ÁREA AMBIENTAL

ALTERNATIVAS PARA LA ESTABILIZACIÓN DE LODOS GENERADOS EN ESTACIONES DEPURADORAS DE AGUAS RESIDUALES DESDE UN ENFOQUE SISTÉMICO: UNA REVISIÓN

ALTERNATIVES FOR THE STABILIZATION OF SLUDGE GENERATED IN WASTEWATER TREATMENT PLANTS FROM A SYSTEMIC APPROACH: A REVIEW

Saldaña-Escorcia, Rossember; Castillo Gámez, Jeansy Karina

Rossember Saldaña-Escorcia

rsaldanae@unicesar.edu.co

Universidad Popular del Cesar seccional Aguachica, Colombia Colombia

Jeansy Karina Castillo Gámez

jkcastillo@unicesar.edu.co

Universidad Popular del Cesar seccional Aguachica, Colombia Colombia

Revista de Investigación Agraria y Ambiental

Universidad Nacional Abierta y a Distancia, Colombia

ISSN: 2145-6097

ISSN-e: 2145-6453

Periodicidad: Semestral

vol. 13, núm. 1, 2022

riaa@unad.edu.co

Recepción: 03 Febrero 2021

Aprobación: 02 Junio 2021

Publicación: 21 Diciembre 2021

URL: http://portal.amelica.org/ameli/journal/130/13026741302674011/

DOI: https://doi.org/10.22490/21456453.4504

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CÓMO CITAR:Saldaña-Escorcia, R. y Castillo Gámez, J. (2022). Alternativas de estabilización de lodos generados en estaciones depuradoras de aguas residuales, desde un enfoque sistémico: Una revisión. Revista de Investigación Agraria y Ambiental, 13(1), 175 - 194. https://doi.org/10.22490/21456453.4504

Modelo de publicación sin fines de lucro para conservar la naturaleza académica y abierta de la comunicación científica

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Resumen: Contextualización: el crecimiento demográfico y los problemas ambientales en el ámbito local, nacional e internacional, relacionados con la contaminación de los lodos sin tratar, debido a los volúmenes en aumento de dichos residuos generados por las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR), aumenta la degradación del medio ambiente.

Vacío de conocimiento: hay deficiencias en los manejos de los lodos residuales por desconocimiento de las alternativas convencionales y sostenibles de estabilización, lo que causa que estos no sean aprovechados, debido a sus características, y terminen siendo desechados en puntos de disposición final, lo cual puede generar severos problemas de contaminación.

Propósito: evaluar la literatura científica sobre las alternativas implementadas en la estabilización de lodos residuales generados en las EDAR, mediante una revisión documental y un análisis bibliométrico basado en la construcción de diagramas estratégicos y mapa de co-ocurrencia, con el fin de identificar las tendencias de investigación en la temática.

Metodología: se indagó la literatura científica mediante un algoritmo de búsqueda con conectores booleanos en la base de datos especializada Scopus®, la cual se analizó mediante redes bibliométricas y diagramas estratégicos y se ordenó una base de datos con la información relevante para el análisis conceptual sobre la temática.

Resultados y conclusiones: se obtuvieron 1693 documentos enmarcados en las alternativas de estabilización de biosólidos provenientes de las EDAR, lo que permitió identificar que países como Estados Unidos, China, Brasil y España poseen la mayor producción científica sobre la temática. La generación de biosólidos es una problemática que ha fundamentado investigaciones para la gestión adecuada de estos residuos, para así evitar generar problemas de contaminación, dado que las alternativas convencionales más empleadas para el tratamiento de biosólidos son la digestión anaerobia, el espesamiento, la deshidratación y la incineración, que son eficientes en la gestión, pero desaprovechan el potencial de dichos residuos. Las alternativas como el compostaje y la lombricultura generan subproductos que se pueden aprovechar y de esta forma lograr una disposición final de manera adecuada, que reduzca los costos operacionales y genere beneficios económicos.

Palabras clave: contaminación, estabilización, gestión ambiental, lodos residuales, tecnologías, tratamiento del agua.

Abstract: Contextualization: Population growth and environmental problems at the local, national and international levels related to pollution from untreated sludge, due to the increasing volumes of such waste generated by wastewater treatment plants (WWTPs), increase environmental degradation.

Knowledge gap: There are deficiencies in the management of sewage sludge, attributable to a lack of knowledge of conventional and sustainable stabilization alternatives, which means that the sludge is not used, because of its characteristics, and is placed at final disposal points, which can generate severe contamination problems.

Purpose: Evaluate the scientific literature on the alternatives implemented in the stabilization of sewage sludge generated in WWTPs, through a documentary review and a bibliometric analysis based on the construction of strategic diagrams and a co-occurrence map, to identify research trends in the subject.

Methodology: Searching of scientific literature was carried out using a searching algorithm with Boolean connectors, in the specialized database Scopus®. Then, it was analysed making use of bibliometric networks and strategic diagrams. Later, a data base with the relevant information for the conceptual analysis of the subject was organized.

Results and conclusions: A total of 1,693 documents about biosolids stabilization alternatives from WWTPs were found, pointing out that countries such as the United States, China, Brazil, and Spain, have the highest scientific production on the subject. The generation of biosolids is a problem that has originated researches about the proper management of this waste to avoid pollution problems, since the most used alternatives are anaerobic digestion, thickening, dehydration and incineration, which are efficient in management, but do not take advantage of the potential exploitation of these wastes. Alternatives such as composting and vermiculture generate by-products that could be used to achieve an adequate final disposal, reducing operational costs and obtaining economic benefits.

Keywords: pollution, stabilization, environmental management, sewage sludge, technologies, water treatment.

RESUMEN GRÁFICO

autores

1. INTRODUCCIÓN

El tratamiento de aguas residuales es un asunto que debido al paso de los años, al crecimiento demográfico y a los avances tecnológicos y científicos, ha tomado gran importancia, en especial si de contribuir al medio ambiente se trata. Este proceso busca evitar que las aguas servidas, las cuales cuentan con altas concentraciones de microorganismos patógenos, materia orgánica, nutrientes e incluso metales pesados (Donado, 2013; Parra, 2015), sean dispuestas directamente en afluentes, los cuales superan su capacidad natural de depuración, lo que afecta a las poblaciones que se benefician de los servicios ecosistémicos y también las especies de fauna y flora que en ellos habitan.

Ahora bien, es importante destacar que de los 32 países de América Latina, 9 disponen de información completa referente a la generación, tratamiento y reutilización de aguas residuales, 10 de ellos presentan información parcial y los 13 restantes no reportan (Utria-Borges et al., 2008). Colombia hace parte de los países con información parcial, reportando una producción de 274 toneladas de lodos/día que proviene de las diferentes EDAR. Sin embargo, no se tiene en cuenta aquellas plantas municipales que no reportan información (Castellanos-Rozo et al., 2018).

En la actualidad, uno de los principales retos que enfrentan las empresas que prestan servicios como los de acueducto y alcantarillado, es el método que deben usar para realizar la adecuada disposición de los lodos que se generan como subproducto, pues estos representan una importante fuente de contaminación (Magee et al., 2018; Utria-Borges et al., 2008). Sin embargo, la disposición final de los lodos genera ciertos gastos económicos, puesto que requieren de la instalación de reactores o de sistemas de estabilización para el tratamiento. Es por ello que, en ciertas ocasiones, son vertidos sin tratamiento alguno a los cuerpos de agua, al igual que a los rellenos sanitarios, lo que aumenta la contaminación ambiental (Castillo Sánchez et al., 2020).

Hasta el momento, alrededor del mundo se han realizado diversas investigaciones respecto a este tema. Con base en ellas, se han podido identificar las principales técnicas para el tratamiento de lodos: físicas, químicas y biológicas. Se han implementado, además, algunos métodos de estabilización: el tratamiento químico (Husillos Rodríguez et al., 2012), la incineración (Silva-Leal et al., 2013), la deshidratación (Santos et al., 2016), el compostaje (Awasthi et al., 2018) y el vermicompostaje (Chávez Porras et al., 2017).

Asimismo, autores como Torres Lozada et al. (2009) emplearon tratamientos químicos para tratar los lodos, que tuvieron como resultado la disminución de la carga de microorganismos patógenos, mediante la cal viva o hidratada. Por otra parte, se han empleado alternativas sostenibles como el compostaje. Ramírez-Coutiño et al. (2013) determinó la viabilidad que tiene el compostaje para estabilizar los lodos residuales y obtener como subproducto un abono orgánico que puede emplearse en la regeneración de los suelos degradados (Grajales et al., 2006).

De igual manera se han utilizado métodos sostenibles que emplean lombrices, alimentadas con diferentes sustratos. Este es el caso de Xing et al. (2012) y Nguyen et al. (2021) quienes determinaron los cambios químicos en el subproducto obtenido, así como las concentraciones de micro y macronutrientes, mientras que Hait y Tare (2011a, 2011b) lograron obtener, a través de la lombricultura como proceso integral, un material de relleno y/o una fuente de cultivo microbiano. A nivel económico, estas técnicas han sido consolidadas como estrategia crucial para el desarrollo de la economía circular en el mundo, lo que disminuye el impacto ambiental que los lodos pueden generar (Lim et al., 2016; Rorat & Vandenbulcke, 2019).

En algunos estudios se ha mostrado que los lodos residuales pueden emplearse para la elaboración de ladrillos. La introducción de lodos en este proceso resulta de especial interés, debido a que determinados materiales cerámicos disponen de gran capacidad para inactivar metales pesados (Fuentes Molina et al., 2019). Además, para la fabricación de cemento pueden utilizarse lodos previamente tratados con cal, empleándolos como materia prima alternativa, ya que aportan calcio en el crudo, en sustitución de la caliza (Rodríguez Fernández, 2019; Valderrama, 2013).

Los biosólidos pueden emplearse de muchas formas. Sin embargo, el desconocimiento en relación con las alternativas de estabilización, impide el aprovechamiento del subproducto, lo que supondría la obtención de beneficios económicos y ambientales. Por consiguiente, el presente artículo tiene como propósito evaluar la literatura científica sobre las alternativas implementadas en la estabilización de lodos residuales generados en las EDAR, por medio de una revisión documental, un análisis bibliométrico basado en la construcción de diagramas estratégicos y un mapa de coocurrencia, con el fin de identificar las tendencias de investigación en la temática.

2. MATERIALES Y MÉTODOS

La elaboración del artículo comprende un tipo de investigación cualitativo-documental, que permite identificar las principales tendencias de las investigaciones mundiales en un área de conocimiento específica, mediante la revisión documental (Gómez et al., 2015), a partir del proceso de selección de la documentación científica (Figura 1). Para lograr esto se realizó una búsqueda sistemática de información científica, utilizando la base de datos especializada Scopus (Scopus, 2020).

En la primera etapa se identificaron las palabras clave, mediante la gestión de una matriz, para seleccionar el siguiente algoritmo de búsqueda: “sewage sludge” OR “biosolids” AND “stabilization”. Mediante este algoritmo fue posible recopilar los documentos para realizar el análisis bibliométrico en el software SciMAT 1.1.04. La literatura obtenida fue segregada en 7 periodos: (2000-2002), (2003-2005), (2006-2008), (2009-2011), (2012-2014), (2015-2017) y (2018-2021) y fue utilizada para la construcción los diagramas estratégicos mediante las medidas de centralidad y densidad, utilizando la metodología propuesta por Cobo et al. (2012). Además, se estableció en el software la siguiente configuración para la obtención de dichos diagramas: la elección de palabras claves como unidad de investigación, coocurrencia para la construcción de los diagramas, el índice de equivalencia como medida de similitud y algoritmos de centros simples para la agrupación de los ejes temáticos.

El diagrama estratégico posee dos ejes divididos en cuatro categorías o cuadrantes: en el cuadrante superior derecho se encuentran los temas motores que están bien desarrollados y son fundamentales para la construcción del campo científico; en el cuadrante superior izquierdo, temas periféricos caracterizados por un desarrollo especializado interno, pero aislados de los temas externos teniendo una escasa relevancia.

Figura 1
Diagrama metodológico de selección.

autores.

En el cuadrante inferior izquierdo se incluyen los temas emergentes o en desaparición ya que tienen una centralidad y densidad baja por ser temas de escaso desarrollo en el campo científico. Por último, el cuadrante inferior derecho muestra los temas importantes pero básicos, y los transversales con desarrollo precario (Álvarez-Marin et al., 2017; Montero-Díaz et al., 2018).

Por otra parte, se utilizó el software VOSviewer para la construcción del mapa basado en la matriz de co-ocurrencia adoptando la técnica VOS propuesta por (Van Eck y Waltman, 2010), la cual implementa la medida de similitud conocida como índice de proximidad (Van Eck et al., 2006). El mapa muestra colores que indican el grupo asignado, mientras las líneas entre elementos señalan la relación de los ejes temáticos.

Posteriormente, los resultados obtenidos en SciMAT se clasificaron de la siguiente manera: países, instituciones y revistas más productivas; autores que predominan con mayor productividad y artículos con más citaciones en la temática. Con estas clasificaciones se realizó un análisis descriptivo del tema en cuestión. Asimismo, con los registros obtenidos por medio del algoritmo de búsqueda, se realizó la evaluación de títulos y resúmenes y, seguidamente, del texto completo de los artículos seleccionados por su relevancia. La extracción y análisis crítico de los datos se llevó a cabo mediante una matriz, teniendo en cuenta los hallazgos.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1 Análisis bibliométrico

El desarrollo del análisis bibliométrico inició con la ejecución del algoritmo obtenido en la matriz de búsqueda, en el que se seleccionó un lapso de 21 años. El resultado final incluyó 1693 publicaciones, las cuales se dividieron en 1404 (82.93 %) artículos originales, 171 (10.10 %) comunicaciones breves, 59 (3.48 %) revisiones, 35 (2.07 %) capítulos de libros y 12 (0.71 %) documento de conferencia.

Tabla 1

Autores con mayor número de artículos acerca del tratamiento de lodos.

SCR | Autores | TP
1 | Halden, R. U. | 25
2 | Smith, S. R. | 18
3 | Zhu, N. | 18
4 | Yang, J. | 17
5 | Wang, H. | 15
6 | Wang, Y. | 14
7 | Grobelak, A. | 13
8 | Dentel, S.K. | 13
9 | Venkatesan, A.K. | 12
10 | Sampaio, R.A. | 12
SCR: Standard Competition Ranking, TP: número total de documentos.

Autores a partir de datos recopilados en Scopus®.

El manejo inadecuado de los lodos residuales se ha generado principalmente por el desconocimiento de las alternativas de estabilización, lo que conlleva a focos de contaminación debido a las características que estos poseen. En consecuencia, se ha generado una mayor producción en el campo de la investigación por autores tales como Halden, R. U., que con 25 documentos es el autor con más publicaciones; seguido por Smith, S. R., y Zhu, N., los cuales tienen 18 artículos publicados; así como por Yang, J., con 17; y Wang, H., con 15 documentos sobre la temática. Como se observa en la Tabla 1.

En la Tabla 2 se puede observar la participación de los diferentes países en la producción científica sobre manejo de lodos residuales, estableciendo que Estados Unidos con el 19 % (369 documentos) tiene el mayor porcentaje de publicaciones relacionadas con el tema, seguido por China con 14 % (268), Brasil con 10 % (198), España con 9 % (171) y Polonia con 8 % (150).

Tabla 2

Países con mayor número de artículos sobre la temática.

SCR | País | TP
1 | Estados Unidos | 369
2 | China | 268
3 | Brasil | 198
4 | España | 171
5 | Polonia | 150
6 | Reino Unido | 104
7 | Canadá | 100
8 | Australia | 86
9 | Italia | 75
10 | Francia | 73
SCR: Standard Competition Ranking, TP: Número total de documentos.

Autores a partir de datos recopilados en Scopus®.

Adicional a esto, en la Tabla 3 se muestra la clasificación de instituciones más productivas por cantidad de publicaciones sobre el tema. La lista está encabezada por la Universidad Tecnológica de Częstochowa (Polonia), seguida de la Universidad de São Paulo (Brasil); lo que indica correlación con los países con mayor número de publicaciones, como se puede observar en la Tabla 2.

Tabla 3

Instituciones con mayor número de publicaciones respecto al manejo de lodos.

SCR | Institución | TP
1 | Universidad Tecnológica de Częstochowa | 48
2 | Universidade de São Paulo - USP | 43
3 | Universidad de Tongji | 43
4 | Academia china de ciencias | 36
5 | UNESP-Universidade Estadual Paulista | 33
6 | Universidad del estado de Arizona | 31
7 | Colegio Imperial de Londres | 27
8 | Universidade Federal de Minas Gerais | 26
9 | Ministerio de Educación de China | 25
10 | Universidad de Florida | 24
SCR: Standard Competition Ranking, TP: Número total de documentos.

Autores a partir de datos recopilados en Scopus®.

Por otra parte, la Tabla 4 muestra las diez (10) principales revistas que poseen mayor número de artículos científicos sobre la temática de tratamiento de lodos. De acuerdo con esto, 127 documentos se publicaron en la revista Water Science and Technology, 82 en Bioresource Technology y 59 en el Science of the Total Environment.

Tabla 4

Revistas más productivas sobre el tema.

SCR | Revista | TP | SRJ2020 | Q | H | País
1 | Water Science and Technology | 127 | 0.41 | 3 | 137 | Reino Unido
2 | Bioresource Technology | 82 | 2.49 | 1 | 294 | Holanda
3 | Science of the Total Environment | 59 | 1.8 | 1 | 244 | Holanda
4 | Chemosphere | 56 | 1.63 | 1 | 248 | Reino Unido
5 | Journal of Hazardous Materials | 54 | 2.03 | 1 | 284 | Holanda
6 | Waste Management | 52 | 1.81 | 1 | 161 | Reino Unido
7 | Water Research | 50 | 3.1 | 1 | 303 | Holanda
8 | Journal of Environmental Management | 31 | 1.44 | 1 | 179 | Estados Unidos
9 | Environmental Science and Pollution Research | 31 | 0.85 | 2 | 113 | Alemania
10 | Environmental Science and Technology | 29 | 2.32 | 1 | 107 | Reino Unido
SRJ: Scientific Journal Ranking, TP: número total de documentos, Q: Cuartil, H: H-Index.

Autores a partir de datos recopilados de Scimago y SciMAT.

De acuerdo con el Scientific Journal Ranking (SJR), las diez revistas tienen un índice h > 100 y ocho se encuentran en el cuartil 1 (Q1), mientras que las dos restantes están en cuartil 2 y 3 (Q2, Q3). El Índice H y los cuartiles muestran el nivel de impacto, relevancia y calidad científica que poseen dichas revistas. Al mismo tiempo, Holanda y Reino Unido son los países con mayor publicación de revistas sobre la temática analizada; seguidos por Alemania y Estados Unidos, que poseen una revista cada uno como se muestra en la Tabla 4.

Por otra parte, se encontraron cuatro artículos con más de 500 citas. Hasta ahora, el artículo más citado ha sido “Potential benefits and risks of land application of sewage sludge” con 702 citas, publicado en el 2008 en la revista Waste Management, cómo se puede visualizar en la tabla 5. Asimismo, siete de los diez artículos más citados se publicaron en las revistas Waste Management, Bioresource Technology, Science of the Total Environment, Water Research y Journal of Hazardous Materials, las cuales se encuentran dentro de las diez revistas con mayor número de publicaciones de la tabla 4.

Tabla 5

Artículos más citados acerca del tratamiento de lodos.

SCR | Título | Autores - Año | Revista | Citas
1 | Potential benefits and risks of land application of sewage sludge | (Singh y Agrawal, 2008) | Waste Management | 702
2 | A critical review of the bioavailability and impacts of heavy metals in municipal solid waste composts compared to sewage sludge | (Smith, 2009) | Environment International | 626
3 | Plant growth promoting rhizobacteria and endophytes accelerate phytoremediation of metalliferous soils | (Ma et al., 2011) | Biotechnology Advances | 592
4 | Comparative study of the methods used for treatment and final disposal of sewage sludge in European countries | (Kelessidis y Stasinakis, 2012) | Waste Management | 610
5 | Review of 'emerging' organic contaminants in biosolids and assessment of international research priorities for the agricultural use of biosolids | (Clarke y Smith, 2011) | Environment International | 494
6 | The influence of temperature and moisture contents regimes on the aerobic microbial activity of a biosolids composting blend | (Liang et al., 2003) | Bioresource Technology | 424
7 | Organic chemicals in sewage sludges | (Harrison et al., 2006) | Science of the Total Environment | 359
8 | Pharmaceuticals and personal care products in archived U.S. biosolids from the 2001 EPA national sewage sludge survey | (McClellan y Halden, 2010) | Water Research | 352
9 | Mesophilic and thermophilic anaerobic digestion of primary and secondary sludge. Effect of pre-treatment at elevated temperature | (Gavala et al., 2003) | Water Research | 315
10 | Heavy metal speciation and leaching behaviors in cement based solidified/stabilized waste materials | (Li et al., 2001) | Journal of Hazardous Materials | 295

Autores a partir de datos recopilados en SciMAT.

Los diagramas estratégicos muestran cómo los temas relevantes para el desarrollo de la temática analizada en el campo científico, tales como los suelos agrícolas, residuos, actividades enzimáticas y las lombrices de tierra, están asociados con la evaluación de los impactos ambientales generados por los lodos residuales (Figura 2a). También los temas transversales dejan ver como los lodos están relacionados con las aguas residuales, las propiedades del suelo y el riesgo ambiental que generan. De igual manera, los lodos se relacionan estrechamente con el tratamiento de las aguas residuales, la materia orgánica, las concentraciones de sustancias inorgánicas y la estabilización de estos (Figura 2b).

Figura 2
Diagramas estratégicos.

Autores a partir de datos recopilados en SciMAT.

Por otra parte, en la Figura 2a se observa que temas centrados en las nanopartículas, los compuestos de aluminio, la contaminación ambiental, los bioproductos y las sustancias volátiles se han estudiado. Sin embargo, no están entrelazados con la temática en general. A su vez, temas como fertilizantes, nutrientes, actividad microbiana y producción de biomasa han quedado marginados en el campo investigativo.

En el mapa de coocurrencia (Figura 3) se pueden apreciar cinco ejes temáticos o clústers (wastewater treatment, biosolids, sewage, sludge and stabilization) representados por distintos colores (Rojo, amarillo, verde, azul y morado). Esto permite apreciar los nexos de unos conceptos con otros, puesto que estas son las temáticas con mayor estudio u ocurrencia. De igual manera, se puede notar que el primer eje temático se centró en el tratamiento de las aguas residuales, particularmente en la actividad microbiana, así como en las partes del proceso y los residuos generados durante el tratamiento. Este eje incluyó palabras como biorreactores, sólidos, patógenos, bacterias.

Figura 3
Mapa de co-ocurrencia.

Autores a partir de VOSviewer.

El segundo eje temático se relaciona con la generación de biosólidos y sus beneficios. Este grupo reunió palabras claves como las siguientes: crecimiento de plantas, enmienda del suelo, compostaje, entre otras. El tercer eje temático aglutina diferentes aspectos relacionados con el tratamiento de aguas, características fisicoquímicas, actividad microbiana, al igual que la generación de lodos. Asimismo, el conjunto de temas del cuarto eje temático se vinculó con trabajos sobre la toxicidad, la generación de lodos, los metales pasados y características físicas como el pH. Por último, el quinto eje temático se centró principalmente con los métodos para la estabilización de los lodos residuales como estos: digestión anaerobia y aerobia, incineración, compostaje, vermicompostaje y solidificación (deshidratación). Además, hace mención de descriptores claves como aguas residuales, tratamientos, metales pesados y actividad microbiana.

3.2 Generación de lodos residuales, desde una perspectiva general

A nivel mundial, el crecimiento demográfico y la demanda del agua hacen que los volúmenes de aguas residuales se eleven cada día más (Bora et al., 2020; Patel et al., 2019; Potisek-Talavera et al., 2010). Las diferentes actividades productivas y domésticas producen grandes cantidades de aguas residuales y por ende de lodos. Estas aguas residuales contienen una diversidad amplia de contaminantes y hace que presenten, cada una, alguna característica particular que va a determinar cuál será el tratamiento más adecuado a aplicar (Díaz-Cuenca et al., 2012; Choudri y Charabi, 2019).

Los lodos residuales poseen diversas características, ya que depende del grado de tratamiento en que se produzcan y según el tipo de agua residual que manejan las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) (Chu y He, 2020; Patel et al., 2019). En consecuencia, las EDAR generan diferentes tipos de lodos: lodos de precipitación primaria, lodos secundarios, lodos de precipitación química, lodos de estratos bacterianos y lodos digeridos (Hey y Simms, 2021; Serpa, 2017).

Asimismo, los lodos residuales pueden contener diversos tipos de materiales inorgánicos como metales pesados, químicos, patógenos, bacterias, protozoarios, helmintos, entre otros. Esto causa que sea de gran preocupación la gestión que se les da a dichos residuos, ya que ponen en riesgo la salud y el medio ambiente (Castillo et al., 2020; Magee et al., 2018; Meng et al., 2016). No obstante, estos tienen un gran contenido de materia orgánica que generan frecuentemente, brindando así múltiples oportunidades de implementar modelos o estrategias de reutilización (Bora et al., 2020).

Por esta razón, los lodos residuales son objeto de procesos investigativos con el fin de implementar gestiones adecuadas para crear nuevos productos finales, sin tener la necesidad de disponerlos en vertederos (Chu y He, 2020). La reutilización de los biosólidos estabilizados en el suelo aporta material orgánico y nutrientes suficientes. Este aporte es ventajoso para la relación suelo-planta, lo que contribuye a la preservación de los recursos naturales y reduce al mínimo los efectos para la salud pública (Quinchía y Carmona, 2004; Vélez, 2007).

3.3 Alternativas convencionales

La necesidad de la estabilización o del tratamiento de los lodos depende de la disposición o reutilización que se pretenda darles, con tres propósitos fundamentales: la eliminación de olores, la disminución del potencial de putrefacción y la reducción de la carga patógena. Estos son procesos cuyo estudio se ha desarrollado escasamente (Figura 2a), debido a que implican un reto económico y de ingeniería, ya que la cantidad de lodos generada en las EDAR es tal, que se requiere de inversión en infraestructura y tecnologías para reducir su volumen y el contenido contaminante (Holguín et al., 2014; Huang et al., 2020).

En consecuencia, para la realización adecuada de los procesos de estabilización y eliminación de los lodos residuales es importante identificar características como la calidad, la cantidad, las condiciones físicas del lugar y los costos que se requieren para su manejo (García et al., 2006). Por otra parte, también se han contemplado diferentes tipos de alternativas de estabilización para lodos residuales generados en las EDAR, como las siguientes:

Espesamiento: proceso de reducción volumétrica y de concentración mediante procedimientos físicos relacionados con la flotación, el espesado por gravedad y la centrifugación (Amador-Díaz et al., 2015; Marín, 2019). El espesamiento por flotación consiste en saturar con aire la solución, con presiones entre las 2 a 4 atmósferas (atm). El aire es liberado mediante burbujas y eso conlleva que el lodo precipite de forma ascendente para removerse.

El espesamiento por gravedad se ha empleado para el tratamiento de lodos primarios con buenos resultados. Este tratamiento se realiza en un reactor o tanque de sedimentación, en el cual el mecanismo rotatorio hace que las partículas de sedimentos se compacten y aumenten su tamaño, lo cual hace que dichas partículas caigan al fondo para extraerse. Por último, el espesamiento por centrifugado es un proceso en el que se aplica fuerza centrífuga, empujando el material hacia las paredes del reactor, lo que facilita su remoción (Gualoto, 2017).

Digestión anaerobia: proceso que se lleva a cabo dentro de un reactor en ausencia de oxígeno en el que se degrada la materia orgánica, teniendo como resultado la formación de ácidos volátiles y gas metano (Appels et al., 2008; Nguyen et al., 2021; Tulun y Bilgin, 2019; Yu et al., 2014). La digestión anaerobia se considera adecuada para los lodos primarios y los mixtos cuyo contenido de sólidos volátiles supera el 50% y no poseen sustancias inhibitorias (Gualoto, 2017).

Digestión aerobia: este proceso de estabilización de los lodos ocurre en aireación prolongada para conseguir la producción de microorganismos aerobios, hasta exceder el periodo de síntesis de las células, logrando así la autooxidación (Pérez , 2016). Por otra parte, métodos como la digestión aerobia psicrófila y mesófila son los menos usados, debido a los tiempos empleados que van desde los 10 a los 30 días (Mahamud et al., 1996).

Tratamiento químico: proceso bactericida que bloquea temporalmente la fermentación ácida en los lodos residuales. Consiste en elevar el pH en un rango mayor a 12, en un periodo de tiempo mínimo de 2 horas, con el fin de establecer un ambiente desfavorable para los microorganismos. Esto impide la descomposición de la materia, evitando así riesgos para la salud pública (Gualoto, 2017). En dicho proceso, la cal es el reactivo que más se utiliza debido a la alcalinidad y a los costos reducidos (Marín, 2019).

Incineración: proceso de combustión (800 °C aproximadamente) de lodos cuya producción de masa residual es menor, la cual es constituida por materiales minerales inocuos (Chu y He, 2020; Oliva et al., 2019; Patel et al., 2020). Este proceso está diseñado para reducción de los lodos en un 75 % de su volumen y emplea sistemas para secar o incinerar como secadores tipo Flash, pulverizadores o evaporadores de efectos múltiples (Gualoto, 2017; Pérez, 2016).

Pirólisis: reducción de los lodos en ausencia o baja presencia de oxígeno. Esta reducción ocurre en dos velocidades, rápida y lenta. En la primera, hay una fase de calentamiento rápido en un periodo corto de tiempo, mientras que en la segunda hay una velocidad de calentamiento lenta en un tiempo prolongado (Álvarez et al., 2015; Li et al., 2021; Patel et al., 2019).

Ozonización: proceso de oxidación en el cual se emplea como agente oxidante al ozono. Este gas es efectivo para la eliminación de las características de color y olor, reduce el 90% del volumen de los lodos en cortos periodos de tiempo, y además permite que la actividad bacteriana sea inactivada con facilidad (Amador-Díaz et al., 2015).

Deshidratación: es un proceso natural en el que los lodos son puestos en compartimientos con fondos porosos, lo cual permite la incidencia de la luz solar y el viento, logrando así que estos se deshidraten (Castellanos-Rozo et al., 2018). Pueden emplearse métodos estáticos, entre ellos el lecho de secado, el cual consiste en la remoción de agua mediante un filtro de área y grava. También puede emplearse la evaporación, la cual es empleada también en los sistemas de lagunaje. El filtro al vacío, por su parte, remueve el agua gracias a filtros que posee en su tambor rotatorio. El filtro prensa, a su vez, aplica presión por medio de bandejas hasta obtener lodo compactado, removiendo el agua completamente (Gualoto, 2017).

Las alternativas convencionales poseen diversas ventajas y desventajas que limitan su aplicación en las EDAR. Por ejemplo, el espesamiento y la deshidratación son alternativas que reducen los costos operacionales. Sin embargo, el espesamiento por flotación y el centrifugado aumentan los costos de mantenimiento (Castellanos-Rozo et al., 2018; Gualoto, 2017). Por otra parte, algunas alternativas presentan procesos lentos de degradación, producen olores y no destruyen la materia orgánica. Es decir, ciertas alternativas requieren de la aplicación de otro método complementario para lograr estabilizar los lodos y cumplir así con la normativa establecida, lo que aumenta los costos.

3.4 Alternativas sostenibles

La gestión de los sólidos y el tratamiento de los lodos residuales es uno de los procesos con mayores costos económicos en términos del tratamiento de las aguas residuales. Por eso, el perfeccionamiento de alternativas de estabilización o tratamientos rentables y sostenibles es fundamental en el área de la gestión de desechos (Nguyen et al., 2021; Neumann et al., 2016). Es por ello que algunas de las alternativas empleadas muestran relación con las tendencias actuales observadas en el quinto eje temático (Figura 3), siendo estas:

Compostaje: proceso rentable que consiste en la descomposición aeróbica, termófila y regulada de los microorganismos que estabilizan la materia orgánica del lodo, formando así un nuevo producto estable e inocuo, de color marrón y con olor a humus (Gao et al., 2019; Huezo, 2011; Li et al., 2020; Mahamud et al., 1996; Pan et al., 2018).

Lombricultura: es una biotecnología que emplea únicamente lombrices, las cuales pueden ser de las especias roja californiana (Eisenia Foetida) o roja africana (Fudrillus sp.). Dichas especies, con ayuda de los microorganismos, alteran las propiedades físicas, químicas y microbiológicas de los lodos, mediante su digestión y excreción. De esta forma, pueden transformarlos en productos libres de contaminantes y con mayor contenido de nutrientes (Albornoz y Ortega, 2017; Rimassa, 2019).

Las alternativas sostenibles, al igual que las convencionales, presentan sus ventajas y desventajas. El compostaje requiere de grandes áreas y el suministro de aire. Así mismo, presenta procesos de degradación lenta y costos de operación moderados, pero el producto obtenido resulta de alta calidad para fines agrícolas. Por otra parte, la lombricultura es económicamente viable y con operación sencilla. Sin embargo, requiere de monitoreos constantes y de tratamiento previo, cuando los lodos presentan contenidos de metales pesados y productos farmacéuticos (Gualoto, 2017).

En general, las líneas de estabilización de lodos residuales se encuentran enfocadas en dos propósitos fundamentales: reducción de volumen y de poder fermentativo. El primer propósito puede obtenerse por un simple espesamiento, deshidratación, incineración o escurrido mecánico. El segundo, por otra parte, pretende reducir la actividad y contenido bacteriano causantes de diversas enfermedades y se consigue mediante la digestión anaeróbica o aeróbica, así como por la estabilización química de los lodos (Patel, Kundu, Halder, Ratnnayake, et al., 2020; Trejos y Agudelo , 2012). De cualquier forma, lo que se busca es manejar de forma adecuada los lodos residuales, y de esta forma minimizar el impacto ambiental generado, así como proporcionar una actividad económica con la cual se puedan obtener nuevos beneficios.

4. CONCLUSIONES

El análisis bibliométrico permitió conocer que los países con mayor producción y publicación sobre la temática del tratamiento de lodos fueron Estados Unidos (con 369 documentos) y China (con 268 documentos), seguidos Brasil y España (con más de 150 escritos cada uno). Asimismo, las revistas científicas Water Science and Technology y Bioresource Technology son las que cuentan con mayor producción de publicaciones sobre este tema. De igual manera, las instituciones como la Universidad Tecnológica de Częstochowa, Universidade de Sao Paulo y la Universidad de Tongji se encuentran entre los primeros tres lugares de la clasificación, con más de 40 documentos publicados sobre la temática.

La generación de lodos residuales está directamente relacionada con la producción de aguas residuales en el mundo. Debido a esto, las alternativas para el manejo de los lodos han evolucionado en las últimas décadas con el fin de disminuir la contaminación que puedan generar; así como la búsqueda de estrategias rentables para la disposición final de estos, ya que poseen diferentes nutrientes que brindan oportunidades para la reutilización en otros sectores. Por esa razón, la selección del método de estabilización es fundamental para el aprovechamiento de los lodos residuales, teniendo en cuenta las características que estos poseen.

Las alternativas más empleadas en la actualidad para el manejo de los lodos son la digestión anaerobia, el espesamiento, la deshidratación, la incineración y el compostaje, las cuales logran estabilizar la actividad bacteriana y reducir la materia orgánica. Sin embargo, cada alternativa genera costos adicionales a los gastos operacionales del tratamiento de las aguas residuales, haciendo (en la mayoría de los casos) inviable económicamente su implementación, lo que conlleva a la disposición de los lodos en los rellenos sanitarios.

No obstante, las alternativas sostenibles (como el compostaje y la lombricultura) generan subproductos que se pueden aprovechar, ya que tienen diversas ventajas como mejoradores de suelos degradados o para su uso en la agricultura, pues aportan nutrientes y materia orgánica, las cuales mejoran las condiciones químicas y físicas del suelo. Adicionalmente, las alternativas sostenibles logran dar una disposición final de manera adecuada a los lodos, reducen los costos operacionales y generan beneficios económicos por la comercialización de los biosólidos. Es por esto que, frente a la problemática de los lodos residuales generados por el saneamiento de aguas residuales domésticas e industriales, es pertinente agilizar las investigaciones cuyo fin sea generar nuevas alternativas que permitan el aprovechamiento del 100 % de estos residuos.

Agradecimientos

Los autores expresan su agradecimiento a la candidata doctoral, Lorena Sánchez Donado, por la revisión y comentarios efectuados en el Documento.

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