Compostaje de lodos de EDAR en presencia de zeolitas sintetizadas a partir de cenizas volantes

Dep. Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2015 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Química Compostaje de Lodos de EDAR en Presencia de Zeolitas Sintetizadas a partir de Cenizas Volantes Autor: Santiago López Camacho Tutores: Constantino Fernández Pereira Emilia Otal Salaverri Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Química Compostaje de Lodos de EDAR en Presencia de Zeolitas Sintetizadas a partir de Cenizas Volantes Autor: Santiago López Camacho Tutores: Constantino Fernández Pereira Catedrático Emilia Otal Salaverri Profesora titular Dep. Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2015 Trabajo Fin de Grado: Compostaje de Lodos de EDAR en Presencia de Zeolitas Sintetizadas a partir de Cenizas Volantes El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2015 El Secretario del Tribunal Autor: Santiago Lopez Camacho Tutores: Constantino Fernández Pereira Emilia Otal Salaverri A mi familia A mis profesores vii Índice de Tablas Tabla 1.1: Microorganismos en el proceso de compostaje ............................................... 4 Tabla 1.2: Valores límites de metales pesados en lodos ................................................ 12 Tabla 1.3: Tipos de sistemas de compostaje................................................................... 15 Tabla 1.4: Cuadro comparativo entre los sistemas de compostaje ................................. 16 Tabla 1.5 : Valores de los parámetros principales de un compost según RD 506/2013 25 Tabla 1.6: Valores de los parámetroos principales de un compost según FdR .............. 26 Tabla 1.7: Valores límites en metales pesados ............................................................... 27 Tabla 3.1: Parámetros agrónómicos principales de los lodos generados en España ...... 32 Tabla 3.2: Condiciones durante la reacción.................................................................... 33 Tabla 3.3: Condiciones durante la filtración .................................................................. 33 Tabla 3.4: Condiciones de lavado................................................................................... 33 Tabla 3.5: Características del aislante térmico ............................................................... 35 Tabla 3.6: Matriz de ensayo ........................................................................................... 36 Tabla 3.7: Características de la balanza de precisión ..................................................... 37 Tabla 3.8: Características de la estufa de secado............................................................ 41 Tabla 3.9: Características del conductivímetro .............................................................. 42 Tabla 3.10: Características del pH-metro ....................................................................... 43 Tabla 3.11: Características de la balanza analítica ......................................................... 44 Tabla 3.12: Característica de la placa calefactora .......................................................... 44 Tabla 3.13: Características de la bomba de vacío .......................................................... 45 Tabla 3.14: Características del recirculador de refrigeración ......................................... 46 Tabla 3.15: Características del ICP-OES AGILENT 5100 ............................................ 50 Tabla 3.16: Características de la mufla NABERTHERM L9/12/S27 ............................ 51 Tabla 4.1: Caracterización de los distintos componentes del compost .......................... 59 Tabla 4.2: Metales pesados en las materias primas ........................................................ 60 Tabla 4.3: Tomas de muestras y aireación ..................................................................... 60 Tabla 4.4: MOT en los reactores .................................................................................... 67 Tabla 4.5: Relación C/N inicial en los rectores .............................................................. 68 Tabla 4.6: Concentración de metales pesados en los reactores ...................................... 70 viii ix Índice de Figuras Figura 1.1: Proceso de compostaje ................................. ¡Error! Marcador no definido. Figura 1.2: Proceso de respiración en la oxidación de la materia orgánica ........... ¡Error! Marcador no definido. Figura 1.3: Reacción de hidrólisis de la ATP ................. ¡Error! Marcador no definido. Figura 1.4: Evolución de la temperatura y el pH durante el compostaje.......................... 5 Figura 1.5: Diferentes estructuras de zeolitas ................................................................... 9 Figura 1.6: Estructura iónica de la zeolita ...................................................................... 10 Figura 1.5: Volteadora .................................................................................................... 17 Figura 1.6: Sistema de compostaje aireado forzadamente ............................................. 18 Figura 1.7: Sistema cubierto móvil GORE ..................................................................... 18 Figura 1.8: Tambor rotatorio .......................................................................................... 19 Figura 1.9: Funcionamiento del túnel dinámico ............................................................. 20 Figura 1.10: Instalación con túnel dinámico .................................................................. 20 Figura 1.11: Reactor circular de lecho agitado ............................................................... 21 Figura 1.12: Instalación de túneles estáticos .................................................................. 22 Figura 1.13: Volteadora en sistema de canales............................................................... 23 Figura 1.14: Compostaje en canales ............................................................................... 24 Figura 3.1: Vista interior de un reactor........................................................................... 34 Figura 3.2: Vista exterior de un reactor .......................................................................... 34 Figura 3.3: Aislante térmico ........................................................................................... 35 Figura 3.4: Reactor con aislamiento ............................................................................... 38 Figura 3.5: Instalación de compostaje ............................................................................ 38 Figura 3.6: Tamiz ........................................................................................................... 41 Figura 3.7: Bomba de vacío ............................................................................................ 45 Figura 3.8: Vista frontal del Recirculador……………………………………………...47 Figura 3.9: Vista lateral del recirculador ........................................................................ 47 Figura 3.10: Analizador LECO CHN-60F0 ................................................................... 47 Figura 3.11: Tubo en U de combustión .......................................................................... 48 Figura 3.12: Diagrama parcial del analizador ................................................................ 48 Figura 3.13: Antorcha de plasma .................................................................................... 49 x Figura 3.14: Sistema óptico ............................................................................................ 49 Figura 3.15: Foto-multiplicador ..................................................................................... 49 Figura 3.16: Tecnología dual view vertical síncrona ..................................................... 50 Figura 3.17: ICP-OES .................................................................................................... 51 Figura 3.18: Mufla .......................................................................................................... 52 Figura 3.19: Muestras antes de la calcinación………………………………………….57 Figura 3.20: Muestras después de la calcinación ........................................................... 54 Figura 3.21: Calentamiento a reflujo de las muestras .................................................... 56 Figura 3.22: Sistema de filtración a vacío ...................................................................... 56 Figura 3.23: Muestras digeridas y filtradas .................................................................... 57 Figura 4.1: (a)Perfil de temperatura de los reactores C1 a C4; (b) Variación de la humedad de los reactores C1 a C4; (c)Perfil de temperatura de los reactores C5 a C8; (d) Variación de la humedad de los reactores C5 a C8; (e)Perfil de temperatura de los reactores .......................................................................................................................... 63 Figura 4.2: Perfiles de temperatura en el estudio de Eljaiek, y col., 2013. .................... 64 Figura 4.3: pH en los reactores C1 a C4 ......................................................................... 65 Figura 4.4: pH en los reactores C5 a C8 ......................................................................... 65 Figura 4.5: pH en los reactores C9 a C12 ....................................................................... 65 Figura 4.6: CE en los reactores C1 a C4 ........................................................................ 66 Figura 4.7: CE en los reactores C5 a C8 ........................................................................ 66 Figura 4.8: CE en los reactores C9 a C12 ...................................................................... 67 Figura 4.9: Aspecto del reactor C1 al principio y al final del proceso ........................... 71 Figura 4.10: Aspecto del reactor C8 al principio y al final del proceso ......................... 71 Figura 4.11: Aspecto del reactor C11 al principio y al final del proceso ....................... 72 xi Compostaje de Lodos de EDAR en Presencia de Zeolitas Sintetizadas a partir de Cenizas Volantes 1 1 I NTRODUCCIÓN La necesidad del hombre por aprovechar los nutrientes que contienen residuos orgánicos es muy antigua, y a pesar de su escasa cantidad y de que los sistemas de recogidas eran simples, se conocía bien como almacenarlos y tratarlos para conservar los nutrientes. Sin embargo no fue hasta principios del siglo IX, cuando Sir Albert Howard, botánico inglés considerado como pionero del compostaje moderno, describió el primer proceso de procesamiento de la materia orgánica denominado “Proceso Indore” por el que producía humus (compost) a partir de resto vegetales y animales. El compost es un producto estable y sanitariamente seguro, obtenido de la descomposición de las sustancias orgánicas provenientes de residuos sólidos urbanos (RSU) y de residuos biodegradables de industrias agroalimentarias, sin metales pesados, piezas de vidrio, plástico y materiales celulósicos con un valor de pH próximo a 8 y sujeto a fermentaciones parciales. Las características del compost dependen fundamentalmente de las materias primas empleadas y de los factores que afectan al proceso de compostaje (1). En cuanto a la tecnología, se han desarrollado procesos de compostaje tanto en condiciones aerobias como anaerobias, ambas tecnologías se basan en el fenómeno natural de descomposición de la materia orgánica (en ausencia de oxígeno en condiciones anaeróbicas, mientras que en presencia de oxígeno en condiciones aeróbicas). En el RD 506/2013, de 28 de junio, sobre productos fertilizantes, el compostaje está definido como: “proceso controlado de transformación biológica aeróbica y termófila de materiales orgánicos biodegradables que da lugar a los tipos de abonos o enmiendas orgánicos, cuyas características se detallan en los grupos 2 y 6 del anexo I”. En la que el grupo 2 se refiere a los abonos orgánicos, y el grupo 6 a las enmienda orgánicas (2). Actualmente, el interés por el compostaje está creciendo debido a varios factores como pueden ser el aumento en la generación de residuos y la problemática medioambiental y de salud que generan. Como consecuencia de dichos problemas, se están desarrollando una gran variedad de políticas globales y nacionales para corregirlos a escala mundial. De esta forma, nos <<Mucha gente pequeña, en muchos lugares pequeños, cultivarán pequeños huertos que alimentarán el mundo>> - Proverbio africano - INTRODUCCIÓN 2 encontramos con una legislación cada vez más restrictiva que regula la reducción de materia orgánica que llega a los vertederos, la correcta gestión de los residuos y la protección del suelo. En relación con este último factor se ha de comentar que en la actualidad, la obtención de un compost de calidad para mantener la fertilidad de los suelos y evitar problemas de erosión y desertización, no toma la misma importancia, como los anteriores en nuestro país. Por ello, el compost obtenido en muchas de las plantas de tratamiento biológico no cumple los estándares de calidad llegándose a cuestionar los beneficios ambientales y económicos del compostaje. Esto puede deberse en parte al desconocimiento de los numerosos usos y ventajas que se le puede atribuir a un producto bien fabricado (3). La calidad de un compost se puede relacionar con diferentes factores como la estabilidad, la madurez, el pH o la conductividad eléctrica entre otros. Por ejemplo, una salinidad elevada puede suponer dificultades para que un compost sea utilizado como enmienda en un suelo agrícola, y esta salinidad está demostrado que aumenta con la degradación de la materia orgánica (4). Además de la salinidad, la presencia de metales pesados en distintos componentes de un compost, puede suponer también un peligro. En este estudio, se mostrará la influencia de la adición de zeolitas sintetizadas (CV-Z), sintetizada a partir de cenizas volantes y de residuos de cítricos en las propiedades del compostaje de fangos de la Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR) Tablada de Sevilla. 1.1 El proceso de compostaje El proceso de compostaje consiste en la oxidación y biodegradación de la materia orgánica, con la consecuente reducción de otros compuestos (orgánicos o inorgánicos), llevada a cabo por varios microorganismos, para dar como resultado una materia orgánica estabilizada (compost) y los subproductos típicos de una degradación orgánica como pueden ser el H 2 O, CO 2 , NH 3 o SO 4 (Fifgura 1.1) (5). Se trata de un proceso de respiración fundamentalmente aerobio, en el que el aceptor final de electrones es el O 2 . En la oxidación de la materia orgánica, los electrones son transferidos al compuesto Nicotinamida dinucleótido oxidado (NAD), transformándose en el compuesto reducido (NADH). A continuación el NADH se oxida, mientras que el oxígeno se reduce (Figura 1.2). En este proceso los organismos obtienen energía en forma de un compuesto denominado Adenosíntrifosfato (ATP). Compostaje de Lodos de EDAR en Presencia de Zeolitas Sintetizadas a partir de Cenizas Volantes 3 Figura 1.1: Proceso de compostaje En la ecuación 1.1 se presenta la reacción global de la oxidación aerobia de la glucosa, mientras que en la eq. 1.2 se presenta su balance energético:        6  → 6   6   (1.1) ΔG  2870   (1.2) La reacción de hidrólisis del ATP produce mucha energía, de manera que se puede acoplar dicha reacción a reacciones que no sean termodinámicamente espontáneas (Figura 1.3). Entre los microorganismos más comunes en este proceso (Tabla 1.1) podemos encontrar: - Hongos: Los hongos participan en la degradación aeróbica de la materia orgánica debido a su alta capacidad lignocelulolítica. - Actinomicetos: Tienen la capacidad enzimática para degradar compuestos orgánicos complejos (celulosa, lignina, etc.). Asimismo, muchas de las especies son tolerantes a las temperaturas que alcanza el compost. - Bacterias: Son las mas numerosas en el proceso de compostaje y constituyen entre el 80% y el 90% de los microorganismos existentes en el compost. Se trata de un grupo de gran diversidad metabólica, que utilizan un amplio rango de enzimas que degradan químicamente una gran variedad de compuestos orgánicos (6). NADH NAD + ½ O 2 + 2H +H 2 O 3 ADP 3 ATP NADH NAD + ½ O 2 + 2H +H 2 O 3 ADP 3 ATP ATP + H 2 OADP + Pi ν A A + ν B B ν C C ∆G>0 ∆G<0 ATP + H 2 OADP + Pi ν A A + ν B B ν C C ATP + H 2 OADP + Pi ν A A + ν B B ν C C ∆G>0 ∆G<0 Figura 1 .2: Proceso de respiración en la oxidación de la materia orgánica Figura 1.3: Reacción de hidrólisis de ATP INTRODUCCIÓN 4 Tabla 1.1: Microorganismos en el proceso de compostaje Estos microorganismos actuaran en distintas fases según las condiciones ambientales: - Fase mesofílica (de latencia y crecimiento): Esta fase es el periodo de aclimatación de los microorganismos, que empezaran a multiplicarse y a colonizar. En un proceso de compostaje bien llevado dura entre 12 y 24 horas. Se da la degradación de los elementos más biodegradables, por parte de bacterias (Bacillus sp.; Azotobacter sp.; Pseudomonas sp), produciéndose una bajada eventual de pH por la liberación de ácidos orgánicos. Esta degradación también hace aumentar la temperatura, alcanzandose temperaturas de unos 45ºC a partir de la cual comienza la siguiente fase. - Fase termofílica: Según el material a compostar puede durar entre una semana y dos meses. La intensa actividad de las bacterias, provoca un aumento de la temperatura y la aparición Compostaje de Lodos de EDAR en Presencia de Zeolitas Sintetizadas a partir de Cenizas Volantes 11 sintetizar zeolitas a partir de cenizas volantes, mayormente basándose en la activación hidrotermal alcalina (principalmente mediante soluciones de NaOH o KOH) de la ceniza volante. Sin embargo, las zeolitas sintetizadas hasta ahora por este método tienen una baja capacidad de intercambio iónico y un tamaño de poro pequeño. Según el tipo de zeolitas que se desee sintetizar, podremos variar parámetros en el proceso de formación como la concentración de los reactivos alcalinos entre 1 y 5 M, la relación líquido/sólido entre 2 y 18 L/kg, la temperatura entre 25 y 200 ºC, el tiempo de reacción entre 3 y 48 horas, y la presión. De este modo el contenido en zeolita del producto variara entre el 20 y el 65% según las condiciones dadas y las propiedades de la ceniza volante. Otros componentes que contiene el producto, debido a la conversión incompleta, pueden ser cuarzo, mullita, (aluminatos y silicatos no activados), magnetita, hematita, calcita, cal y elementos como B, Mo, As, V, Ar o Se, estos últimos que pueden afectar su calidad, limitando su us. (25) (26) (27) (28) (29) (30). Es por este motivo por el que actualmente se está investigando en la síntesis de zeolitas pura, por un procedimiento en dos etapas, a partir de extractos de sílice obtenidos de cenizas volantes por tratamiento alcalino y una posterior combinación con otras soluciones portadoras de aluminato sódico. Las zeolitas que se obtienen a partir de los procesos mencionados son del tipo NaP1, A, X, philipsita, (hidroxi-) sodalita, (hidroxi-) cancrinita, nefelina, analclina, chabazita, herschelita, tobermorita, linde y faujasita (8). 1.2.2 Lodos de depuradora Los lodos de EDAR se presentan como un valioso e recurso en la agricultura, debido a su composición en materia orgánica y nitrógeno. Pero tienen el inconveniente de su alto contenido en metales pesados, cuyos límites son establecidos por el Real Decreto 1310/1990, de 29 de octubre, por el que se regula la utilización de los lodos de depuración en el sector agrario (Tabla 1.2) (31). INTRODUCCIÓN 12 Tabla 1.2: Valores límites de metales pesados en lodos Parámetros Valores límites Suelos con pH menor de 7 Suelos con pH mayor de 7 Cadmio 20 40 Cobre 1000 1750 Níquel 300 400 Plomo 750 1200 Zinc 2500 4000 Mercurio 16 25 Cromo 1000 1500 Así mismo, esta normativa específica que los lodos han de ser tratados antes de poder ser usados en suelos y se definen los lodos tratados como los que son tratados por una vía biológica, química o térmica, mediante el almacenamiento a largo plazo o por cualquier procedimiento apropiado, de manera que se reduzca de manera significativa su poder de fermentación y los inconvenientes sanitarios de su utilización. Y entre las distintas alternativas de tratamiento, los más extendidos son la digestión anaerobia y el compostaje. (32) 1.3 Control de parámetros Son muchos los parámetros que se han de tener en cuenta para la optimización del proceso, entre algunos de los que cobran mas importancia están: Aireación, humedad, temperatura, pH, materia orgánica, relación C/N, conductividad eléctrica y metales pesados. 1.3.1 Aireación Debido a que el compostaje es un proceso mayoritariamente aeróbico, la aireación es un factor fundamental, ya que debe asegurar la presencia de oxígeno y la eliminación de los gases generados como el CO2 y el CH4. Compostaje de Lodos de EDAR en Presencia de Zeolitas Sintetizadas a partir de Cenizas Volantes 13 En este aspecto es de vital importancia el espacio libre que dependerá del tipo de residuo, la trituración, el mezclado y la humedad. De este modo, la concentración óptima de oxígeno deberá estar comprendida entre el 5 y el 15%. La ventilación se podrá realizar por volteos periódicos, por aireación natural o aireación forzada (33). Por otro lado, se debe tener en cuenta que este aporte de aire tiene una gran influencia sobre la temperatura y la humedad de la masa compostada, por lo que su control será fundamental para no afectar de manera negativa a estos parámetros. 1.3.2 Humedad Los microorganismos necesitan agua como medio de transporte de distintos elementos a través de la membrana celular, por lo que la descomposición de la materia orgánica dependerá de la humedad. Ésta deberá situarse entre el 40 y el 60%, ya que a valores inferiores se puede inhibir la actividad microbiana y a valores superiores se puede producir una disminución del nivel de O2, que podría dar lugar a una actividad anaerobia. Se ha de tener en cuenta que a lo largo del compostaje e dan distintas fases con temperaturas diferentes, alguna de ellas elevadas que pueden provocar pérdidas de agua, por lo que habrá que proceder a la incorporación de esta (33) (7). 1.3.3 Temperatura El control de la temperatura es un aspecto fundamental, ya que el compostaje es un proceso muy exotérmico, debido a la degradación anaerobia de la materia orgánica, por lo que habrá que evitar que este calor se pierda en algunos casos o favorecer el descenso de temperatura en otros, con volteos o aireación. Esto es necesario debido a que cada microorganismo tiene un rango óptimo de actuación (34), y es lo que dará lugar a que las tres fases del compostaje: (mesofilica, termofílica y maduración) se den correctamente. Por otra parte, también es necesario evitar gradientes de temperaturas en la masa de compost, para que no se dé la convivencia de diferentes microorganismos en ella y se vea afectada la calidad del producto final. Esto se puede controlar mediante los volteos. 1.3.4 pH Como ocurre con la temperatura, para cada microorganismo existe un nivel de pH donde aumenta su actividad, ya que este tiene influencia sobre la disponibilidad de los nutrientes. Para la mayoría de las bacterias, el pH óptimo varía entre 6 y 7,5 para las bacterias, y entre 5,5 y 8 para el caso de los hongos. INTRODUCCIÓN 14 El pH inicial dependerá del tipo y las proporciones de los residuos. Posteriormente, el pH de la mezcla de compostaje puede experimentar una bajada al inicio del proceso por la formación de ácidos orgánicos. Seguidamente, el pH aumentará debido a la degradación de compuestos de naturaleza ácida y a la mineralización de compuestos nitrogenados hasta formarse amoníaco (33) (4). 1.3.5 Conductividad Eléctrica (CE) La CE de un compost viene determinada en su mayor parte por la concentración de sales de los residuos de partida. Durante el proceso, ésta tiende a aumentar debido a la mineralización de la materia orgánica, aunque una humedad elevada, podría producir una lixiviación que la hiciera descender. Este parámetro se ha de tener en cuenta ya que la cantidad de compost que se puede añadir a un suelo debe ser proporcional a la CE (4) (7). 1.3.6 Materia orgánica Conocer la cantidad de materia orgánica de un compost es fundamental para la determinación de su calidad agronómica (35). Durante el proceso las pérdidas de materia orgánica pueden alcanzar hasta un 20% de la masa compostada (36). Esta materia se pierde en forma de sustancias volátiles ricas en carbono. El descenso de la materia orgánica se suele dar en dos fases, una donde las cadenas carbonatadas se descomponen en otras más simples, pudiendo éstas reagruparse y dar lugar a ácidos húmicos y una segunda donde se degradan más lentamente los compuestos más resistentes como las ligninas (37) (38). 1.3.7 Relación C/N El carbono y el nitrógeno son los constituyentes básicos de la materia orgánica. Los microorganismos necesitan el carbono como fuente de energía, y el nitrógeno para la síntesis de proteínas. Estos utilizan normalmente 30 partes de carbono por cada parte de nitrógeno. Por lo que un rango de C/N considerado óptimo para el compostaje es 25-35. Una relación mayor, nos dará lugar a mayores tiempos de fermentación, mientras que una relación menor, da lugar a grandes pérdidas de nitrógeno (39). Para un compost maduro una relación C/N<20 se considera suficiente, aunque la relación ideal estaría entrono a 10 (7). Compostaje de Lodos de EDAR en Presencia de Zeolitas Sintetizadas a partir de Cenizas Volantes 15 1.3.8 Metales pesados La presencia de metales pesados en el compost es un serio problema debido a las consecuencias adversas para el medio ambiente. La alta y excesiva acumulación de metales pesados en el suelo puede contaminar eventualmente la cadena alimenticia de los seres vivos. Es por ello, por lo que existen normas que establecen unos límites. El RD 506/2013 establece estos límites de concentración y a su vez elabora una clasificación que deberá ir incluida en sus características. 1.4 Instalaciones de compostaje La gran variedad de sistemas de compostaje existentes actualmente se pueden clasificar en tres grupos (Tabla 1.3): - Sistemas abiertos: Los sustratos se suelen colocar en pilas o montones al aire libre o protegidos de los factores meteorológicos bajo techo. Los sistemas abiertos comportan un menor coste y tienen un manejo e instalación más sencilla. - Sistemas cerrados: Se llevan a cabo en recintos totalmente sellados, con un exhaustivo control de parámetros y con una extracción de gases para ser tratados. Estos sistemas conllevan una infraestructura más complicada y costosa. La fase de maduración normalmente se suele realizar en sistemas abiertos. - Sistemas semiabiertos: Generalmente se llevan a cabo en un sistema en canal en el que el material a tratar es colocado entre dos paredes, además suelen contar con sistemas de succión y tratamiento de gasas. Tabla 1.3: Tipos de sistemas de compostaje SISTEMAS Dinámicos Estáticos Abiertos Pilas o mesetas volteadas Pilas o mesetas aireadas Cerrados Tambores Túneles dinámicos Reactores circulares Túneles estáticos Contenedores y silos Biocélulas Semiabiertos Trincheras Pilas o mesetas en nave cerrada Pilas con cubierta semipermeable INTRODUCCIÓN 16 Además de esta clasificación, según si la masa a compostar reciba volteos o algún movimiento que homogenice el material, o no, se habla de sistemas dinámicos o estáticos. Cada sistema tiene sus ventaja e inconvenientes (Tabla 1.4) y que usemos un sistema u otro dependerá de factores como el clima del lugar donde se realice el proceso, el tipo de residuo a tratar, la disponibilidad de terreno, la necesidad de abreviar el proceso, etc. Tabla 1.4: Cuadro comparativo entre los sistemas de compostaje (40) 1.4.1 Pilas volteadas Es el sistema más generalizado. El material se dispone en pilas, agrupando los residuos en montones generalmente de forma trapezoidal, con una altura ideal de 2 metros y una anchura de entre 3-4 metros. Los materiales a compostar se han de apilar sin que se compriman excesivamente, para dejar espacios aireados. Si es necesario se puede añadir algún material estructurarte. La aireación se llevará a cabo por convección natural ayudada por volteos periódicos, con el objetivo de controlar humedad, temperatura, y nivel de oxigeno, además de otros factores como el olor o los insectos. Compostaje de Lodos de EDAR en Presencia de Zeolitas Sintetizadas a partir de Cenizas Volantes 17 La principal desventaja de estos sistemas es la dificultad de mantener un nivel de oxígeno constante, ya que sufre fuertes oscilaciones según la frecuencia se los volteos. La frecuencia del volteo depende del tipo de material, de la humedad y de la rapidez con que deseamos realizar el proceso, siendo habitual realizar un volteo cada 6 - 10 días. Es usual que los volteos se realicen por una pala cargadora, que recoja y vuelva a soltar el material, pero también existe maquinaria específica que consigue una mayor eficiencia en el mezclado. Este método es el más económico en cuanto a consumo de energía (41) (32) (42). Figura 1.3: Volteadora 1.4.2 Pilas estáticas aireadas El material se apila de igual forma que en el sistema anterior pero una vez formada la pila de compostaje éste no se moverá del sitio. Los residuos se colocan sobre tubos perforados o sobre una solera porosa y la aireación del sistema se realiza bien suministrando aire a presión o mediante succión del mismo. Se recomienda situar una capa de material de alta porosidad (de unos 20-30 cm) que permita la transferencia de aire hacia la masa y absorba el exceso de humedad. Con este sistema se asegura una buena concentración de oxígeno por toda la masa, desplazando los gases resultantes de la fermentación y el vapor de agua. - Aireación forzada por succión: Conocido como sistema Belstville. El sistema de distribución está conectado a una bomba de succión y unido a este sistema se instala una pila como biofiltro para controlar el olor. Ésta pila puede componerse de compost maduro o cualquier otro material como tierra vegetal o poda. Al final del proceso se puede proceder al volteo y desplazamiento de la pila para dejarlo madurar. INTRODUCCIÓN 18 Figura 1.4: Sistema de compostaje aireado forzadamente (43) - Aireación forzada por insuflación: Conocido como sistema Rutgers. En este caso, se expulse aire a través de las tuberías, por lo que se hace complicado controlar los olores. Aunque este sistema ha cobrado importancia recientemente debidos a los sistemas cubiertos móviles, que permiten cubrir las pilas permitiendo la permeabilidad del CO2 y la humedad, siendo impermeables a los agentes externos (Sistema semiabierto) Los sistemas Rutgers suelen disponer de mecanismos automáticos para el control de la temperatura, como puede ser un sistema de termopares con una temperatura límite fijada, que en el momento en el que se rebasen insuflen aire y provoquen un enfriamiento de la masa. Figura 1.5: Sistema cubierto móvil GORE (44) Las principales ventajas de estos sistemas suelen ser el mayor control de temperaturas y oxígeno, y un menor requerimiento de personal, aunque los costes de inversión y mantenimiento serán mayores que en el sistema anterior. Otras desventajas pueden ser los problemas de compactación del sistema, al ser estático, o la posibilidad de que se den cortocircuitos en el sistema de aireación (42) (45) (32). Compostaje de Lodos de EDAR en Presencia de Zeolitas Sintetizadas a partir de Cenizas Volantes 19 1.4.3 Tambores rotatorios Este reactor se construye con cilindros de entre 1-4 metros de diámetro y de 3-40 metros de longitud. En el interior, los materiales de mezclan ya que este va girando (se puede variar velocidad) lentamente sobre su eje principal. Además, pueden disponer de álabes que mejoren la agitación, favorezcan la aireación y desplacen el material hacia la salida Este último hecho también se ve ayudado por una ligera inclinación que se le confiere a los tambores. La alimentación se realiza por un extremo y se recoge por el extremo inferior opuesto, pasando en el interior por una etapa de mezcla, degradación, maduración y cribado. Aunque también suelen necesitar una maduración extra en el exterior. El tiempo de composta en el interior puede estar entre los 3 y 7 días según los materiales a compostar. Las ventajas de este sistema es que tienen un elevado control y flexibilidad del proceso, unas menores necesidades de agua y oxígeno, ya que es muy eficiente en la transferencia de oxígeno, y tiene un bajo grado de apelmazamiento de partículas. Además, tiene una menor influencia del tipo de residuo, ya que la separación de la materia orgánica de los materiales inertes se da más fácil y tiene un elevado rendimiento en la fase de afino. La mayor desventaja el coste de inversión, explotación y mantenimiento (32) (42). Figura 1.6: Tambor rotatorio 1.4.4 Túneles dinámicos Son un sistema de contenedores que son cargados por un extremo y descargados por el otro automáticamente. El material se apoyo en una serie de bandejas perforadas de acero inoxidable por donde avanza el compost hidráulicamente. En el interior disponen también de una serie de INTRODUCCIÓN 20 rodillos trituradores cuya función es remover y airear la masa. El tiempo de residencia suele ser de unas 2 semanas con una carga de unas 30 toneladas al día. Constan de controladores para la aireación, temperatura y humedad, y drenaje de líquidos y gases con recirculación Permiten el uso de cualquier tipo de residuo. La fase de maduración se realiza normalmente en el exterior en pilas volteadas. Figura 1.7: Funcionamiento del túnel dinámico (46) Figura 1.8: Instalación con túnel dinámico Compostaje de Lodos de EDAR en Presencia de Zeolitas Sintetizadas a partir de Cenizas Volantes 27 hectárea y año, mientras que los de clase A y B se aplicarán al suelo siguiendo los códigos de buenas prácticas agrarias. Tabla 1.7: Valores límites en metales pesados Metales Límite de concentración (mg/kg m.s.) RD 506/2013 FdR Clase A Clase B Clase C Cadmio 0,7 2 3 1,5 Cobre 70 300 400 200 Níquel 25 90 100 50 Plomo 45 150 200 120 Zinc 200 500 1000 600 Mercurio 0,4 1,5 2,5 1 Cromo 70 250 300 100 Cromo(IV) No detectable según método oficial No detectable según método oficial No detectable según método oficial - INTRODUCCIÓN 28 OBJETIVOS Y ALCANCE 29 2 O BJETIVOS Y A LCANCE Cada vez generamos mas residuos, y los depósitos controlados tienen una capacidad de determinada, por ello en los últimos años está tomando fuerza el concepto de valorización de residuo, es decir, cualquier procedimiento que permita el aprovechamiento de los recursos contenidos en los residuos, siempre que estos procedimientos no tengan repercusiones negativas en la salud humana y en el medio ambiente. El compostaje entra dentro estos procesos, y el lodo de depuradoras y las cenizas volantes dentro de los residuos generados. Hoy en día, las plantas de tratamientos de aguas residuales son más numerosas y modernas, por lo que está aumentando la cantidad de lodos generados y las normativas ambientales son más estrictas cada vez debido a los problemas en la eliminación de estos. Es aquí, donde entra el compostaje como vía de reutilización, sin embargo, surge a la vez una gran limitación en el uso de este compost de lodos debido a su alto contenido en metales pesados que pueden lixiviarse y pasar al ecosistema. Las cenizas volantes procedentes de la combustión del carbón, por su parte, son un residuo muy importante que está siendo utilizado en la industria del cemento, aproximadamente un 50% de las producidas en Europa, siendo el resto enviadas a vertederos o utilizadas como material de relleno en minas de carbón, pudiendo generar en este último caso lixiviados que contaminen el medio. Un alto porcentaje desechado, junto al deseo de conseguir una gestión más sostenible, son las causas que justifican en interés en buscar nuevos procesos tecnológicos, como puede ser la conversión de estas en zeolitas. Zeolitas a las que le son atribuidas aplicaciones en retención de metales pesados sobre distintos medios como pueden ser los suelos y las aguas, entre otras. Por tanto, el objetivo de este proyecto es investigar el posible uso de las CV-Zs como posible aditivo para reducir los peligros potenciales del compost y mejorar su aplicación en suelos. Para ello se plantean las siguientes metas: - Probar que las CVZ-s están capacitadas para adsorber y retener en el material a compostar metales pesados como son el Cd, Cu, Ni, Pb, Zn, Hg y Cr. - Mostrar la influencia que tiene la adición de este tipo de zeolitas sobre el pH y la CE del compost. - Mostrar la influencia de la adición de cáscaras de naranja, principalmente como agente neutralizador del pH. - Realizar el control de otros parámetros principales en el proceso de producción del compost como pueden ser temperatura, humedad,aireación, materia orgánica y relación C/N. Compostaje de Lodos de EDAR en Presencia de Zeolitas Sintetizadas a partir de Cenizas Volantes 30 Quedan fuera del alcance de este proyecto trabajos posteriores de acondicionamiento y estudios de calidad que serán necesarios para su puesta en el mercado, así como cualquier estudio de parámetros biológicos. Tampoco se han valorado las emisiones de gases y lixiviados generados durante el compostaje. Compostaje de Lodos de EDAR en Presencia de Zeolitas Sintetizadas a partir de Cenizas Volantes 31 3 M ATERIALES Y M ÉTODOS A continuación, se van a describir los materiales utilizados en el proceso de compostaje, así como los ensayos previos necesarios para su puesta en marcha. Por otra parte se describirá de manera detallada los diferentes equipos, material de laboratorio y reactivos que han sido utilizados para el análisis de los parámetros más significativos, así como los métodos seguidos para estos análisis. 3.1 Proceso de compostaje Previo al inicio del proceso es necesario llevar a cabo una fase de preparación en el que se elijan las materias primas a compostar, y se lleve a cabo su acondicionamiento y mezcla de manera adecuada para regular el contenido en agua, la granulometría, y ajustar pH. 3.1.1 Materias primas Los componentes que formarán parte del compostaje son los siguientes: - Lodos de la EDAR de Tablada (Sevilla) - Zeolitas sintetizadas a partir de cenizas volantes (CV-Z) de la central térmica de Narcea. - Residuos de la poda de cipreses - Cáscaras de naranja - Compost maduro Estos residuos han sido los elegidos y serán mezclados en distintas proporciones teniendo en cuenta los siguientes criterios: - Los lodos de EDAR Tablada corresponden a fangos de la salida de la planta, es decir lodos primarios y secundarios tratados anaeróbicamente y, posteriormente desecados mediante filtro prensa. Estos fangos contienen un alto porcentaje de humedad, por lo que necesitarán un material complementario que absorba ese exceso de humedad (65% aproximadamente), como es el caso de la podad de ciprés. El resto de parámetro de interés agronómico de éstos se exponen en la tabla 3.1. - La poda de ciprés actúa además como estructurante, favoreciendo la aireación. Es habitual la adición de este tipo de materiales en el compostaje de lodos debido a la tendencia a la compactación que tienen. - Otro motivo más del uso de la podas es su alta relación C/N en comparación con la de los lodos. MATERIALES Y MÉTODOS 32 Tabla 3.1: Parámetros agrónómicos principales de los lodos generados en España (51) Parámetro Valor pH 6,74 CE (µSm/cm) 5645,8 Carbono total (%) 34,91 Carbono oxidable (%) 17,71 Materia orgánica oxidable (%) 30,54 Nitrógeno total Kjeldahl (%) 4,01 Relación C/N 8,85 P total (mg/kg m.s.) 19237,95 P asimilable (mg/kg m.s.) 2603,22 Ca total (mg/kg m.s.) 51968,3 Ca asimilable (mg/kg m.s.) 7693,73 Mg total (mg/kg m.s.) 6410,95 Mg asimilable (mg/kg m.s.) 1888,35 K total (mg/kg m.s.) 3837,33 K asimilable (mg/kg m.s.) 1357,11 Fe total (mg/kg m.s.) 16821,75 Fe asimilable (mg/kg m.s.) 14,92 Na asimilable (mg/kg m.s.) 1305,5 - Las CV-Z son muy alcalinas, debido a la cantidad de cenizas volantes no convertidas en zeolita (35%). Por otro lado la conductividad eléctrica (CE) de las zeolitas es muy elevada. En este trabajo, la zeolita es del tipo NaP1 y ha sido sintetizada en un reactor R-410-A de acero inoxidable con capacidad de 10 m 3 en las condiciones que aparecen en la Tabla 3.2 (52). Compostaje de Lodos de EDAR en Presencia de Zeolitas Sintetizadas a partir de Cenizas Volantes 33 Tabla 3.2: Condiciones durante la reacción Parámetro Valor Ceniza (kg) 2200 Agua osmotizada (kg) 3696 NaOH al 50% (kg) 1056 T (ºC) 125 t (h) 8 P (atm) 3,55 Posteriormente, se pasa a una etapa de filtración (Tabla 3.3) en un filtro prensa de propileno (F-406, 55 placas), con una bomba manual de extracción de 2 m 3 con membrana neumática (16 m 3 aire/h): Tabla 3.3: Condiciones durante la filtración Parámetro Valor Temperatura (ºC) 90 tiempo (h) 1 Finalmente, se lleva a cabo un lavado en la circunstancias de la Tabla 3.4: Tabla 3.4: Condiciones de lavado Parámetro Valor Temperatura (ºC) 85 tiempo (h) 40 Tiempo de drenaje de agua con aire (h) 12 - La cáscara de naranja es un residuo que se ha obtenido de naranjas utilizadas para zumo en el bar de la ETSI. Este residuo se caracteriza por tener un pH bajo y un a CE baja, lo que compensa los parámetros de los otros sustratos. - El compost maduro que pueda actuar como inóculo ya que puede contener pequeños MATERIALES Y MÉTODOS 34 insectos y microorganismos que ayuden en el arranque del proceso. 3.1.2 Reactores Los reactores utilizados son unos contenedores con tapadera fabricados por TRILLA DENOX de 7 L de capacidad, una altura de 280 mm y un diámetro externo de 230 mm a los que se les ha realizado un orificio en tapa superior y 4 orificios en la parte inferior para la toma de temperatura, y facilitar la aireación y ventilación del compost (Figura 3.1 y 3.2). Figura 3.1: Vista interior de un reactor Figura 3.2: Vista exterior de un reactor Para el aislamiento se ha utilizado aislante térmico fabricado por Rockwool. Este aislante está constituido por un fieltro de lana de roca revestido por una de sus caras con papel de estraza que hace de barrera de vapor. Los productos de lana de roca no retienen en el agua, son químicamente Compostaje de Lodos de EDAR en Presencia de Zeolitas Sintetizadas a partir de Cenizas Volantes 35 inertes y no favorecen el desarrollo bacteriano. La caracterización del material se presenta en la Tabla 3.5: Tabla 3.5: Características del aislante térmico Característica Valor Norma Densidad nominal 21 kg/m 3 EN 1602 Conductividad térmica 0,040 W/(m·K) EN 12667 Resistencia térmica 2 (m 2 ·K)/W - Estabilidad dimensional a una temperatura y humedad específicas DS(70,90) EN 1604 Reacción al fuego F EN 13501.1 Tolerancia de espesor T1 EN 823 Largo x Ancho x Espesor (mm) 6000 x 1200 x 80 - Absorción de agua a corto plazo WS | Absorción de agua < 1,0 kg/m 2 EN 1609 1609Resistividad al flujo de aire AFr5 EN29053 En la Figura 3.3 se muestra un corte del aislante térmico utilizado: Figura 3.3: Aislante térmico MATERIALES Y MÉTODOS 36 3.1.3 Matriz de ensayos Se dispondrá de un sistema de 12 reactores en los que se variará el porcentaje en masa de ambos componente del 0% a 15%. El contenido en lodo será igual en todos los casos estudiados e igual al 50%, p/p. Así, el contenido de los diferentes reactores queda como se muestra en la tabla 3.6: Tabla 3.6: Matriz de ensayo Reactor Componente Lodos (%) Poda de Ciprés (%) Compost (%) CV-Z (%) Cáscara de naranja (%) C1 50 40 10 0 0 C2 50 35 10 5 0 C3 50 30 10 10 0 C4 50 25 10 15 0 C5 50 35 10 0 5 C6 50 30 10 5 5 C7 50 25 10 10 5 C8 50 20 10 15 5 C9 50 25 10 0 15 C10 50 20 10 5 15 C11 50 15 10 10 15 C12 50 10 10 15 15 3.1.4 Acondicionamiento de materias primas Para el proceso de mezclado de los residuos se han usado los siguientes equipos e instrumentos: - Cubeta de plástico de dimensiones alto x ancho x lado (mm): 195 x 320 x 470 - Palas de jardinería Compostaje de Lodos de EDAR en Presencia de Zeolitas Sintetizadas a partir de Cenizas Volantes 43 resolución que podemos elegir entre 0,1/1 y un error de medida ≤ 0,5. Y la de temperatura está entre -20 y 150ºC, con una resolución de 0,1 y un error de medida ≤ 0,2. Además, presenta las especificaciones de la tabla 3.11: Tabla 3.10: Características del pH-metro Características Valor Compensación de temperatura Automática con sonda Pt100 Manual por teclado Pantalla LCD, 2líneas x 16 caracteres Deriva térmica Menor que 0,03 %/ºC Entradas Célula de conductividad Compensación automática de temperatura Salidas RS 232 C (Opcional) Frecuencia 3,8 KHz ±10% Condiciones de trabajo 0-50 ºC 95 %máx. Humedad relativa Alimentación 220 V ± 10 % AC 50/60 Hz 15 W Dimensiones 303 x 85 x 330 mm Peso 3,8 kg 3.2.2.5 Agitador Se ha utilizado un agitador SELECTA modelo Unitronic 320 OR que además dispone de un baño con temperatura regulable. La agitación de vaivén de la cubeta móvil de este se puede regular de 10 a 100 oscilaciones por minuto, con una amplitud de recorrido seleccionable de 32 o 46 mm. MATERIALES Y MÉTODOS 44 3.2.2.6 Balanza analítica La balanza utilizada ha sido fabricada por SCALTEC del modelo SBA 31 con las características de la tabla 3.9: Tabla 3.11: Características de la balanza analítica Característica Valor Capacidad máxima 220 g Rango de Tara -220 g Legibilidad 0,0001g Repetitividad ≤±0,0001 g Linearidad ≤±0,0002 g Tiempo de estabilización ≤ 2 s Diámetro del plato 80 mm Temperatura de trabajo 10-30 ºC Alimentación 230 V AC 48-63 Hz Peso neto aprox. 5,4 kg Altura de la caja 225 mm 3.2.2.7 Placa calefactora Se ha utilizado una placa SELECTA, que puede alcanzar una temperatura sobre la placa de 400 ºC y posee un selector con regulador de potencia. Las características físicas aparecen en la Tabla 3.12: Tabla 3.12: Característica de la placa calefactora Característica Valor Diámetro (cm) 15 Alto x Ancho x Fondo exterior (cm) 8 x 22 x 22 Consumo (W) 1600 Alimentación 220 V 50/60 Hz Compostaje de Lodos de EDAR en Presencia de Zeolitas Sintetizadas a partir de Cenizas Volantes 45 3.2.2.8 Bomba de vacío Se utilizó una fabricada por TELSTAR del tipo Top-3. Esta es una bomba de vacío de paletas rotativas en baño de aceite de doble efecto y tiene las características de la tabla 3.14: Tabla 3.13: Características de la bomba de vacío Característica Valor Caudal 50/60 Hz (m 3 /h) 3/3,6 Etapas 2 Presión parcial límite (mbar) <7·10-4 Boca de aspiración KF 16 Potencia (W) 1800 Voltaje 230 V 50/60 Hz (rpm) 2800/3360 Peso con aceite (kg) 7 Capacidad de aceite (L) 0,3 Nivel de ruido 50/60 Hz (dB) 65/70 Temperatura de arranque mínima (ºC) 5 Temperatura de arranque máxima (ºC) 40 Alto x Ancho x Fondo (mm) 240 x 125 x 280 Figura 3.7: Bomba de vacío MATERIALES Y MÉTODOS 46 3.2.2.9 Recirculador de refrigeración Este equipo hace recircular continuamente el agua a través de un circuito cerrado, enfriándola a una temperatura deseada. El utilizado en nuestro laboratorio es un refrigerador EYELA del modelo CCA-1110 y tiene las características que aparecen en la Tabla 3.13: Tabla 3.14: Características del recirculador de refrigeración Característica Valor Rango de temperatura (ºC) -20 a 20 Capacidad de enfriamiento(W) 450 a 10 ºC 350 a 0 ºC 260 a -10ºC Caudal máximo (bomba) (L/min) 10 Altura máxima (bomba) (m) 5,6 Potencia (bomba) (W) 350 Precisión (ºC) ± 2 Pantalla LED digital Alimentación 110/220 V 50/60 Hz Alto x Ancho x Fondo (mm) 540 x 221 x 401 Material interior Acero inoxidable SUS304 Compostaje de Lodos de EDAR en Presencia de Zeolitas Sintetizadas a partir de Cenizas Volantes 47 Figura 3.8: Vista frontal del Recirculador Figura 3.9: Vista lateral del recirculador 3.2.2.10 Determinador de Carbono, Nitrógeno e Hidrógeno. El funcionamiento de este equipo, según la norma UNE-EN 15104 : 2011 (64), se basa en quemar una masa conocida de muestra en presencia de oxígeno, o bien en una mezcla oxígeno gas portador, en condiciones tales que se convierte en cenizas y productos gaseosos de la combustión. Estos productos gaseosos consisten principalmente en dióxido de carbono, vapor de agua, nitrógeno elemental .Luego, las fracciones másicas de estos gases en la corriente gaseosa se determinan cuantitativamente mediante los procedimientos instrumentales adecuados de análisis de gases. En este proyecto se ha utilizado un analizador LECO CHN-600 que es un equipo utilizado para la determinación de carbono, nitrógeno e hidrógeno en muestras no homogéneas (por ejemplo petróleo, carbón, restos de plantas, sedimentos y otras sustancias orgánicas) de hasta unos 100 mg de masa. Figura 3.10: Analizador LECO CHN-600 MATERIALES Y MÉTODOS 48 Este equipo utiliza helio como gas portador y oxígeno puro como combustible. Toda la muestra es quemada en un tubo con una doble zona de combustión (Figura 3.11), en la primera la muestra se quema y en la segunda son quemados las posibles partículas volátiles. Figura 3.11: Tubo en U de combustión Dos celdas independientes de infrarrojos son las encargadas de la determinación de carbono e hidrógeno, y una celda de conductividad térmica se encarga de la detección del nitrógeno. Figura 3.12: Diagrama parcial del analizador 3.2.2.11 ICP-OES El equipo ICP-OES está constituido por un plasma de acoplamiento inductivo (ICP) que es una fuente de ionización junto a un espectofotómetro de emisión óptica. En esta técnica, la introducción continua de la muestra líquida y un sistema de nebulización forman un aerosol que es transportado por el Argón a la antorcha del plasma, acoplado inductivamente por radio frecuencia. En el plasma, debido las altas temperaturas generadas, la muestra pasa a estados energéticos superiores, y tiende a recuperar su estado fundamental al cesar la energía, emitiendo radiación con una longitud de onda que es característica de los elementos que la componen. Compostaje de Lodos de EDAR en Presencia de Zeolitas Sintetizadas a partir de Cenizas Volantes 49 Figura 3.13: Antorcha de plasma Esta radiación es detectada por el sistema óptico que puede ser de visión radial o de visión axial, este último tipo tiene mejor sensibilidad. Los espectros son dispersados por la red de difracción aislando las líneas de emisión y el detector se encarga medir su intensidad. Figura 3.14: Sistema óptico Este detector es un tubo fotomultipricador que amplifica la señal recibida de orden de 10 6 . La información es procesada por el sistema informático. Figura 3.15: Foto-multiplicador MATERIALES Y MÉTODOS 50 En este proyecto se ha utilizado un equipo ICP-OES fabricado por AGILENT modelo 5100 con Dual View (visualización doble) vertical sincrónica (SVDV) que puede actuar como cuatro instrumentos en uno: es capaz de funcionar en los modos axial, radial, Dual View (visualización doble) vertical y Dual View (visualización doble) vertical sincrónica. Este último modo permite capturar las visiones axial y radial del plasma en tan solo una lectura y obtener resultados precisos en el mínimo tiempo posible. Figura 3.16: Tecnología dual view vertical síncrona Además, presenta las especificaciones de instalación de la tabla 3.15: Tabla 3.15: Características del ICP-OES AGILENT 5100 Característica Valor Peso (kg) 106 Largo x Alto x Ancho(mm) 800 x 940 x 740 Alimentación 2,9 kVA, monofásica, con tensión de entrada de 200-240 V CA (50-60 Hz), con una intensidad máxima de 15 A. Compostaje de Lodos de EDAR en Presencia de Zeolitas Sintetizadas a partir de Cenizas Volantes 51 Figura 3.17: ICP-OES 3.2.2.12 Mufla Una mufla es un horno destinado normalmente para la cocción de materiales cerámicos y para la fundición de metales a través de la energía térmica. Dentro del laboratorio un horno mufla se utiliza para calcinación de sustancias, secado de sustancias, fundición y procesos de control. En este estudio se ha usado una mufla NABERTHERM modelo L9/12/S27 con las características de la tabla 3.16: Tabla 3.16: Características de la mufla NABERTHERM L9/12/S27 Característica Valor Temperatura máxima(ºC) 1200 Capacidad (L) 9 Alto x Ancho x Fondo interior (mm) 170 x 230 x 240 Alto x Ancho x Fondo exterior (mm) 570 x 480 x 550 Potencia (W) 3000 Peso (kg) 45 MATERIALES Y MÉTODOS 52 Figura 3.18: Mufla 3.2.2.13 Instrumentación y materiales. Durante el trabajo de laboratorio, a parte del uso de los equipos, se hace indispensable el uso de materiales complementarios a estos y de instrumentos. A continuación, se ofrece una lista de todo lo utilizado: - Bandeja de muestra de horno. - Desecador fabricado por SIMAX modelo CSN 70 4300 tapa con tapón de plástico con placa de porcelana. - Cápsulas de porcelano. - Frasco de polipropileno de 150 mL de capacidad. - Botellas cilíndricas de polietileno de alta densidad con tapón estrella de capacidad 250 mL. - Termómetro de mercurio con campo de medición de -10 ºC a 110 ºC. - Papel de filtro WHATMAN GF/C de fibra de vidrio con tamaño de 1,2 µm de poro, 0,26 mm de espesor y 55 mm de diámetro. - Papel de filtro CINTOPUR NW-18 con tamaño de poro de 5 µm. - Matraces de reacción de 250 mL de volumen. - Condensador de reflujo de serpentín. - Bolas de vidrio de 2 mm de diámetro. - Embudos de 100 mm de diámetro. - Matraces aforado de capacidad nominal 100 mL. - Probetas graduadas de 50,100, 250 y 1000 mL. Compostaje de Lodos de EDAR en Presencia de Zeolitas Sintetizadas a partir de Cenizas Volantes 59 4 R ESULTADOS Y DISCUSIÓN En el presente apartado, se presentan los resultados de la caracterización de las materias primas empleadas en los 12 reactores utilizados para la matriz de ensayos (ver apartado 3.1.3 de Materiales y Métodos). Por otro lado, se presenta la evolución de los parámetros físico-químicos que sirven para controlar la formación del compost durante la incubación. Finalmente, se han obtenido las medidas de los parámetros indicados en el RD 506/2013 que determinan la calidad del compost final. 4.1. Caracterización de las materias primas En la Tabla 4.1 se muestra los resultados de la caracterización que presentan las materias primas que se han utilizado en el proceso de compostaje. La humedad se determinó de por el método expuesto en el apartado 3.2.3.1. Los lodos y las cáscaras de naranja presentan el porcentaje de humedad más elevada, mientras que la poda de ciprés y la CV-Z contienen los menores porcentajes en humedad. Por otra parte, se determinó el pH y CE mediante los métodos concretados en los apartados 3.2.3.3 y 3.2.3.4, para tener la seguridad de que no se iban a tener valores muy extremos, sobre todo en el caso de las CV-Z, cuyo contenido en cenizas podría suponer una alcalinidad importante. Se estudió la influencia de la naranja para contrarrestar el alto pH y CE de estas, obteniendo resultados favorables. Por otro lado, se podría suponer que la misma neutralización se iba dar con los lodos y la poda de ciprés. Tabla 4.1: Caracterización de los distintos componentes del compost Lodos Poda de ciprés CV-Z Cáscaras de naranja Compost Humedad (%) 74,20 12,63 9,90 77,57 53,49 pH 8,08 5,45 10,45 3,96 8,14 CE (mS/cm) 2,57 0,23 5,64 1,10 0,36 Como ya se ha comentado, los lodos presentan un alto contenido en metales pesados (tabla 4.5) , en especial en Cinc, cuyo valor excede el permitido por el RD 506/2013. Las CV-Z son, en RESULTADOS Y DISCUSIÓN 60 general, el segundo componente que presenta mayor concentración, posiblemente debido a la fracción residual de ceniza volante que contiene. Este aspecto es muy negativo, ya que nos puede dificultar la valoración de la CV-Z como enmienda para retener metales. En relación con el compost maduro utilizado presenta una concentración aceptable por el RD 506/2013, por el que alguno de los elementos le darían una clase A y otros clase B. Las cáscaras de naranjas y la poda de ciprés son las materias primas que menos trazas de elementos pesados contienen. Tabla 4.2: Metales pesados en las materias primas Lodo Poda de ciprés Cáscaras de naranja Compost CVZ Cadmio (mg/kg) 1,69 0,00 0,19 0,77 1,29 Cobre (mg/kg) 320,99 11,12 24,08 59,66 68,38 Níquel (mg/kg) 23,34 0,42 7,40 31,17 43,14 Plomo (mg/kg) 145,48 2,00 4,99 26,78 21,35 Cinc (mg/kg) 1336,17 20,93 90,73 159,73 90,33 Mercurio (mg/kg) <5,00 <5,00 <5,00 <5,00 <5,00 Cromo (mg/kg) 47,42 3,10 6,46 70,28 78,47 4.2. Control de la evolución del proceso de compostaje El proceso de compostaje desarrollado en este proyecto tuvo lugar desde el día 20 de Mayo de 2015, hasta el día 15 de Julio de 2015, por lo que tuvo una duración de 57 días. Durante este periodo se llevaron a cabo varias tomas de muestras para el estudio de los principales parámetros y realizar las aireaciones periódicas (Tabla 4.2). Tabla 4.3: Tomas de muestras y aireación Parámetro Control/Toma de muestras Aireación Aireación forzada: días 3 y 10 Volteos: 2º y 4º día de cada semana Temperatura A diario Humedad Semana 1, 3, 4 y 7 pH y CE Semana 1, 4 y 7 C y N, MOT y metales pesados Día 1 y día 57 (Inicio y fin) Compostaje de Lodos de EDAR en Presencia de Zeolitas Sintetizadas a partir de Cenizas Volantes 61 4.2.1 Temperatura, humedad y aireación. En la Figura 4.1.a se representa la evolución de la temperatura de los reactores C1, C2, C3 y C4 (ver apartado 3.1.3 Matriz de ensayos). La temperatura inicial de los reactores fue muy similar entre 36-39 ºC. Como se puede observar el primer y segundo día se produce un incremento de temperatura en todos ellos, debido a que comienza la actividad de los microorganismos mesófilos. Sin embargo, es mayor el incremento en los reactores C3 y C4, que llegan a sobrepasar la temperatura de 45 ºC. Este hecho posiblemente esté relacionado con la humedad de cada reactor, ya que estos son los que presentan una humedad menor del 65%, mientras que las de C1 y C2 son mayores (Figura 4.1.b), fuera del rango recomendado entre el 40 y 60%, y por tanto favoreciendo una posible la actividad anaerobia. Que los reactores C3 y C4, presenten menor humedad se puede deber fundamentalmente a que contienen una mayor cantidad de CVZ, que como puede observarse en la Tabla 4.1, se trata de la materia prima con menor humedad ( 9,90 %) , además de presentar propiedades higroscópicas. A 15 días desde el comienzo de la inoculación, las temperaturas sufren un descenso, incluso por debajo de los 30 ºC, para después volver a aumentar y estabilizarse a los 30 días de proceso, donde podría comenzar la fase de maduración. En cuanto a la humedad, podemos ver como desciende hacia la zona óptima pasadas dos semanas, para luego volver a sufrir un aumento o estabilizarse, como en el caso de C4. El caso de los reactores C5, C6, C7, C8 es prácticamente similar. Éstos siguen el mismo patrón que los anteriores (Figura 4.1.c y 4.1.d). Se produce un pequeño aumento de temperatura al inicio, aunque nunca se alcanzó el rango óptimo de 60-70 ºC, seguido de un descenso pasados 15 días, y una estabilización a los 30 días. En cuanto a la humedad, se produce un descenso en las 2 primeras semanas, seguido de un aumento paulatino en el caso de C7, o de un aumento y descenso en el resto de los casos. Cabe destacar el pico de máxima y de mínima temperatura de todos los reactores, se dio en el C7 alcanzando los 53 ºC y los 25 ºC respectivamente, y el brusco descenso de humedad del reactor C5. Por otra parte, el grupo de reactores C9 a C12 (Figura 4.1.e y 4.1.f), presentan la media de humedad más elevada, ya que no sufren el acusado descenso del resto, posiblemente debido a que son los reactores con mayor cantidad de cáscara de naranja. Además, es destacable que el reactor C9, sufre el mayor incremento de temperatura, siendo el reactor con mayor humedad. Respecto a la aireación, se ha de comentar que los reactores fueron aireados al final de las dos primeras semanas mediante aireación forzada, pasando después a volteos, en concreto 2 por RESULTADOS Y DISCUSIÓN 62 semana. Se decidió así, tras observar un descenso brusco de temperatura después de ser aireados forzadamente, pudiendo haber condicionado el hecho de no alcanzar la temperatura deseada en la fase termófila. Sin embargo, también puede haber sido el condicionante de los descensos de humedad, todos ellos favorables. La circunstancia de no haber logrado temperaturas más elevadas, podría estar relacionado también con el pequeño tamaño de los reactores, ya que se favorecen unas mayores pérdidas por las paredes. Este hecho puede ser contrastado con el estudio de Eljaiek. y col., 2013, quienes usando reactores de similares dimensiones a los de este estudio obtuvieron perfiles de temperatura muy parecidos (Figura 4.2), no alcanzándose en ningún caso temperaturas superiores a 45 ºC (53). Por otro lado, es importante tener en cuenta que muchos de los reactores se han encontrado por encima del rango óptimo de humedad en algún momento, pudiendo provocar déficit de oxígeno. Sin embargo, en ninguna fase de la fermentación se han detectado malos olores, síntoma de anaerobiosis. Compostaje de Lodos de EDAR en Presencia de Zeolitas Sintetizadas a partir de Cenizas Volantes 63 Figura 4.1: (a)Perfil de temperatura de los reactores C1 a C4; (b) Variación de la humedad de los reactores C1 a C4; (c)Perfil de temperatura de los reactores C5 a C8; (d) Variación de la humedad de los reactores C5 a C8; (e)Perfil de temperatura de los reactores (a) (b) (c) (a) (d) (e) (f) RESULTADOS Y DISCUSIÓN 64 Figura 4.2: Perfiles de temperatura en el estudio de Eljaiek, y col., 2013. 4.2.2. pH y Conductividad Eléctrica (CE) Durante el proceso de compostaje se tomaron tres muestras, en las semanas 1, 4 y 7. Los reactores con más CV-Z tienen un pH más elevado que los que tienen menor cantidad. A pesar de ello, todos los reactores mantienen un pH adecuado, encontrándose mayormente entre 7 y 8, y en la mayoría de los casos, presentando un aumento en las primeras semanas, para posteriormente sufrir una neutralización. (Figuras 4.3 a 4.5). Según Suler y col (1977) un compostaje con la aireación apropiada conduce a productos finales con pH entre 7 y 8. Valores más bajos son indicativos de fenómenos anaeróbicos y de que el material aún no está maduro. Se ha de indicar también, que si el pH se mantiene por encima de 7,5 durante el proceso es síntoma de una buena descomposición (34). En este proyecto, los reactores con el 20%p/p de CV-Z (C4, C8, C12) se mantuvieron, en todo momento, por encima de este umbral. Se ha de resaltar que en la semana 4, el pH de todos los reactores aumentó, excepto el de los reactores C1 y C2 que aún continuaron en descenso. Este hecho se debe, probablemente, a que estos dos son los que tienen mayor cantidad de materia orgánica y de carbono, por lo que, en este momento de control, podrían encontrarse generando ácidos orgánicos.. Compostaje de Lodos de EDAR en Presencia de Zeolitas Sintetizadas a partir de Cenizas Volantes 65 Figura 4.3: pH en los reactores C1 a C4 Figura 4.4: pH en los reactores C5 a C8 Figura 4.5: pH en los reactores C9 a C12 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 66 Con respecto a la CE, se produce una evolución similar a la del pH, presentando un valor superior los reactores con mayor cantidad de CV-Z (Figuras 4.6 a 4.8). Además, los reactores C3, C4, C7, C8, C12 están por encima del valor 3,5 mS/cm, considerado ligeramente elevado para la mayoría de las plantas. Mientras que el resto tienen un valor satisfactorio para la mayoría de las plantas, según la interpretación de los niveles de salinidad de un sustrato expresada como CE del extracto de saturación (54). El hecho de que la CE aumente durante el compostaje, ya ha sido descrito por otros autores (55) (56), con aumentos más acusados en las primeras semanas, donde la degradación de la materia orgánica es mayor. El reactor C7 presenta el mayor incremento de pH y CE durante las semanas posteriores a la etapa termofílica debido probablemente a la generación de amoniaco por la descomposición de las proteínas durante esta etapa. Figura 4.6: CE en los reactores C1 a C4 Figura 4.7: CE en los reactores C5 a C8 Compostaje de Lodos de EDAR en Presencia de Zeolitas Sintetizadas a partir de Cenizas Volantes 67 Figura 4.8: CE en los reactores C9 a C12 4.2.3. Materia Orgánica Total (MOT) Las pérdidas de materia orgánica, debidas a la conversión en CO2 y CH4, durante del proceso pueden llegar a alcanzar un 20 % de la masa total. En este trabajo, este valor no se alcanza en ninguno de los reactores, presentando C7, C10 y C11 las mayores pérdidas. (Tabla 4.3). Cabe destacar, que los reactores con un 10% de CV-Z (C3, C7, C11) presenta una degradación de la materia orgánica bastante elevada con respecto al resto. En especial, el reactor C7 es el que ha presentado una etapa termofílica mas duradera (7 días). Tabla 4.4: MOT en los reactores % MOT INICIAL % MOT FINAL Perdida MOT (%) C1 83,22 69,66 13,56 C2 69,79 59,72 10,07 C3 67,15 53,70 13,45 C4 53,20 48,17 5,03 C5 76,03 64,06 11,97 C6 68,18 60,88 7,30 C7 65,45 50,13 15,32 C8 50,97 47,90 3,07 C9 71,87 66,29 5,58 C10 69,15 54,27 14,88 C11 66,59 49,31 17,28 C12 52,62 42,68 9,94 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 68 4.2.4. Carbono total y nitrógeno total La relación C/N ideal de partida se encuentra en el intervalo 25-35, sin embargo, nuestros reactores presentan una relación bastante baja con respecto a este óptimo (57). Se puede observar, como esta relación es menor cuanto menos cantidad de poda de ciprés tienen los reactores (por tanto más CVZ), y cuanto más cantidad de naranja contienen. Como la relación C/N inicial es baja el compostaje se lleva con mayor rapidez , pero se puede producir una excesiva pérdida de N lo que conlleva un derroche de un nutriente valioso en el compost, y una emisión de amoniaco a la atmosfera. Es posible que esta producción de amoniaco se haya dado en los reactores, ya que como se ha visto en el apartado 4.2.3, se ha sufrido un incremento del pH y la CE, y que este amoníaco haya sido retenido por la CVZ, justificando entonces los posteriores descensos en estos parámetros, y la similitud, en general, de los porcentajes de Nitrógeno final e inicial (39) (60) (61) (62) Tabla 4.5: Relación C/N inicial en los rectores Carbono Inicial (%) BASE SECA Nitrógeno Inicial (%) BASE SECA C/N Inicial Carbono FInal (%) BASE SECA Nitrógeno Final (%) BASE SECA C/N Final C1 41,48 2,89 14,35 37,32 3,15 11,85 C2 28,29 2,59 10,92 28,12 2,58 10,90 C3 26,18 2,21 11,85 26,13 2,27 11,51 C4 16,4 1,91 8,59 22,02 1,92 11,47 C5 41,18 2,9 14,20 35,61 3,36 10,60 C6 25,6 2,52 10,16 30,07 2,85 10,55 C7 27,7 2,39 11,59 25,7 2,28 11,27 C8 16,07 1,88 8,55 20,99 1,88 11,16 C9 28,27 3,2 8,83 35,41 3,17 11,17 C10 24,4 2,79 8,75 29,71 2,51 11,84 C11 17,54 1,96 8,95 23,49 2,07 11,35 C12 13,92 1,65 8,44 17 1,66 10,24 Un aspecto a destacar, es el aumento de carbono producido, sobre todo en los reactores que contienen menor cantidad de poda. Este hecho se puede deber a que al contener estos mayor Compostaje de Lodos de EDAR en Presencia de Zeolitas Sintetizadas a partir de Cenizas Volantes 75 6. B IBLIOGRAFÍA 1. SHARMA, V. K.; CANDITELLI. M; FORTUNA.F and CORNACCHIA. G. “Processing of urban and agro-industrial residues by aerobic composting: Review”. Energy Conversion and Management. 1977, Vol. 38, p. 453-478. 2. Real Decreto 506/2013, de 28 de junio, sobre productos fertilizantes. BOE, 2013. 164, p. 51119 a 51207. 3. SOLIVA, Montserrat; LÓPEZ, Marga; HUERTA, Óscar. “Pasado, Presente Y Futuro Del Compost”. II International Conference on Soil and Compost Eco-Biology. Puerto de la Cruz, Tenerife, 2008. 4. SÁNCHEZ-MONEDERO, M. A.; ROIG, A.; PAREDES, C.; BERNAL, M. P. “Nitrogen transformation during organic waste composting by the Rutgers system and its effects on pH, EC and maturity of the composting mixtures”. Bioresource Technology, 2001, Vol. 78, p. 301308. 5. Amigos de la Tierra. 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