Especiación de metales pesados en lodos de aguas residuales de origen urbano y aplicación de lodos digeridos como mejoradores de suelos
Trabajo de investigación del Programa de Doctorado en
Ingeniería Ambiental de la Universidad de Málaga
Autor: Lorenzo Chicón



1. INTRODUCCIÓN.

2. EXPERIMENTACIÓN.

3. RESULTADOS. TRATAMIENTO Y DISCUSIÓN.

4. BIBLIOGRAFÍA.
 
 

1. INTRODUCCIÓN.

1.1. El problema ambiental de los metales pesados.

Numerosos estudios han abordado esta cuestión, existiendo unanimidad entre la comunidad científica respecto al carácter tóxico de los mismos para los seres vivos. Afectan a las cadenas alimenticias, provocando un efecto de bioacumulación entre los organismos de la cadena trófica. Ello es debido a la alta persistencia de los metales pesados en el entorno, al no tener, la mayoría de éstos, una función biológica definida. Bastante conocido es el caso en el que se incorporan a la cadena alimenticia a través de los organismos filtrantes presentes en los sedimentos marinos, habiéndose observado en ciertas especies un factor de bioconcentración (cociente entre la concentración del metal contaminante en el organismo vivo y en el agua circundante) de 291.500 para Fe y Pb, 200.000 para Cr o 2.260.000 para Cd.

Huelga, por tanto, cualquier comentario respecto al problema que supone la presencia de metales pesados en los lodos de aguas residuales de origen urbano –en lo sucesivo los mencionaremos simplemente como lodos, aclarando la procedencia de éstos cuando su origen sea diferente del que aquí estamos tratando–, sobre todo si tenemos en cuenta que en España se generan anualmente más de 10 Millones de Toneladas de lodos de depuradora, lo que implica el vertido al entorno de ingentes cantidades de metales, con el riesgo que ello supone para el medio ambiente y para la salud de las personas.

1.2. Objetivo de la investigación.

El presente trabajo pretende realizar una aproximación al problema asociado a la presencia de metales pesados en los lodos de aguas residuales de origen urbano, especialmente cuando éstos son utilizados como mejoradores de suelos, analizando las características que determinan un tratamiento adecuado y ambientalmente seguro para los suelos tratados.

Más importante que el contenido total en metales pesados, resulta la identificación de las formas químicas (especiación) de esos metales, lo que nos va a permitir la elección del tratamiento más adecuado para la gestión y aplicación de los lodos, evitando la movilización de los metales pesados presentes en los mismos.

1.3. Fuentes, agentes y vías de contaminación.

La procedencia de los metales pesados encontrados en las aguas residuales es variada, asociándose las fuentes de contaminación a pequeñas industrias establecidas en zonas urbanas o en polígonos industriales carentes de plantas de tratamiento, a talleres de automóviles, al pequeño y mediano comercio, a grandes infraestructuras como puertos y aeropuertos, a grandes áreas comerciales, al baldeo y limpieza de calles o a las de tipo propiamente doméstico.

Los agentes y las vías de contaminación por metales pesados en las aguas residuales de origen urbano son igualmente diversos, destacando los vertidos ilegales a la red de alcantarillado de aceites lubricantes usados con altos contenidos de plomo –situación claramente en recesión, no sólo por las mejoras introducidas en la gestión de dichos residuos, sino, fundamentalmente, por la introducción de las gasolinas sin plomo–, pinturas y colorantes con ciertos niveles de plomo, vertidos de taladrinas –sustancias utilizadas en la industria metalúrgica como refrigerantes y lubricantes– con alto contenido en metales, pilas botón con elevados niveles de níquel, cadmio o mercurio procedentes del ámbito doméstico, residuos originarios de la industria del decapado, etc.. También merece la pena considerar otras vías de contaminación como la procedente de la corrosión de tuberías y depósitos metálicos, así como la proveniente del arrastre por el baldeo de calles o por las aguas pluviales, siendo un buen ejemplo de ello el Pb procedente de la combustión de las gasolinas o los metales provenientes de procesos de corrosión diversos, depositados en el medio urbano.

En síntesis, estamos ante un problema complejo en el que los agentes contaminantes son variados, las fuentes de procedencia son diversas y las vías o rutas seguidas por los distintos contaminantes, frecuentemente, escapan al control necesario para evitar efectos indeseados sobre el entorno natural y urbano. Al objeto de valorar con la debida importancia la magnitud de la cuestión, podemos afirmar que estamos ante un problema de carácter global al que no podemos –ni debemos– cerrar los ojos.

1.4. Tratamiento y aplicación de lodos.

Tres son las alternativas barajadas para la gestión de los lodos procedentes del proceso de depuración de aguas residuales de origen urbano: incineración, vertidos al mar y tratamiento en tierra en sus diversas opciones. Seguidamente se detallan las distintas posibilidades que se nos pueden presentar:
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2. EXPERIMENTACIÓN.

2.1. Procedimiento operatorio.

El lodo utilizado procede de la Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR) de Fuengirola (Málaga), en la cual se tratan vertidos domésticos de esta ciudad y de la vecina Mijas, procesando durante la operación normal un volumen promedio de 20.000 m3/día de agua residual. La estación dispone de dos digestores anaeróbicos de 2.200 m3 de capacidad cada uno, donde el lodo es procesado en períodos aproximados de 30 días, con una producción promedio de 2600 Kg/día.

El procedimiento seguido para la especiación de los lodos es el propuesto por el Grupo de Investigación de Gestión Ambiental, GIGA, el cual está basado en el de Tessier et al., posteriormente modificado por Salomons y Förstner, habiéndose aplicado con éxito a diferentes sistemas, tales como sedimentos de ríos y estuarios así como materiales dragados, lodos de aguas negras y columnas experimentales de filtros de arena. Las características de dicho procedimiento están recogidas en la Tabla I.

TABLA I
Procedimiento de especiación
Paso Extractante Fracción Condiciones (*)
1 Acetato de amonio 1M a pH 7 Intercambiable 1:20, 2h
2 Acetato de sodio 1M a pH 5 Carbonatada 1:20, 5h
3 Hidrocloruro de hidroxilamina 0,1M a pH 2 Fácilmente reducible 1:100, 12h
4 Oxalato de amonio 0,2M a pH 3 Moderadamente reducible 1:100, 24h
5 Peróxido de hidrógeno al 30% a pH 2       Acetato de amonio 1M Orgánico/Sulfhídrica 1:10, 5h, 85oC 1:100, 12h
6 Ácido nítrico conc. (40%) Residual 1:5, 2h, 170oC
(*) Las proporciones indicadas corresponden a la ratio lodo/extractante

A partir del lodo desecado obtenido directamente de los digestores anaeróbicos se han preparado submuestras duplicadas de 10 y 20 g (base húmeda), respectivamente, para proceder a la extracción selectiva secuencial de los metales pesados (Cd, Cu, Fe, Ni, Pb, y Zn) presentes en las mismas.

Para determinar el contenido metálico total se llevó a cabo la digestión ácida de sendas muestras de lodo de 10,79 g y 20,25 g, alternando el tratamiento de ácido nítrico concentrado con agua regia a 170 oC, hasta la digestión total de las mismas, llevando las muestras a sequedad y diluyendo a continuación hasta 25 ml y 50 ml, respectivamente.

2.2. Análisis de las muestras.

El contenido de metales pesados fue determinado por espectrofotometría de absorción atómica del extracto y del agxarde lavado de las fracciones intercambiable, carbonatada, reducible, moderadamente reducible, orgánico/sulfhídrica y residual. Igualmente, fue determinado el contenido total en metales de las muestras digeridas con ácido nítrico concentrado y agua regia. El método empleado permitió obtener las concentraciones de cadmio, cobre, hierro, níquel, plomo y zinc presentes en el lodo.

La humedad y el contenido orgánico (sólidos volátiles) fueron determinados por pérdida de peso después de 24 h a 105 oC y 3 h de incineración a 550 oC, respectivamente.

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3. RESULTADOS. TRATAMIENTO Y DISCUSIÓN.

3.1. Caracterización de los lodos.

Los estudios han conducido a resultados reproducibles, exhibiendo una especificidad de extracción razonablemente alta. Los valores respectivos del contenido metálico total están expresados en la tabla II, mientras que el reparto de los mismos entre las diferentes fracciones queda recogido en la tabla III.

TABLA II
Características del lodo y contenido metálico (base seca)
Parámetro Valor Cont. Metálico Valor
Potencial redox (mV) -166 Cadmio (mg/kg) 3,28
PH 7,2 Cobre (mg/kg) 250,0
Humedad (%) 77,4 Níquel (mg/kg) 125,0
Materia orgánica (%) 55,7 Plomo (mg/kg) 365,7
Fe (%) 1,30 Zinc (mg/kg) 864,9
 
Comparando los resultados de nuestra investigación con los correspondientes a los lodos anaeróbicamente digeridos en una EDAR de Tucson (Arizona), se puede observar que en nuestro caso los niveles de metales pesados (mg/Kg base seca) son claramente inferiores para el Cobre (250 frente a 520) y el Zinc (864,9 frente a 1900), notablemente superiores para el Níquel (125 frente a 13) y el Plomo (365,7 frente a 59) y muy similares para el Cadmio (3,28 frente a 3,5).

No obstante, en los lodos de Fuengirola, el contenido en metales está por debajo de los niveles máximos permitidos para su aplicación como fertilizantes y mejoradores de suelos, incluso en las condiciones más desfavorables, tal como se recoge en la Tabla IV, donde se expresa las concentraciones límite de metales permitidas por la normativa vigente.

3.2. Distribución de los metales en los lodos.

El resultado obtenido para cada una de las fracciones correspondientes a la extracción secuencial propuesta queda reflejado en la Tabla III, observándose para todos los metales un nivel extremadamente bajo en la fracción intercambiable, lo que implica una estabilidad apreciable de las diferentes especies químicas metálicas, poco propensas, por tanto, a movilizarse fácilmente del lodo.

TABLA III
Reparto de metal en las distintas fracciones del lodo (%)
Fracción
Cd
Cu
Fe
Ni
Pb
Zn
Intercambiable
0,7
0
0,2
2,3
2,3
0,9
Carbonatada
38,4
0
0,9
6,4
2,9
1,4
Reducible
15,7
2,6
37,2
30,9
21,1
47,1
Orgánica/Sulfhídrica
8,4
28,9
0,1
24,3
1,7
3,3
Residual
36,8
68,5
61,6
36,1
72,0
47,3
Total
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0

Sólo el Cadmio está presente de forma apreciable en la fracción carbonatada (38,4%) y, en consecuencia, sólo este elemento será sensible a la acción de los ácidos débiles. En menor medida se encuentra el Níquel (6,5%).

La fracción reducible está asociada a los metales ligados a óxidos de hierro y manganeso y, salvo el Cobre, todos los demás elementos metálicos analizados están presentes en cantidades apreciables, siendo máxima para el Zn (47,1), el Hierro (37,2%) y el Níquel (30,9), siguiendo el Plomo (21,1%) y finalmente el Cadmio (15,7%).

En la fracción orgánico/sulfhídrica encontramos cantidades respetables de Níquel (24,3%) y Cobre (28,9) y en menor medida Cadmio (8,4%) y Zinc (3,3).

Finalmente, en la fracción residual aparecen cantidades considerables de todos los metales, sobre todo Plomo (72,0%), Cobre (68,5%), Hierro (61,6%) y en menor medida, pero con valores sensiblemente elevados, Zinc (47,3%), Cadmio (36,8%) y Níquel (36,1%). Estos datos nos permiten afirmar que, salvo el Cadmio que está presente en casi todas las fracciones y por tanto hay que vigilarlo muy de cerca, la mayoría de los metales están estrechamente ligados a las fracciones químicamente más estables del lodo, previéndose para los mismos unos bajos niveles de movilidad.

3.3. Aplicación de lodos como mejoradores de suelos.

Quizás la opción más interesante para nuestro país, y en particular para la Comunidad Autónoma Andaluza, sea el aprovechamiento de los lodos como mejoradores de suelos, ya que, además de proporcionar nutrientes, facilitan el transporte de los mismos, incrementan la retención de agua y mejoran el suelo cultivable. Por tanto, al uso estrictamente agrícola hay que sumar la posibilidad de que se les pueda utilizar para regenerar suelos estériles o bien tratar suelos de bosques, lo que permitiría mejorar la cubierta vegetal, redundando en una menor escorrentía –lo cual permitiría controlar grandes avenidas como consecuencia de lluvias torrenciales– y una mayor capacidad de infiltración de esos suelos –mejorando por tanto la recarga de los acuíferos–. Vemos pues, que de todas las opciones posibles, a esta última le corresponde un valor añadido que no alcanzan las demás, suponiendo a su vez un ahorro en fertilizantes, factor que debe ser tenido en cuenta.

Vemos, pues, que la aplicación controlada de lodo al suelo supone un aporte de cantidades significativas de nutrientes (carbono, nitrógeno, azufre y fósforo) y micronutrientes (zinc, hierro y cobre), propiciando una situación favorable para el desarrollo de las plantas. No ocurre lo mismo con otros metales como el cadmio, mercurio, plomo, etc., que resultan altamente tóxicos para cualquier forma de vida vegetal o animal.

En nuestro caso, como ya se indicó con anterioridad, el lodo analizado contiene unos niveles de metal aptos para su aplicación en suelos, de acuerdo con la normativa vigente, cuyos valores quedan recogidos en la tabla IV, por lo que su aplicación como fertilizante queda plenamente justificada.

Sin embargo, no debemos olvidar que un aporte de lodos al suelo, de forma continua y reiterada durante largos períodos de tiempo, favorece la acumulación de metales en el mismo, por lo que podría alcanzar unos niveles de contaminación suficientemente elevados, lo que obligaría, por tanto al control de los suelos tratados.

TABLA IV
Concentraciones límite de metales pesados en suelos agrícolas (mg/Kg base seca)
Metal Concentración en suelos Concentración en lodos Carga máxima
 
pH suelo <7
pH suelo >7
pH suelo <7
pH suelo >7
(a 10 años)
Cadmio 1,0 3,0 20 40 0,15
Cobre 50,0 210,0 1000 1750 12,00
Níquel 30,0 112,0 300 400 3,00
Plomo 50,0 300,0 750 1200 15,00
Zinc 150,0 450,0 2500 4000 30,00


3.4. Evaluación del riesgo en la aplicación de los lodos como fertilizantes.

Con objeto de evaluar adecuadamente el riesgo que comporta la utilización de lodos de depuradora con fines agrícolas y forestales, conviene tener en cuenta el conjunto de factores que determinan la movilidad de los metales pesados en el suelo que vamos a tratar.

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© Lorenzo Chicón
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