El volumen de lodos de depuradora depende de la carga contaminante que llega a la estación depuradora, del caudal tratado, del tipo de tratamiento y del grado de concentración alcanzado durante el espesamiento, la digestión y la deshidratación. La DQO permite estimar la cantidad total de materia orgánica oxidable que entra en la instalación, pero por sí sola no determina directamente el volumen final de lodos.
La relación práctica se establece mediante el balance de materia: primero se calcula la carga de DQO, después se determina qué fracción se transforma en biomasa y, finalmente, se aplica el contenido de sólidos del lodo obtenido. Por tanto, para calcular el volumen es necesario conocer también el caudal, la concentración de sólidos, la producción específica de fangos y la sequedad final.
Qué es la DQO y por qué se relaciona con los lodos
La DQO (Demanda Química de Oxígeno) mide la cantidad total de oxígeno necesario para oxidar tanto la materia orgánica biodegradable como la no biodegradable. La DQO en aguas residuales permite conocer la carga contaminante total, incluyendo compuestos difíciles de degradar.
Cuando hablamos de qué es la carga contaminante (DBO y DQO), nos referimos a la cantidad de oxígeno que necesitan los microorganismos o los procesos químicos para descomponer la materia orgánica presente en el agua. Cuanto mayor sea este valor, mayor será el nivel de contaminación del agua.
La principal diferencia es:
- DBO: solo mide materia biodegradable
- DQO: mide toda la materia orgánica
Por tanto, la DQO siempre es mayor que la DBO. Ambos parámetros permiten evaluar el grado de contaminación y determinar el tipo de tratamiento necesario.
La DBO (Demanda Biológica de Oxígeno) mide la cantidad de oxígeno que los microorganismos necesitan para descomponer la materia orgánica biodegradable presente en el agua. La DBO5 en aguas residuales mide la contaminación orgánica que puede ser degradada por microorganismos.
De la concentración de DQO a la carga contaminante
La concentración de DQO se expresa normalmente en miligramos por litro, mientras que la carga contaminante se expresa como una cantidad de DQO por unidad de tiempo. Para obtenerla se necesita multiplicar la concentración por el caudal.
La carga contaminante del agua residual indica el nivel de suciedad del agua y es clave para definir su tratamiento. Comprender cómo medir la carga contaminante del agua es fundamental para diseñar sistemas de depuración eficientes.
La relación básica es:
Carga de DQO (kg/día) = DQO (mg/L) × caudal (m³/día) ÷ 1.000
Por ejemplo, un caudal de 100 m³/día con una DQO de 600 mg/L representa una carga de 60 kg DQO/día.
| Parámetro | Unidad habitual | Información que aporta |
|---|---|---|
| DQO | mg/L | Concentración total de materia orgánica oxidable |
| Caudal | m³/día | Volumen de agua residual tratado diariamente |
| Carga de DQO | kg DQO/día | Cantidad total de contaminación recibida por la planta |
| Sequedad del lodo | % de materia seca | Proporción de sólidos presentes en el lodo |
| Volumen de lodo | m³/día | Espacio ocupado por el lodo según su concentración |
Cómo se transforma la DQO en lodos
Los lodos son un producto de la depuración de aguas, que se generan en los procesos de decantación primaria y decantación secundaria. Los lodos de depuradora son, por tanto, una mezcla de agua y sólido resultado de aplicar varios tratamientos a las aguas residuales.
En una EDAR (Estación depuradora de aguas residuales) se tratan en líneas diferentes las aguas y los fangos. Durante el proceso de tratamiento, se generan unos lodos que se denominan lodos de depuración.
Una parte de la DQO queda retenida en la decantación primaria como sólidos sedimentables. Otra parte de la materia orgánica soluble y coloidal se elimina en el tratamiento biológico, donde los microorganismos utilizan el sustrato orgánico para crecer y formar biomasa.
La fracción biodegradable de la DQO no se convierte íntegramente en lodo. Una parte se oxida y se transforma en dióxido de carbono y agua, otra parte se incorpora a la biomasa y otra puede permanecer como materia no biodegradable o salir con el efluente tratado.
La producción de lodos depende fundamentalmente de:
- La carga de DQO que entra en la depuradora.
- La proporción biodegradable de la DQO.
- La relación entre la DBO y la DQO.
- La existencia de decantación primaria.
- El rendimiento de eliminación del tratamiento biológico.
- La edad del fango y el tiempo de retención celular.
- La digestión y estabilización de la materia orgánica.
- La eficacia del espesamiento y la deshidratación.
Tipos de lodos que influyen en el volumen final
La composición de los lodos va a depender fundamentalmente del origen de los mismos: si es urbano o si es industrial. Por tanto, no nos vamos a encontrar con unos lodos homogéneos en su composición.
Los lodos de la estación depuradora se dividen en 4 «tipos»: lodos primarios, lodos fisicoquímicos, lodos biológicos, lodos mixtos.
Lodos primarios
Los lodos primarios son el resultado de un tratamiento primario por decantación. Este proceso dura alrededor de dos horas y permite extraer las materias más pesadas que el agua.
El principio es sencillo: el agua reposa en un depósito y las impurezas pesadas caen al fondo del mismo; las impurezas recogidas en el fondo de la instalación se denominan lodos primarios y están compuestos por materias inorgánicas.
Lodos biológicos
Los lodos biológicos se forman a través del tratamiento biológico secundario, que se produce después del tratamiento primario. Permite eliminar las materias orgánicas que no se han podido retirar aguas arriba.
Por tanto, estos lodos están formados principalmente por materias orgánicas y contienen un bajo porcentaje de materias inorgánicas.
Lodos fisicoquímicos
Los lodos fisicoquímicos son los obtenidos por decantación. Estos lodos son consecuencia de un tratamiento con un reactivo y proceden de los sectores nuclear y químico.
Lodos mixtos
Los lodos mixtos es uno de los lodos que se produce durante el tratamiento primario por decantación y el tratamiento biológico secundario, es decir, entre los lodos primarios y biológicos.
Relación entre DQO eliminada y producción de lodos
La DQO eliminada puede utilizarse como punto de partida para estimar la producción de sólidos biológicos. Sin embargo, la cantidad real depende del rendimiento observado en la planta y no de una relación universal aplicable a todas las instalaciones.
Para una estimación conceptual se puede expresar la producción de sólidos como:
Producción de sólidos = DQO eliminada × rendimiento de producción de sólidos
El rendimiento de producción debe determinarse según el tipo de proceso y las condiciones de operación. En una instalación real, la estimación debe contrastarse con los datos de extracción de fangos, materia seca y funcionamiento del tratamiento.
La DQO soluble biodegradable favorece la formación de biomasa en el reactor biológico, mientras que la DQO particulada puede pasar primero a la decantación primaria o ser hidrolizada antes de su utilización por los microorganismos.
Los fangos procedentes de la hidrólisis térmica presentan una baja viscosidad y una alta concentración de DQO soluble. Esto hace que la producción de biogás en el digestor anaerobio sea mayor y que se produzcan una menor cantidad de fangos.
Fórmula para calcular el volumen de lodos
El volumen de lodo se obtiene dividiendo la masa total de sólidos entre la concentración de sólidos del lodo. La expresión general es:
Volumen de lodo (m³/día) = masa de sólidos secos (kg/día) ÷ concentración de sólidos (kg/m³)
Si la concentración se expresa como porcentaje de materia seca, puede utilizarse la siguiente relación aproximada:
Volumen de lodo (m³/día) = masa de sólidos secos (kg/día) ÷ [1.000 × porcentaje de materia seca en forma decimal]
Así, cuanto menor es la sequedad, mayor es el volumen de lodo que debe almacenarse, bombearse y transportarse. La misma masa de sólidos puede ocupar volúmenes muy diferentes según la cantidad de agua que contenga.
| Estado del lodo | Contenido indicado en el material | Efecto sobre el volumen |
|---|---|---|
| Lodo sin concentrar | Más de un 95% de agua | Volumen muy elevado |
| Lodo sin deshidratar | 80-90 % de agua | Volumen elevado |
| Lodo de estaciones depuradoras | 1-5 % de sequedad | Necesita espesamiento y deshidratación |
| Lodo espesado | 6-8 % de sequedad | Menor volumen y mejor tratamiento posterior |
| Lodo deshidratado | Hasta un 40% MS en determinados procesos | Volumen mucho menor |
Ejemplo de cálculo orientativo
Supóngase una EDAR que trata 100 m³/día y recibe una DQO de 600 mg/L. La carga de entrada será de 60 kg DQO/día.
Si se considera una eliminación de 80 %, la carga eliminada será de 48 kg DQO/día. La producción real de sólidos deberá obtenerse aplicando el rendimiento específico de la instalación.
Si la masa resultante de sólidos secos fuese de 24 kg/día, el volumen aproximado sería diferente según el grado de concentración:
| Sequedad del lodo | Volumen aproximado para 24 kg MS/día |
|---|---|
| 1 % | 2,4 m³/día |
| 5 % | 0,48 m³/día |
| 8 % | 0,30 m³/día |
| 40 % | 0,06 m³/día |
El ejemplo muestra que la DQO determina la carga orgánica de partida, pero la sequedad es el parámetro que convierte la masa de sólidos en volumen manejable.
Espesamiento y reducción inicial del volumen
Este tratamiento consiste en la acción de la gravedad, que actúa depositando el lodo en el fondo y dejando el agua arriba. Esta etapa permite aumentar la tasa de sequedad del lodo para que alcance entre un 6 y un 8 %.
El espesamiento es indispensable para una mayor calidad del tratamiento ulteriormente. Al eliminar parte del agua libre se reduce el caudal que debe enviarse a la digestión, se disminuyen los costes de bombeo y se mejora la capacidad de los equipos posteriores.
Los lodos están formados por agua libre o agua ligada. El agua libre se absorbe poco y, por tanto, se disocia con facilidad gracias a un sistema de deshidratación.
Las partículas y bacterias se fijan en el agua ligada y no pueden eliminarse más que con secado térmico.
Digestión anaerobia y volumen de lodos
La digestión anaerobia es una fermentación microbiana en ausencia de oxígeno que da lugar a biogás (formado principalmente por metano o dióxido de carbono) y un material estabilizado conocido como fango digerido.
Las tres ventajas más importantes son:
- Estabilización: el residuo obtenido tras la digestión anaerobia está más estabilizado, lo que hace posible su uso material para compostaje, abono…
- Generación de biogás: como combustible para calderas y motores de cogeneración en las plantas de tratamiento.
- Reducción: del volumen de fangos.
La digestión anaerobia sucede en una serie de etapas en las cuales se van transformando los fangos en productos de degradación, mientras reducen su volumen.
Hidrólisis
Se trata de la conversión de bio-polímeros (proteínas, hidratos de carbono y grasas) en sus monómeros respectivos (aminoácidos, azúcares y ácidos grasos de cadena larga).
Es un proceso lento, cuya velocidad de degradación se ve afectada por un gran número de factores.
Acidogénesis o fermentación
Los productos generados en la etapa de hidrólisis se transportan al interior de la célula, para su transformación en acetatos, productos intermedios (ácidos grasos volátiles, alcoholes) e hidrógeno.
El tiempo de degradación de esta etapa será reducido.
Acetogénesis
Los productos originados en la etapa anterior son transformados por las bacterias homoacetogénicas y las sintróficas o productoras de hidrógeno (OHPA), en acetato, dióxido de carbono e hidrógeno.
Metanogénesis
Es la etapa final de la digestión anaerobia. A partir del acetato, el dióxido de carbono y el hidrógeno formado durante la Acetogénesis, se produce metano.
El acetato es el principal precursor del metano, alrededor de 70% del metano procede del acético.
A pesar de las ventajas antes mencionadas, la digestión anaerobia de residuos de naturaleza sólida, como los fangos, presenta una limitación en la etapa de hidrólisis, en la cual la velocidad de degradación es lenta, debido a la baja solubilización de la materia orgánica suspendida y los sólidos orgánicos.
Esto ocasiona que los rendimientos de eliminación alcanzables no superen el 40%.
Parámetros de operación
El pH en la digestión anaerobia es un parámetro que se debe controlar, su valor debe estar entre 6,5 y 8,5. El rango más usual de temperatura en este tipo de digestión es 25-40 ºC.
Se denomina régimen mesófilo. También se puede operar a 55ºC lo que se conoce como régimen termófilo.
El tiempo de retención es el tiempo medio que los sólidos permanecen en el interior del reactor. Su valor más común oscila entre 30-40 días, tiempos superiores a éstos hacen necesario un mayor volumen de reactor.
Las sustancias tóxicas o inhibidoras pueden estar presentes en los fangos antes de su digestión o formarse durante la misma. Estas sustancias reducen el rendimiento de la digestión anaerobia, incluso pueden llegar a desestabilizar el proceso.
WEBINAR: Fundamentos del proceso de digestión anaerobia
Hidrólisis térmica para reducir el volumen
Para aumentar la eficacia del proceso de digestión anaerobia de lodos existen técnicas apropiadas, y tal vez, la más eficiente es la hidrólisis térmica.
El objetivo de este tipo de pretratamiento es hacer el sustrato más accesible a las bacterias anaerobias, acelerando el proceso de digestión (aumento de la cantidad de metano producida) y disminuyendo la cantidad de fango generado.
La hidrólisis térmica consiste en aplicar alta presión y temperatura durante un cierto periodo de tiempo. Una vez conseguido la hidrolización de dichos lodos, el proceso continúa con la digestión anaerobia mesofílica de los mismos.
El rango de temperaturas oscila entre 140-200 ºC y la presión entre 6-20 bar, durante unos 30 minutos aproximadamente.
Este proceso ocasiona que las células se rompan y se desintegren, siendo más fácilmente degradables por los microorganismos anaerobios. Algunos sólidos en suspensión se solubilizan y los compuestos orgánicos de cadena larga se descomponen debido a las reacciones de hidrólisis.
Según Graja (2005) y Valo (2004), se ha demostrado que empleando la hidrólisis térmica como pretratamiento en la digestión anaerobia se aumenta la producción de metano alrededor de un 45%.
Entre las principales ventajas de la hidrólisis térmica de fangos se encuentran:
- Aumento de la producción de biogás en aproximadamente 30-50%
- Alta eficiencia energética.
- Reducción de la viscosidad del fango y no generación de espumas.
- Obtención de fangos exentos de patógenos y estabilizados (Clase A).
- Reducción del volumen de fango digerido.
- Mejora la deshidratación de los lodos en un 50-100%.
Esto permite doblar la carga orgánica en el digestor (8-12% MS), reduciendo el volumen del digestor a un tercio o la mitad del volumen de uno convencional.
Se pueden alcanzar sequedades de un 40% MS, lo que hace que disminuya el volumen de lodos producidos.
El proceso puede ser operado de forma discontinua (batch) o de forma continua. El balance energético depende del modo de operar el sistema.
Los sistemas que operan en discontinuo realizan una utilización ineficiente de la energía y se sobredimensiona el equipo principal. El empleo de sistemas que operan en continuo permite la implantación de este tipo de tecnología en una gama más amplia de instalaciones.
Deshidratación: el factor que más reduce el volumen transportado
En este apartado el objetivo es extraer la máxima cantidad de agua/humedad para reducir su volumen y su peso para facilitar el transporte. Se utilizan medios mecánicos como presión, centrífugado o filtros.
La deshidratación permite producir un lodo pastoso o sólido a través de un aumento de la sequedad del lodo original. El secado permite obtener un lodo sólido (deshidratado).
La deshidratación de los lodos procedentes de la depuración de aguas residuales urbanas es el último paso en todo el proceso de tratamiento de las aguas residuales.
Es imprescindible y muy importante, ya que el alto contenido en agua (cercano al 85% en la mayor parte de los casos) haría inviable su gestión final si no existe antes esta fase de deshidratación.
Los equipos más habituales incluyen:
- Centrifugado.
- Filtros prensa.
- Filtros de banda.
- Lechos de secado.
- Secado térmico.
- Secado solar.
El tratamiento permite reducir el volumen de agua y eliminar las diferentes materias contaminantes y fermentables. Tiene por objetivo preparar soluciones de reciclaje del lodo por valorización o eliminación.
Cómo influye la DQO en instalaciones pequeñas y grandes
En las depuradoras de aguas residuales de gran tamaño se producen cantidades enormes de fangos. Habitualmente, se asocia en la fase de diseño el destino de los mismos.
Cuando la generación de fangos es excesiva conviene reducir su volumen. En estos casos, se emplean tecnologías avanzadas de digestión de fangos.
Las EDAR instaladas en pequeños municipios carecen de sistemas propios de deshidratación de fangos, en su gran mayoría. Esto ocasiona un elevado coste de mantenimiento para las entidades gestoras debido a varias razones:
- Generan pequeñas cantidades.
- Suelen tener una gran dispersión geográfica.
- Pueden estar muy alejadas de instalaciones apropiadas para el tratamiento de los fangos.
Un plan de mantenimiento bien estructurado en este tipo de depuradoras puede reducir los costes notablemente, ya que se realiza un recorrido por todas las depuradoras de estas características extrayendo los lodos y tratándolos en el mismo lugar.
De este tratamiento se extraen dos fracciones: el agua libre de sólidos, que se devuelve a la cabecera del tratamiento, y la fracción sólida seca que se gestiona de manera más sencilla y más barata.
Origen y composición de los lodos
Los lodos de depuradora son el residuo semisólido que se genera en las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) durante el tratamiento de las aguas urbanas e industriales.
Los lodos de depuradora están formados, en proporciones variables, por:
- Materia orgánica en suspensión.
- Nutrientes (nitrógeno, fósforo y potasio), que les dan valor agronómico.
- Agua: hasta un 80-90 % en lodos sin deshidratar.
- Contaminantes: metales pesados y contaminantes emergentes (microplásticos, restos de fármacos).
- Microorganismos, incluidos patógenos potenciales.
Los tratamientos del agua concentran la contaminación presente en el agua, y por tanto, los lodos contienen amplia diversidad de materias suspendidas o disueltas.
Algunas de ellas con valor agronómico son la materia orgánica, el nitrógeno (N), el fósforo (P) y el potasio (K) y en menor cantidad el calcio (Ca), el magnesio (Mg) y otros micronutrientes esenciales para las plantas.
Otras tienen potencial contaminante como los metales pesados, entre ellos cadmio (Cd), cromo (Cr), cobre (Cu), mercurio (Hg), níquel (Ni), plomo (Pb) y zinc (Zn), los patógenos, y los contaminantes orgánicos.
Estas variables en su composición hacen que la caracterización, gestión y tratamiento sean complejos y deban llevarse de manera adecuada para no perjudicar el Medio Ambiente.
Prevención de la generación de lodos mediante el control de la DQO
La prevención se refiere a la minimización de las cantidades generadas, a la disminución de la contaminación presente en los mismos y a la reducción de los impactos adversos sobre el medio ambiente.
Se debe prestar atención preferente a la prevención de la contaminación en origen, es decir, a la disminución de la carga contaminante de las aguas residuales que llegan a las EDAR (cantidades de materia oxidable- en términos de DQO y DBO5-, sólidos en suspensión y materias tóxicas, como metales pesados y contaminantes orgánicos).
La composición y cantidad de lodos tratados que deben ser objeto de gestión posterior también dependen de los tratamientos efectuados a los lodos.
En el ámbito doméstico se puede reducir la carga contaminante mediante las siguientes medidas:
- Evitar verter aceites y productos químicos.
- Usar detergentes biodegradables.
- Mantener correctamente la instalación.
- Instalar sistemas de depuración eficientes.
Reducir la carga contaminante en el hogar depende tanto de hábitos como de la tecnología utilizada.
Gestión y destinos finales
Los lodos se deben gestionar correctamente de acuerdo a la legislación sobre residuos y respetando la jerarquía de residuos.
La gestión de los lodos se enmarca en la normativa de aguas residuales y de residuos. Las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) son productores de lodos y como tales productores de residuos deben asegurar su correcta gestión, y pueden realizarla directamente o encargarla a gestores autorizados.
La orientación de su gestión debe realizarse respetando los principios de la política de residuos relativos a la protección del medio ambiente y la salud humana y aplicando la jerarquía en las opciones de gestión, priorizando la prevención sobre el reciclado, otros tipos de valorización incluida la energética y quedando en último lugar el depósito en vertedero.
Una vez tratados los lodos, hay varios destinos posibles, dependiendo de la composición final que tengan:
- Pueden ser aplicados en suelos agrícolas según lo establecido en el Real Decreto 1310/1990, de 29 de Octubre.
- Pueden ser incinerados conforme al Real Decreto 653/2003, de 30 de Mayo.
- Pueden ser depositados en vertederos según el Real Decreto 1481/2001, de 27 de Diciembre.
Según datos del Registro Nacional de Lodos ha primado como destino final su utilización agrícola (aproximadamente el 80% de los generados). Se ha logrado reducir en gran medida el depósito en vertedero (aproximadamente el 8% actualmente), y la incineración va creciendo (en torno a un 4%).
| Año | Agricultura, silvicultura y jardinería | Incineración o aprovechamiento energético | Vertedero |
|---|---|---|---|
| 2012 | 70,8% | 11,6% | 17.6% |
| 2013 | 77,4% | 10,8% | 11,8% |
| 2014 | 79,7% | 9,0% | 11,3% |
| 2016 | 80,2% | 9,5% | 10,3% |
| 2018 | 87,0% | 5,5% | 7,5% |
El uso de los lodos de depuradora en la agricultura es el destino que cuenta con mayor cantidad de adeptos, pues es una forma de reciclaje altamente eficiente.
El uso adecuado de los lodos de depuradora en la agricultura es un asunto delicado, pues ni todos los lodos tienen las mismas características, ni todos los suelos tienen las mismas carencias.
En este sentido, además de la normativa general aplicable, es necesario y fundamental realizar un estudio minucioso sobre los nutrientes y demás elementos que vayan a aportar los lodos, y las necesidades del suelo para que esta relación sea realmente beneficiosa.
No hacerlo puede traer consecuencias medioambientales muy negativas.
Interpretación correcta del volumen calculado
El volumen de lodos estimado a partir de la DQO debe interpretarse como un valor de diseño o de planificación, no como una cifra fija. La producción cambia cuando varían el caudal, la concentración de DQO, la temperatura, la relación DBO/DQO, la edad del fango, la purga de sólidos y el rendimiento de la digestión.
La carga contaminante en aguas residuales domésticas puede provocar contaminación de acuíferos, daños en ecosistemas y problemas sanitarios si no se trata correctamente.
La medición de la carga contaminante es clave para proteger el medio ambiente y asegurar un tratamiento adecuado. La correcta interpretación de la carga contaminante (DBO y DQO) permite optimizar el tratamiento de aguas residuales, reducir el impacto ambiental y asegurar el cumplimiento normativo.
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