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ELIMINACIÓN DE BACTERIAS PATÓGENAS EN LODOS RESIDUALES DURANTE
EL SECADO SOLAR
Alma Delia COTA-ESPERICUETA y Carlos PONCE-CORRAL
Instituto de Ciencias Biomédicas, Universidad Autónoma de Ciudad Juárez, Apdo. Postal 1595-D, Ciudad
Juárez 32300, Chihuahua, México
(Recibido agosto 2007, aceptado junio 2008)
Palabras clave: secador solar, lodos residuales, coliformes fecales, patógenos
RESUMEN
La presente investigación describe el desempeño de un secador solar con respecto a la
eliminación de bacterias patógenas contenidas en lodos fsicoquímicos provenientes de
la principal Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de Ciudad Juárez. El dispositivo
solar fue propuesto como una alternativa técnica factible para la reducción de volumen
de las 135 ton de lodos generadas por día en esta planta. El prototipo experimental
tipo invernadero estuvo constituido por un área de captación de 4.5 m
2
y un lecho de
secado de 1 m
3
, además de los sistemas de ventilación, extracción y adquisición de
datos. El funcionamiento automático del dispositivo estuvo regulado por las diferencias
entre las condiciones internas y externas de las variables de temperatura y humedad.
Además, se midieron la radiación solar, el pH y la humedad del lodo. La efectividad
del secador fue determinada en términos térmicos y microbiológicos. La pérdida de
agua en el lodo durante el tratamiento fue el indicativo de la efectividad térmica.
La depuración microbiológica Fue cuantifcada a diFerentes tiempos de residencia,
mediante los indicadores de contaminación: coliformes fecales y
Salmonella
spp. La
cuantifcación de ambas bacterias se realizó a través de la técnica microbiológica de
tubos de Fermentación múltiple expuesta en la Norma Ofcial Mexicana NOM-004-
SEMARNAT-2002. Los resultados térmicos asociados al contenido de agua en el lodo
mostraron un decaimiento exponencial hasta lograr el 99 % de reducción de la misma.
En lo referente a la efectividad microbiológica, existió dependencia del contenido de
las bacterias indicadoras con la cantidad de agua presente en lodo. Para la remoción
del 92 % de agua, se verifcó la eliminación de coliFormes Fecales desde 3.8x10
6
hasta
1.6 NMP por gramo de lodo seco y para
Salmonella
spp. dicha reducción fue desde
1.5x10
13
hasta 1.9x10
3
NMP por gramo de lodo seco.
Key words: solar dryer, sewage sludge, faecal coliforms, pathogens
ABSTRACT
This paper describes the performance of a solar dryer capable of bacterial pathogen
removal from the physicochemical sludge of the main wastewater treatment plant
for Ciudad Juárez, México. The solar setup was proposed as an alternative solution,
technically feasible, for reducing the volume of the 135 tons of sludge produced per
day in this plant. The experimental-greenhouse prototype has a 4.5 m
2
collection
Rev. Int. Contam. Ambient. 24 (4) 161-170, 2008
A.D. Cota-Espericueta y C. Ponce-Corral
162
area, a 1 m
3
-drying bed, and automatic systems for ventilation, extraction, and data
acquisition. The automatic operation was controlled by temperature and humidity
differences between internal and external conditions. Global solar radiation, pH and
water content of the sludge were monitored. The overall effectiveness of the solar dryer
was determined by assessing thermal and microbiological performance. Water content
in sludge during the process was used as an indicator of thermal effectiveness. The
microbiological elimination was quantifed at diFFerent residence times considering
two contamination indicators: faecal coliforms and
Salmonella
spp. Quantifcation
of the pathogenic microorganisms was carried out by the multiple-tube fermentation
technique presented in the Mexican regulation NOM-004-SEMARNAT-2002. The
thermal results related to the water content showed an exponential decay that achieved
up to a 99 % reduction. Regarding microbiological removal effectiveness, there was
a strong dependence between the number of bacteria present and the water content in
the sludge. As a consequence, with the removal oF 92 % oF water, it was verifed that
the elimination oF Faecal coliForms Fell From 3.8x10
6
to 1.6 MPN per gram of dried
sludge; and for
Salmonella
spp. the reduction was from 1.5x10
13
to 1.9x10
3
MPN per
gram of dried sludge.
INTRODUCCIÓN
El manejo y la disposición de las 135 ton de lo-
dos generadas al día en la Planta de Tratamiento de
Aguas Residuales (PTAR), zona Norte de Ciudad
Juárez, representa un problema de salud pública y
ambiental. Dicha PTAR se localiza a menos de 400
m del límite internacional con la ciudad de El Paso,
Texas, EUA y ha creado con±ictos internacionales
por olores fétidos emitidos durante el procesamiento
del agua residual y el manejo de sus lodos. En su
constitución, los lodos presentan biota patógena y
compuestos tóxicos (Berset y Holzer 1996, Rico
et
al
. 2004, Abad
et al
. 2005). Estos residuos, después
de ser mezclados con óxido de calcio, tienen como
destino fnal un predio en las aFueras de la ciudad
ya que su ingreso al relleno sanitario Fue restringido
desde 2003 debido a los constantes incendios provo-
cados por la descomposición de la materia orgánica
a gases combustibles. De la práctica del secado a la
intemperie se derivan problemas por olores fétidos
y dispersión de patógenos a causa de los vientos
y por organismos vectores de enfermedades. Los
grandes volúmenes de lodos generados hacen diFícil
y costoso su manejo y disposición. Estos residuos
están constituidos de 60 al 95 % en volumen de agua
dependiendo de la tecnología usada. Los métodos
de concentración, acondicionamiento, eliminación
de agua y secado son usados principalmente para
remover humedad de los sólidos. En lo particular,
en Ciudad Juárez las dos PTAR principales, las
plantas Norte y Sur, no cuentan con sistemas para la
completa deshidratación de lodos. De acuerdo con la
Junta Municipal de Agua y Saneamiento de Ciudad
Juárez, en la actualidad alrededor del 80 % de las
aguas residuales del Municipio son tratadas. Para
ciudades en desarrollo es primordial maximizar el
uso de agua tratada mediante proyectos integrales y
sistémicos que incluyan un plan adecuado de manejo,
reuso y disposición de los lodos generados, ya que los
grandes volúmenes de desecho podrían suscitar un
problema ambiental de ecosistemas y salud humana
de gran magnitud.
Diversos estudios han demostrado el potencial de
los lodos provenientes de las PTAR por su contenido
de macronutrientes para la ±ora, especialmente ni
-
trógeno y FósForo y por las sustancias orgánicas que
mejoran las características fsicoquímicas del suelo
(Cooker 1983, Abad
et al.
2005). Sin embargo, la
utilización de éstos sin precaución puede ocasionar
problemas a la salud humana y al ambiente. Los lodos
residuales están compuestos de altas concentraciones
de bacterias, virus y parásitos (US EPA 1989, 1999,
Carrington 2001, Sahlströma
et al
. 2004), además de
compuestos orgánicos (Ottaviani
et al.
1993, Abad
et
al.
2005, Mantis
et al.
2005) y metales pesados (Bell
et al
. 1991, Jackson y Alloway 1991, Ottaviani
et al
.
1993, Díaz Aguilar
et al.
2001, Mantis
et al.
2005,
Bose y Bhattacharyya 2008). La Unión Europea
promueve el uso de lodos de las PTAR en activida-
des agrícolas bajo estricta verifcación de la calidad
en términos de concentración de metales pesados y
compuestos orgánicos ya que éstos podrían aFectar
adversamente el ambiente (Langenkamp y Part
2001). En México, las especifcaciones técnicas para
el aprovechamiento de lodos residuales y biosólidos
están contempladas en la Norma Ofcial Mexicana
NOM-004 (SEMARNAT 2002); no obstante, ésta no
CONTENIDO PATOGÉNICO EN LODOS DURANTE
EL SECADO SOLAR
163
incluye indicadores de contaminación por compues-
tos orgánicos tóxicos.
Para disminuir los costos de manejo y disposi-
ción de los grandes volúmenes de lodos residuales
generados diariamente, se emplean primero métodos
mecánicos con los cuales es posible remover del 20 al
40 % del agua contenida; más allá de estos porcenta-
jes, la remoción de agua sólo es posible por medio de
métodos térmicos (Metcalf y Eddy 2003), implicando
grandes consumos de combustible y emisiones de
gases invernadero hacia la atmósfera. Luboschik
(1999) reportó el diseño tecnológico y además los
costos de inversión y operación de un secador solar
para lodos residuales. El análisis económico de la
operación del sistema demuestra los bajos costos de
mantenimiento y energía consumida. La efcacia del
secador resultó en una evaporación volumen de agua
de 700 a 800 kg por m
2
y por año. Haralambopoulos
et al.
(2002) utilizaron un destilador solar tipo caseta
para eliminar agua de un lodo residual producido
durante el proceso de lodos activados. Durante este
estudio, cinco litros de lodos fueron procesados por
cinco días. El análisis del destilado cuantifcó la
presencia de sólidos volátiles suspendidos, lo cual
indicó la imposibilidad del reuso de éste. Bux
et al
.
(2002) desarrollaron un secador solar con aireación
y mezclado continuo operado a baja temperatura.
Durante este estudio se encontró que la concentración
de sólidos totales aumentó desde 3 hasta 93 % en peso
en 64 días. El consumo de energía para evaporar
una tonelada de agua fue de alrededor de 25 kWh,
78 % menor a la energía consumida durante el pro
-
cesamiento convencional de secado. Salihoglu
et al
.
(2007) calcularon un tiempo de amortización de cua-
tro años de la tecnología de secado solar aplicada a los
lodos residuales generados en la ciudad de Bursa en
Turquía. Además, el contenido de coliFormes Fecales
Fue determinado para los 45 días del procesamiento,
con una reducción de las bacterias patógenas desde
el orden de 10
7
hasta 2x10
6
UFC por gramo seco. Al
agregar 15 % de óxido de calcio a los lodos antes del
secado, menos de 1000 UFC por gramo seco fueron
cuantifcadas en sólo cinco días.
El secador solar utilizado en este estudio es pro-
puesto como un método viable tecnológicamente
para la eliminación del agua contenida en los lodos
residuales y la reducción del alto contenido de micro-
organismos patógenos. Los indicadores patógenos de
contaminación cuantifcados en este estudio Fueron
coliformes fecales y
Salmonella
spp. Ambos fueron
cuantifcados dinámicamente mediante la técnica
microbiológica de tubos de fermentación múltiple
o técnica del número más probable (NOM 2002)
durante el proceso de secado solar, utilizando un
dispositivo automatizado tipo invernadero.
MATERIALES Y MÉTODOS
Dispositivo experimental de secado
El dispositivo solar está construido de una estruc-
tura tipo invernadero de hierro forjado, revestida por
un material transparente y acanalado. El dispositivo
cuenta con un área de secado de 3×1.5 m
2
y tiene 1.9
m de altura en el eje central longitudinal. Además,
cuenta con una charola para el material a secar de 1
m
3
la cual se desliza sobre rodillos para facilitar su
acceso. Esta particularidad se incluyó debido al ca-
rácter ofensivo del material bajo estudio. El sistema
de ventilación está compuesto por dos ventiladores de
1/4 hp y un extractor barométrico de 1/3 hp. Para el
monitoreo de variables y la actuación de los sistemas
de ventilación y de extracción, el secador posee un
sistema automático de adquisición de datos (SAD)
y un sistema de control (SAC).
El secado efectivo de lodos fue demostrado al
utilizar destiladores con una cámara de apenas 0.39 m
de altura (Haralambopoulos
et al
. 2002); así también,
con dispositivos a gran escala con 2.5 m de altura (Sa-
lihoglu
et al.
2007). Por razones prácticas de manejo
del material, el sistema debe ser de una altura tal que
haga posible introducir equipo para la recolección del
material. El mecanismo térmico principal del secador
es la diFusión del vapor de agua desde la superfcie del
lodo hacia el aire no saturado en la cámara del secador.
La variable crítica a controlar mediante la activación
del extractor, para la remoción efectiva del agua, es
la humedad absoluta del aire contenido en la cámara;
ésta debe ser menor a la correspondiente en el punto
de saturación para cada temperatura experimentada.
Entre más alejada de la saturación se encuentre, mayor
transporte de masa será experimentado.
El funcionamiento del secador se inicia cuando la
radiación solar ingresa al dispositivo a través de su
cubierta transparente y gran parte de dicha energía es
absorbida por el lodo. Debido al efecto invernadero,
causado por la selección de materiales y la herme-
ticidad del sistema, la temperatura del lodo y la del
aire interno tienden a incrementar. Dicho aumento
de temperatura propicia la difusión del agua desde
la superfcie del lodo hacia el aire contenido en la
cámara. La fuerza impulsora del secado corresponde
a la diferencia de presiones de vapor del agua entre
el lodo y la cámara. La presión de vapor en el aire se
eleva cuando aumenta la cantidad de agua contenida
en éste. Para acelerar el secado se debe impedir el
A.D. Cota-Espericueta y C. Ponce-Corral
164
equilibrio entre las presiones de vapor; por lo tanto,
el aire debe ser evacuado. Entre más alejado se en-
cuentre el aire de la saturación de agua, mayor es el
potencial para el transporte de masa. Por otro lado,
entre más caliente se encuentre el sistema, el trans-
porte de vapor es mayor. Para evitar estratifcación
de temperatura y humedad, el sistema cuenta con un
sistema de ventilación. El aire húmedo es evacuado
mediante la acción de extractores y la reposición de
aire seco mediante la apertura de ventilas. Cuando el
sistema se encuentra libre de humedad, éste regresa a
su estado de sistema cerrado respecto a masa.
Consideraciones del secado
Para el secado efectivo de los lodos, la humedad
absoluta dentro de la cámara debe mantenerse alejada
del punto de saturación para todas las temperaturas
experimentadas. La meta teórica es maximizar la
razón variable de evaporación durante el día mediante
la actuación del sistema de extracción. Por el carácter
dinámico del proceso solar, las variables externas de
temperatura y humedad también son de importancia
en la búsqueda de dicha razón; por lo tanto, éstas son
también monitoreadas continuamente. Diferencias
entre condiciones internas y externas de humedades
absolutas y temperaturas son predeterminadas en
el controlador para la actuación de los sistemas de
ventilación y extracción.
Arquitectura del secador: hardware y software
En lo general, el secador solar tiene cinco com-
ponentes importantes: 1) medición y adquisición de
datos, 2) escalamiento, 3) control lógico del proceso,
4) actuación respecto a las mediciones y 5) bitácora
de información.
Se utilizó un Fieldpoint CFP-2020 de National Ins-
truments
para llevar a cabo el control, la adquisición
y el almacenamiento de datos; éste fue seleccionado
por ser modular, Fexible y portátil, características
que lo hacen de ±ácil reconfguración.
Para el monitoreo de las variables se utilizaron los
sensores Humirel HTM2500 para determinar hume-
dad relativa y temperatura; este sensor no se ve afec-
tado por la inmersión en agua, posee alta estabilidad,
instantánea desaturación después de largos periodos
de saturación, presenta alta resistencia a productos
químicos, y rápido tiempo de respuesta. La señal del
sensor Humirel genera dos voltajes como respuesta
a la humedad relativa y la temperatura. La salida
típica de voltaje de 1 a 4 V CD desde 0 a 100 % de
humedad relativa con una ±uente de 5 V CD, permite
utilizar una tarjeta de adquisición C²P-AI-112 de
National Instruments la cual se conecta directamente
al Fieldpoint. Para la medición de la temperatura, se
realizó un acondicionamiento de la señal debido a que
las resistencias de salida se encuentran entre 170,000
y 2130
para un rango de temperaturas entre
-
30
hasta 60
o
C, respectivamente. El acondicionamiento
consistió en transformar la diferencia de resistencia
a una de voltaje. Para cambiar el voltaje se utilizó
un divisor de voltaje con dos resistencias de 10 k
y una ±uente de 5 V CD.
El escalamiento para la temperatura se llevó a
cabo al convertir la señal amplifcada con voltajes
de salida en el rango de 1 a 5 V CD a unidades de
temperatura. Las curvas de calibración se realizaron
a condiciones de operación reales donde, para el
sensor interno, las temperaturas variaron desde 15
hasta 65
o
C y para el sensor externo, las temperaturas
variaron entre 18 y 36
o
C. Ambas curvas presenta-
ron alta correlación lineal. El escalamiento para los
sensores de humedad relativa es propuesto por el
fabricante e incluye un factor de compensación por
temperatura.
En lo que corresponde al so±tware, se utilizó
LabVIEW 7.1 para la generación automática de
información y para el control del prototipo debido a
que éste es el entorno de programación nativo para
el Fieldpoint. La humedad absoluta fue calculada
a partir de la relación de datos psicrométricos de
humedad relativa y temperatura, mediante interpo-
laciones programadas de segundo grado en función
de las dos variables. Para lograr una alta razón de
evaporación durante el día, el controlador acciona el
extractor barométrico para la salida del aire húmedo
y lo reemplaza mediante la apertura de una persiana
motorizada, la cual permite la entrada de aire seco.
Para el control de estos motores se utilizó una tarjeta
de salida analógica CFP-RLY-423 de National Instru-
ments conectada a los dispositivos a controlar.
La relación entre la geometría del secador, los
diferentes mecanismos de transferencia de calor y
masa involucrados y el carácter dinámico del proceso,
propician que las condiciones internas no sean homo
-
géneas, con la presencia de zonas calientes y ±rías.
Como se mencionó antes, la actuación del extractor
depende tanto de las variables de temperatura como
de la humedad, las cuales son medidas en un punto
caliente del dispositivo. Cuando la temperatura en
este punto es 10
o
C mayor o igual a la temperatura
ambiente, el sistema de control provoca la homoge-
neidad con la activación de ventiladores. Este reque
-
rimiento de temperaturas junto con una diferencia de
humedades absolutas de 38 g de agua por kg de aire
seco, accionan el extractor. Dichos valores de control
son de fácil reprogramación.
CONTENIDO PATOGÉNICO EN LODOS DURANTE
EL SECADO SOLAR
165
Análisis dinámico de lodos durante el secado
El lodo residual utilizado para el experimento de
secado fue facilitado por la Junta Municipal de Agua
y Saneamiento de Ciudad Juárez. Se tomaron 200 L
de los fondos resultantes de los procesos de coagu-
lación y precipitación, sin deshidratación, durante
el tratamiento primario avanzado de la Planta Norte
de Tratamiento de Aguas Residuales. El material
fue transportado hasta el lugar de experimentación
en dos tambos de plástico de 100 L debidamente
sellados. Equipo de seguridad fue utilizado durante
el manejo de los lodos debido a sus características
microbiológicas nocivas.
La determinación microbiológica dinámica de
los lodos durante el secado solar fue realizada a un
conjunto de muestras tomadas a diferentes tiempos
de residencia. El tiempo de inicio del experimento
fue a las 11:20 h del 30 de junio de 2007. Una mezcla
compuesta de 1 kg fue colectada de seis puntos dis-
tribuidos en el lecho de secado. Las muestras fueron
tomadas en frascos pyrex de 500 mL, con palas de
plástico previamente esterilizadas y éstas fueron
transportadas inmersas en hielo para su análisis.
Las técnicas para cuantiFcación
Salmonella
y de
coliformes fecales representan varios días de análisis
y costos elevados. La capacidad de reproducción y
sobrevivencia de estas bacterias depende principal-
mente de condiciones de contenido de agua, pH y
temperatura.
Contenido de humedad:
el contenido de agua en el
lodo durante el proceso solar fue obtenido mediante
las diferencias de peso entre la muestra compuesta y
la del material deshidratado remanente, después de
ser procesado a 105
o
C hasta lograr peso constante.
Determinación de pH:
para la determinación del
pH del lodo residual se obtuvo un extracto líquido
al colocar 500 g del material y 100 mL de agua des-
tilada en un embudo Büchner utilizando un papel
Fltro Whatman # 40; el embudo se conectó a un
matraz kitazato de 500 mL y fue acoplado a una
bomba de vacío. Se Fltró la muestra por 5 h hasta
colectar 100 mL del extracto. Se midió el valor de
pH con un potenciómetro Termo Corning (Bartels y
Bigham 1996).
Identifcación y cuantifcación de Salmonella:
la
presencia de
Salmonella
y el conteo consistió fun-
damentalmente de enriquecimiento, aislamiento e
identiFcación mediante la técnica de fermentación
múltiple o del número más probable presentada en
el Anexo IV de la NOM-004 (SEMARNAT 2002).
Los medios selectivos utilizados para la etapa de
enriquecimiento fueron caldo de tetrationato (BD
Bioxon, Lote 3287805) y selenito cistina (Difco,
Lote 5264016). Se realizaron diez diluciones de la
muestra original en el caldo de tetrationato desde 10
-1
hasta 10
-15
. El proceso se realizó por triplicado para
el control de calidad del análisis. Se llevó a cabo el
aislamiento de los microorganismos sospechosos
de
Salmonella
en los agares
Salmonella Shigella
(Difco, Lote 6255238) y verde brillante (Difco, Lote
7043032) para su posterior prueba bioquímica en agar
triple azúcar y hierro, TSI (Difco, Lote 6361420) y
con agar hierro lisina, LIA (Difco, Lote 6226067).
Se empleó la técnica de número más probable para
la cuantiFcación de la bacteria (Clesceri 1998).
Identifcación y cuantifcación de coliFormes
Fecales:
la presencia y el conteo de coliformes feca-
les consistió en el aislamiento directo de los lodos
mediante la utilización del medio selectivo lactosado
A-1 (BD Difco, Lote 6299490) (Clesceri 1998). Se
realizaron diez diluciones de la muestra original en
agua de dilución desde 10
-1
hasta 10
-10
. El proceso se
realizó por triplicado para el control de calidad del
análisis. Una vez identiFcada la bacteria, se contó la
concentración mediante la técnica del número más
probable (Clesceri 1998).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En las
fguras
1
y
2
se presentan la humedad
absoluta del aire dentro de la cámara de secado en
función del tiempo bajo condiciones distintas en el
control automático. El objetivo de dichas pruebas
18/06/2007
0
10
20
30
40
50
60
70
11:0
01
2:12
13:24
14:36
15:48
Hora del día, hh:mm
HA, g de agua/kg de aire seco
Fig. 1.
Humedad absoluta alrededor del mediodía dentro del
secador solar, sistema de extracción a
Δ
T 10 °C, tiempo
de extracción 4 min y ΔHA 30 g de agua por kg de aire
seco
A.D. Cota-Espericueta y C. Ponce-Corral
166
térmicas, previas al experimento real con lodo re-
sidual de la PTAR, fue encontrar las condiciones
de control que favorecieran el transporte de masa
desde el lecho de secado hacia el aire, optimizar la
cantidad de agua extraída del sistema y maximizar
la temperatura dinámica interna de operación. Para
las dos experiencias, se vertió medio metro cúbico
de agua en la charola de secado por la noche. La
fgura
1
es el resultado de preestablecer diferen-
cias mínimas de humedad absoluta (
Δ
HA) y de
temperatura (
Δ
T) entre las condiciones internas
del secador y las del ambiente de 30 g de agua por
cada kg de aire seco y 10
o
C, respectivamente, para
la activación del sistema de extracción. El proceso
de extracción consistió de 2.5 min con el extractor
encendido, seguido por la operación del extractor
por 1.5 min junto con una ventila motorizada para
reposición de aire seco. Después de la remoción
del aire húmedo, se obligó al sistema a permanecer
cerrado por cuatro minutos para alcanzar de nuevo
condiciones adecuadas de extracción. La
fgura
2
fue obtenida al preestablecer 45 g de agua por kg de
aire seco y
Δ
T de 10
o
C con la misma operación de
extracción. En las dos Fguras se debe observar que
cada vez que disminuye rápidamente la humedad es
debido a que el sistema de extracción fue activado.
La energía global incidente para las dos experiencias
fue de 7.1 y 5.6 kW-h/(m
2
-día) y la totalidad de agua
extraída cuantiFcable por el SAD fueron de 699 y
367 g de agua por kg de aire seco. Las condiciones
ambientales para ambos días de experimentación
fueron similares. Los valores promedio registrados
para temperatura ambiente fueron de 32 y 28
o
C;
para humedad relativa fueron de 10 y 19 %; y para
velocidad de viento fueron de 9 y 4 m/s. Esta última
variable in±uye fuertemente en las pérdidas de calor
de la cámara de secado. Las extracciones indican
que, de considerarse una dependencia lineal entre
radiación incidente y cantidad de agua extraída, el
segundo experimento es 32 % menos eFciente que
el primero. Esto se debe a que el transporte de masa
neto fue frenado, ya que en el sistema de control se
preestableció una
Δ
HA demasiado amplia, lo cual
provocó que el aire en la cámara estuviera cerca
de las condiciones de saturación. Condiciones más
adecuadas fueron observadas para valores interme-
dios de
Δ
HA.
La
fgura 3
presenta la variación de humedad
absoluta y temperatura interna como resultado de las
operaciones discontinuas de extracción. Cuando el sis-
tema se encuentra cerrado, la rapidez en el aumento de
temperatura y humedad son dependientes mayormente
de la incidencia de radiación global; mientras que,
cuando el sistema de extracción se encuentra activado,
la temperatura disminuye un grado por cada minuto.
Los valores de
Δ
HA y
Δ
T de operación precisados en
las experiencias reales con los lodos residuales fueron
de 38 g de agua por kg de aire seco y 10
o
C. Para favo-
recer altas temperaturas que sean capaces de inactivar
microorganismos patógenos en los lodos, después de
la operación de extracción se sometió al sistema bajo
el efecto invernadero por diez minutos.
Las características del lodo en términos de hume
-
dad, temperatura y pH tienen un efecto importante en
la supervivencia y el crecimiento de microorganismos
bacterianos. Por esta razón fue importante observar
durante el proceso el número de bacterias y las dife-
rentes variables de carácter incontrolable como pH,
0
10
20
30
40
50
60
70
11:00
12:12
13:2
41
4:36
15:48
Hora del día, hh:mm
HA, g de agua/kg de aire seco
22/06/2007
Fig. 2.
Humedad absoluta alrededor del mediodía dentro del
secador solar, sistema de extracción a ΔT 10 °C, tiempo
de extracción 4 min y ΔHA 45 g de agua por kg de aire
seco
0
10
20
30
40
50
60
70
13:0
013:07
13:14
13:21
13:28
13:36
13:43
13:50
13:57
Hora del día, hh:mm
HA, g de agua/kg de aire seco
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
Temperatura Interna, ºC
Humedad
Temperatura
Fig. 3.
Variación de temperatura interna y humedad absoluta del
aire de la cámara durante la activación del extractor
CONTENIDO PATOGÉNICO EN LODOS DURANTE
EL SECADO SOLAR
167
contenido de agua y temperatura en los lodos. El
cuadro I
muestra el contenido de
Salmonella
y de
coliformes fecales y las distintas condiciones expe-
rimentadas en el proceso de secado solar de lodos.
En ocasiones, contrario a los objetivos del estudio
de reducir microorganismos, el crecimiento puede
ser favorecido debido a que la combinación de va
-
riables climatológicas de radiación solar, nubosidad,
temperatura, humedad y velocidad de viento pueden
propiciar condiciones óptimas de incubación dentro
del dispositivo.
Los coliformes fecales son organismos mesofíli
-
cos cuyo crecimiento óptimo se encuentra entre 25
y 40
o
C; a temperaturas menores de 20
o
C se hallan
en estado de latencia y a temperaturas mayores de
50
o
C mueren. Por otro lado, la
Salmonella
también
es un organismo mesofílico cuyo crecimiento óptimo
ocurre entre 35 y 43
o
C y a pH de 7 a 7.5; sin embar-
go, ésta puede tener actividad de reproducción en un
amplio rango de temperatura entre 5.2 °C y 46.2 °C y
de pH entre 4.1 y 9.0. En las condiciones mínimas de
nutrientes, humedad, temperatura y pH, puede mul-
tiplicarse cada 20 minutos (Abushelabi
et al
. 2003).
Además, se ha documentado que
Salmonella,
al igual
que las coliformes fecales, mueren al estar expuestos
a temperatura de 55
o
C por una hora o entre 15 y 20
min a 60
o
C (Tchobanoglous
et al.
2003).
En la
fgura
4
se muestran las condiciones inter-
nas de temperatura y humedad absoluta para los tres
primeros días de experimentación. Se debe observar
que a medida que transcurre el día, el incremento
de temperatura dentro de la cámara es favorecido
debido a la incidencia de radiación solar, mostrando
un aumento acelerado en las horas de la mañana
hasta alcanzar un máximo antes de mediodía. Con
dicho aumento de temperatura, se debe notar que
la humedad absoluta presentó la misma tendencia.
Cuando el controlador midió una
Δ
HA igual o mayor
a 38 g de agua por cada kg de aire seco se activó
el sistema de extracción. Durante las extracciones
se observó un decremento de la temperatura a una
razón aproximada de un grado por minuto. De tal
manera que a partir de las 10 hasta las 17 horas se
presentó un comportamiento oscilatorio en las dos
variables. A medida que disminuye la incidencia
de radiación solar en el día, el sistema también se
va enfriando. En días típicamente claros, a las 18
h la temperatura y humedad cayeron rápidamente
hasta alcanzar sus mínimos en la madrugada. Con
el objetivo de aumentar la temperatura interna para
facilitar la aniquilación de las bacterias, el sistema
de extracción fue inactivado entre las 13 y las 14 h,
sacriFcando la extracción de humedad. En la Fgura
es posible notar el incremento en la temperatura y en
la humedad como consecuencia de dicha práctica.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
710121416192123136 810121517192123246 811131517 20 22
Hora del día, hh
HA, g de agua /kg de aire seco
0
10
20
30
40
50
60
70
Temperatura del aire, C
30/06/2007
1/07/200
72
/07/2007
Fig. 4.
Condiciones internas de temperatura y humedad absoluta
dentro del secador solar para los tres primeros días de
experimentación
CUADRO I.
CONDICIONES EXPERIMENTALES DURANTE EL SECADO SOLAR DE LODOS RESIDUALES
Día
Tiempo de
residencia,
h
Radiación
solar global
acumulada,
kW-h/m
2
Contenido
de agua en
lodo dentro
del secador,
%
Contenido de
agua en
lodo fuera
del secador,
%
pH
Coliformes
fecales,
NMP/g
seco
Coliformes
fecales
eliminadas,
%
Salmonella
,
NMP/g
seco
Salmonella
eliminada,
%
30/06/2007
0
0.0
86.22
86.22
6.80
3.87E+06
0.0000
1.57E+13
0.0000
30/06/3007
7
4.5
82.00
6.58
1.34E+06
65.3747
6.03E+11
96.1651
07/01/2007
24
6.0
80.21
6.28
2.77E+06
28.4238
6.36E+08
99.9959
07/02/2007
50
14.7
77.10
77.10
6.11
1.34E+06
65.3747
4.29E+08
99.9972
07/03/2007
74
20.4
77.20
76.00
6.07
1.08E+06
72.0930
2.03E+08
99.9987
07/04/2007
98
25.9
64.10
76.40
6.05
5.78E+04
98.5078
8.08E+07
99.9994
07/09/2007
218
50.0
43.00
66.00
6.02
3.23E+04
99.1646
1.22E+05
99.9999
07/11/2007
269
59.0
6.67
55.00
6.00
1.60E+00
99.9999
1.92E+03
99.9999
A.D. Cota-Espericueta y C. Ponce-Corral
168
En la
fgura 5
se presentan las condiciones climá-
ticas para los tres primeros días de experimentación.
La segunda campana de datos de radiación solar es
una muestra clara de las condiciones climáticas de la
mayoría de los días de experimentación. Por lo general
fueron días despejados por la mañana, seguidos por
nublados densos, acompañados por fuertes ráfagas de
viento de hasta 9 ó 10 m/s. Las condiciones no fueron
las adecuadas para realizar efectivamente la remoción
de humedad y además se experimentaron periodos
largos con temperaturas internas que favorecieron la
ssupervivencia o el desarrollo de los microorganismos.
La hipótesis referente al tiempo de secado esperado
para días continuos típicamente claros en Ciudad Juá
-
rez es de 5 días hasta lograr un 5 % de humedad en el
material; sin embargo, el tiempo de experimentación
se extendió hasta 11 días para lograr un contenido de
humedad del 6 %. En la
fgura 6
se muestra la varia-
ción del contenido de agua en los lodos. Al inicio del
experimento, el lodo proveniente de la PTAR contenía
86 % de agua. Se debe observar que el decaimiento
del porcentaje de agua durante el secado solar siguió
un comportamiento exponencial.
En la
fgura 7
se puede observar en escala lo-
garítmica el decaimiento de las concentraciones de
coliformes fecales y
Salmonella
por gramo seco de
lodo residual para los distintos tiempos de residencia
en el secador solar. El contenido inicial de bacteria
en los lodos fue de 5.6x10
7
y 1.5x10
13
NMP/g seco
para coliformes fecales y
Salmonella,
respectiva-
mente. Para coliformes fecales se eliminó el 98.5 %
éstos en los primeros cuatro días de procesamiento,
y para
Salmonella
, el 99.9 %. Los valores mínimos
alcanzados fueron de menos de 2 NMP/g seco para
coliformes y 2000 para
Salmonella
.
La calidad de los lodos residuales de las PTAR
depende de la compleja actividad de las ciudades. El
agua residual de Ciudad Juárez está conformada en 90
% por residuos domésticos y el restante en su mayor
parte es de origen de la industria del ensamble. El
alto contenido de
Salmonella
y coliformes fecales en
los lodos residuales de esta ciudad se deben a la alta
prevalencia de enfermedades gastrointestinales en la
población de Juárez y el alto contenido de materia
orgánica en el agua. En países desarrollados, de forma
alterna, se presentan bajas proporciones de
Salmonella
en lodos de 10
2
-10
3
UFC (unidades formadoras de
colonias) por gramo (Carrington 2001), lo cual es
asociado a la baja prevalencia de dichas enfermedades;
sin embargo, valores de 10
7
UFC de
Salmonella
por
gramo han sido reportados (Parnar
et al
. 2001).
0
20
40
60
80
100
05
0
100
150
20
0250
300
350
400
450
500
Tiempo de residencia, h
Contenido de agua en lodo, %
En el secador
Afuera del secador
Fig. 6.
Variación de la humedad de los lodos residuales dentro
y fuera de la cámara de secado a distintos tiempos de
residencia
1.0E+00
1.0E+01
1.0E+02
1.0E+03
1.0E+04
1.0E+05
1.0E+06
1.0E+07
05
0100
150
200
25
0300
35
0400
45
0500
Tiempo de residencia, h
Coliformes Fecales, NMP/g seco
1.0E+00
1.0E+02
1.0E+04
1.0E+06
1.0E+08
1.0E+10
1.0E+12
1.0E+14
Salmonella
, NMP/g seco
Coliformes Fecales
Salmonella
Fig. 7.
Concentración de coliformes fecales y
Salmonella
en
función del tiempo de residencia en el secador solar
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0369
12 15 18 210369
12 15 18 210369
12 15 18 21
Hora del día, hh
Radiación Solar, W/m
2
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Temperatura ambiente, ºC
Radiación
Temperatura
30/06/2007
1/07/2007
2/07/2007
Fig. 5.
Condiciones ambientales de radiación solar y temperatura
durante los tres primeros días de experimentación
CONTENIDO PATOGÉNICO EN LODOS DURANTE
EL SECADO SOLAR
169
En la
fgura 8
se muestran las concentraciones
dinámicas de ambas bacterias en función del pH
natural del proceso. Al observar el número de co-
liformes fecales, se debe relacionar que para pH
ácidos menores de 6.2, dichos microorganismos no
son favorecidos en su reproducción y esta condición
contribuye a su inactivación. El pH en el rango ácido-
neutro, arriba de 6.3, reFeja condiciones favorables
para la supervivencia, y para la reproducción si se
toma el antecedente mostrado en la
fgura 7
, ya que
se cuanti±có la aparición de microorganismos entre
las muestras tomadas a las 7 y 24 h de residencia. En
lo concerniente a la relación entre
Salmonella
y pH,
se observa el mismo patrón de dependencia.
CONCLUSIONES
El prototipo experimental de secado solar de lodos
±sicoquímicos residuales de las PTAR, representa
una opción técnicamente viable para la reducción de
volumen y eliminación de alto contenido de microor-
ganismos patógenos, lo cual aumenta la posibilidad
de su aprovechamiento en usos productivos agrícolas
o como sustrato para invernaderos.
El pH, la temperatura y el contenido de agua
son factores que afectan fuertemente el desarrollo o
deterioro de los microorganismos. La disminución
de pH durante el proceso favorece a la eliminación
de las dos bacterias y tal decremento es debido a la
descomposición de la materia orgánica y la liberación
del dióxido de carbono. En el caso de las temperatu-
ras, por las características dinámicas e incontrolables
de las condiciones atmosféricas, se experimentaron
temperaturas de operación en rangos desde 15 hasta
1.0E+00
1.0E+01
1.0E+02
1.0E+03
1.0E+04
1.0E+05
1.0E+06
1.0E+07
5.
96.0
6.
16.2
6.
36.4
6.
56.6
6.
76.8
6.9
pH
Coliformes Fecales, MP/g seco
1.0E+00
1.0E+02
1.0E+04
1.0E+06
1.0E+08
1.0E+10
1.0E+12
1.0E+14
Salmonella
, NMP/g seco
Coliformes Fecales
Salmonella
Fig. 8.
Variación de la concentración de coliformes fecales y
Salmonella
en función del pH durante el secado solar
de lodos
70
o
C. Durante periodos de cielos nublados y por las
noches se exhibieron temperaturas de incubación
entre 25 y 40
o
C. Se registró un crecimiento de coli-
formes en el segundo día de experimentación, donde
las condiciones combinadas de temperatura, pH y
contenido de agua en los lodos fueron propicias. Esta
última variable juega un papel muy importante en la
supervivencia de las bacterias. A humedades altas
mejor será el ambiente para las bacterias.
El secador es propuesto como una alternativa téc-
nicamente factible para la reducción de volumen de
los lodos, considerando las 135 toneladas generadas
por día. A pesar de las condiciones climáticas no ade
-
cuadas para el experimento, fue posible demostrar la
efectividad de remoción de agua de los lodos hasta en
99 %. Durante el procesamiento, no se presentaron
olores desagradables a distancias mayores de cuatro
metros y además, el ambiente cerrado no permitió la
dispersión de patógenos por vectores. La implemen-
tación de un secador solar de lodos en Ciudad Juárez
podría ser bené±ca modi±cando los mecanismos
actuales de tratamiento, manejo y disposición de los
lodos a costos bajos.
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