patógenos: bacterias, hongos, virus y parásitos) dichos residuos. Los organismos patógenos en un lodo presentan características muy diferentes en función del tipo de microorganismo y su tiempo de supervivencia y las enfermedades que puedan producir, tal y como se pueden ver en la siguiente tabla. Tabla 2.11 Principales microorganismos patógenos presentes en lodos. fi. '. ]^^^<lÉb^«3KlÊ»3»eEH3M. Grupo. Género. Enfermedad. Bacterias. Salmonella. Tifus, paratifus, enteritis. Shigella. Disenteria, paradisenteria. Escherichia. Enteritis, (origen patógeno). Vibrios. Cólera, paracólera, enteritis. Clostridium. Gangrena, tétano, botulismo. Leptospira Mycobacterium. Leptospirosis Tuberculosis, tuberculosis atípica. Poliovirus. Poliomielitis, enteritis. Coxackievirus A. Dolores de cabeza y musculares. Coxackievirus B. Náuseas, meningitis. Echovirus. Diarreas, hepatitis. Adenovirus. Fiebre,. Virus. infecciones. respiratorias,. conjuntivitis, afecciones nerviosas.. Protozoos. Tremátodos. Rotavirus. Gastroenteritis infantil. Reovirus. Gripe, diarreas, virus. Hepatitis virus A. Hepatitis aguada o crónicas. Entamoeba. Disentería amebiana. Giardia. Amebiasis o disenteria amebiana. Schistosona. Equistosomiasis. 25. enteritis,.

(40) Céstodes. Taenia. Tenia, isticercosis. Nemátodos. Ascaris. Ascarisis. Artcylostoma. Anquilostomiasis. Fuente: Hernández Muñoz. 1998 (3). 2.4 Tratamientos de los residuos: alternativas. 2.4.1 Tratamiento de Residuos Sólidlos.. El rango más alto de la jerarquía de la gestión integral de residuos sólidos, corresponde a la reducción en origen, la cual implica reducir la cantidad y/o toxicidad de los residuos que son generados en la actualidad. La reducción en origen está en primer lugar, porque es la forma más eficaz de reducir la cantidad de residuo, el coste asociado a su manipulación y los impactos ambientales. La reducción de residuos puede realizarse a través del diseño, la fabricación y el envasado de productos con un material tóxico mínimo, un volumen mínimo de material, o una vida útil más larga. La reducción de residuos también puede realizarse en la vivienda y en la instalación comercial o industrial, a través de formas selectivas. y de la reutilización de productos y. materiales(24).. En segundo lugar en la jerarquía está el reciclaje, que implica: 1) la separación y la recogida de materiales residuales; 2) la preparación de estos materiales para la reutilización, el procesamiento, y la transformación en nuevos productos, y 3) la reutilización, reprocesamientos, y nueva fabricación de productos. El reciclaje es un factor importante para ayudar a reducir la demanda de recursos y la cantidad de residuos que requieran la evacuación mediante vertido.. En tercer lugar de la jerarquía se encuentra la transformación de residuos; ésta implica la alteración física, química o biológica de los residuos. Típicamente, las transformaciones físicas, químicas y biológicas que pueden ser aplicadas a los RSU son utilizadas 1) para mejorar la eficacia de las operaciones y sistemas de gestión de residuos, 2) para recuperar materiales reutilizables y reciclables, y 3) para recuperar productos de conversión (por ejemplo, compost), y energía en forma de calor y biogás combustible. La transformación de materiales de los residuos normalmente da lugar a. 26.

(41) una mayor duración de la capacidad de los vertederos. La reducción del volumen de residuos mediante la combustión es un ejemplo bien conocido. Por último, hay que hacer algo con 1) los residuos sólidos que no pueden ser reciclados y no tienen ningún uso adicional, 2) la materia residual que queda después de la separación de residuos sólidos en una instalación de recuperación de materiales, y 3) la materia residual restante después de la recuperación de productos de conversión o energía. Solo hay dos alternativas disponibles para la manipulación a largo plazo de residuos sólidos y materia residual: evacuación encima o dentro del manto de la tierra y evacuación en el fondo del océano. El vertido, en la cuarta posición de la jerarquía de la gestión integral de residuos sólidos, implica la evacuación controlada de residuos encima o dentro del manto de tierra, y es con mucho el método más común para la evacuación final de residuos y esta en la parte más baja de la jerarquía por que es la forma menos deseada por la sociedad de tratar los residuos. Se considera oportuno describir con más detalle del tercer lugar de esta jerarquía, que corresponde a transformación de residuo, con el propósito de introducirnos en los principales procesos de transformación que se pueden utilizar para la gestión de los RSU. Estas transformaciones pueden producirse por la intervención del hombre o por fenómenos naturales. Los residuos sólidos pueden transformarse por medios físicos, químicos y biológicos. Las principales transformaciones físicas que pueden producirse en la operación de sistemas de gestión de residuos sólidos incluyen 1) separación de componentes, 2) reducción mecánica de volumen, y 3) reducción mecánica de tamaño. Las transformaciones físicas no implican un cambio de fase (por ejemplo, sólido a gas), al contrario que los procesos de transformaciones químicas y biológicas. Las transformaciones químicas de los residuos sólidos normalmente implican un cambio de fase (por ejemplo, sólido a líquido, sólido a gas, etc.). Para reducir el volumen y/o recuperar productos de conversión, los procesos utilizados principalmente para transformar los RSU son: 1) combustión (oxidación química), 2) pirólisis, y 3) gasificación. Estos tres procesos a menudo se clasifican como procesos térmicos.. 27.

(42) Tabla 2.12 Procesos de transformación utilizados en la gestión de RSU.. frmsméeite'Mtiñmma^ÉSia. Físico. M^di» « atÉSEfiia de. Separación de componente. Separación manual y/o mecánica. Reducción en volumen Reducción de tamaño. Aplicación de energía en forma de fuerza o presión Aplicación de energía en forma de trituración. Combustión. Oxidación térmica. Pirólisis. Destilación destructiva. Gasificación. Combustión con defecto de aire. Aerobio. Conversión biológica aerobia. Químico. Biológico Digestión anaerobia (baja 0 alto contenido en sólidos) Compostaje Anaerobio. Conversión biológica anaerobia. Conversión biológica anaerobia. Componentes individuales encontrados en los residuos urbanos no seleccionados Reducción del volumen de los residuos originales Alteración de la forma y reducción de tamaño de los componentes residuales originales Dióxido de carbono (CO2), dióxido de azufre (SO2) y otros productos de oxidación Una corriente de gas que contiene una variedad de gases, alquitrán y/o aceite y un combustible carbonoso Un gas de bajo poder calorífico, un combustible que contiene carbono e inertes originalmente en el combustible, y aceite pirolítico Compost (material húmico utilizado como acondicionador de suelo) Metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), trazas de otros gases, humus 0 fangos digeridos. Metano (CHU), dióxido de carbono (CO2), residuos digeridos.. Fuente: Adaptada de Tchobanoglous, George etal. 1999.. Las transformaciones biológicas de la fracción orgánica de los RSU se pueden utilizar para reducir el volumen y el peso del material; para producir compost, un material similar al humus que se puede utilizar como acondicionador del suelo, y para producir metano. Los principales organismos implicados en las transformaciones en las transformaciones biológicas de residuos orgánicos son bacterias, hongos, levaduras y actinomicetos.. Estas. transformaciones. pueden. realizarse. aerobiamente. o. anaerobiamente, según la disponibilidad de oxígeno. Las principales diferencias entre la conversión aerobia y anaerobia están en la naturaleza de los productos finales, y en el hecho de que sea necesario suministrar oxígeno para realizar la conversión aerobia. Los procesos biológicos que se han utilizado para la conversión de la fracción orgánica de. 28.

(43) los RSU son: el compostaje aerobio, la digestión anaerobia y la digestión anaerobia de sólidos en alta concentración. En la siguiente tabla se resumen todos los tratamientos descritos:. 2.4.2 Tratamiento de fangos La situación actual de producción de lodos llevará a una solución comprendida entre las dos alternativas extremas siguientes: • Los lodos son un producto no deseado que sólo presenta problemas. • La situación actual social, técnica y económica, exige la reutilización de los lodos, buscando su uso posterior como abono, o bien buscando su potencial energético. No debe olvidarse que, bien de forma natural o artificial, son los millones de microorganismos existentes en los lodos con su actividad metabólica los que garantizan los ciclos esenciales de nitrógeno y carbono, dentro de unas condiciones de presión y temperatura, y de unas características en las aguas, que no impidan la acción enzimática. Dentro de los criterios de valoración, deben establecerse todos los condicionantes que permitan contrastar la idoneidad de la solución adoptada. Se establecerán limitaciones tales como: • Limitaciones en la disposición en vertederos controlados. • Limitaciones de vertido de lodos a cauces superficiales o al mar. • Limitaciones del vertido y tratamiento, en relación con las condiciones ambientales. •. Condiciones de los lodos para su estabilización aerobia.. • Condiciones de los lodos para su digestión anaerobia. • Limitaciones en el proceso de deshidratación, según técnicas, según usos, y según posibilidades de transporte. • Limitaciones a la combustión del fango. • Limitaciones de los lodos para su compostaje con los residuos sólidos urbanos.. 29.

(44) • Los condicionantes del suelo al lodo previsto como abono, con utilización esporádica o continuada. • Limitaciones técnicas, sociales y políticas. La formulación de las políticas alternativas queda plasmada en la siguiente tabla que a continuación se presenta, donde aparecen los métodos principales de tratamiento y eliminación de los lodos procedentes ele las aguas residuales y de su depuración. Existen, dos soluciones generales básicas, o bien se tiende a una recuperación, o bien se tiende a una estricta eliminación sin recuperación alguna. De esta consideración surgen las primeras alternativas en el proceso de lodos(3). Tabla 2.13 Solución a adoptar y alternativa de tratamiento. ^kíi^Síitii^éúpí». ttMm^mbi^. Utilización en agricultura como. Digestión aerobia. Digestión anaerobia. abono Recuperación de terrenos. Digestión aerobia. Digestión anaerobia. agotados Recuperación. Recuperación de energía. Incineración. eléctrica, mecánica y calorífica. Eliminación sin. Compostaje. Sin digestión. Vertido al mar. Sin digestión. Digestión aerobia. Digestión. recuperación. anaerobia Vertido a im cauce supe;rficial.. Digestión aerobia. Digestión anaerobia.. Relleno de terrenos,. Sin digestión. escombreras. Fuente: Adaptac O de Hernández, Aurelio, 19S)8.. Una posibilidad, en la secuencia de procesos considerados es la reducción de las cantidades de compuestos orgánicos y volátiles contenidos, es sometiendo los lodos a una digestión. El lodo resultante de la digestión, con un contenido considerablemente inferior de materia orgánica, se reconoce como lodo estabilizado. Los objetivos principales de la estabilización son: 1) Reducción o eliminación de olores molestos; 2) Reducción del volumen de líquido o peso de sólidos a tratar en operaciones sucesivas; 3) Reducción de los microorganismos patógenos en los lodos. 30.