Evaluación de la filtración y deshidratación de solidos de efluentes bovinos con y sin acondicionamiento químico mediante geocontenedores

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1 Evaluación de la filtración y deshidratación de solidos de efluentes bovinos con y sin acondicionamiento químico mediante geocontenedores Mauro Viton, Nicolás Riera, Pablo Moletta, Diana Crespo Instituto de Microbiología y Zoología Agrícola, CICVyA, CNIA, INTA. De los Reseros y las cabañas S/N (1713), Buenos Aires, Argentina mviton@cnia.inta.gov.ar Resumen. La ganadería intensiva genera grandes volúmenes de efluentes con alto contenido de sólidos. Una tecnología adecuada para separar, deshidratar y contener estos solidos es la filtración por geocontenedores. Los mismos son estructuras tubulares porosas construidas con polietileno tejido. Para evaluar el proceso de filtración y deshidratación se construyó un equipo de simulación que replica las condiciones de trabajo a escala real en geocontenedores de 30 litros. Se estudió el efluente de bovinos estabulados. Se realizaron dos tratamientos (T1 y T2) de 4 réplicas cada uno. T1, efluente sin agregado de químicos y T2, con el agregado de Cl 3 Fe (80 ppm) y polímero catiónico (20 ppm). Se midieron, al inicio y final del ensayo (20 días) los parámetros: solidos totales (ST), solidos suspendidos totales (SST) y volumen. Con estos parámetros se determinó la eficiencia de retención másica (MRE) de ST y SST y la reducción promedio de volumen (VRE), en ambos tratamientos. Los resultados fueron para T1: MRE 99.3% para ST, MRE 98.9% para SST, VRE 50% y solidos a 20 días de 19.7%; los geocontenedores con dosificación química (T2) obtuvieron un MRE del 99.6% para ST, MRE 99.9 % para SST, VRE del 72% y 24.3% de ST. Si bien el MRE de ambos tratamientos no mostro diferencias significativas (p<0.05), si lo hicieron los VRE. Por ello se puede concluir que T2 tiene una mejor performance de deshidratación y reducción de volumen, aunque la retención de solidos sea la misma para los dos tratamientos. Palabras Clave: efluentes, geocontenedores, filtración, deshidratación. 1. Introducción Las lagunas anaeróbicas son estructuras comúnmente usadas para tratar y almacenar efluentes de producciones pecuarias. La acumulación excesiva de lodos en las lagunas, conduce a una reducción del volumen de tratamiento anaeróbico, por lo que deben retirarse periódicamente. El método más usado consiste en bombear los lodos a un camión tanque para luego ser aplicados sobre áreas destinadas a cultivo. La proximidad de estas áreas y los volúmenes de lodos a transportar elevan los costos. Para reducir los costos del tratamiento de los lodos es conveniente deshidratarlos, elevando así el contenido de sólidos y reduciendo los volúmenes a tratar. Se ha propuesto como método alternativo para la remoción de lodos la filtración mediante geocontenedores. Estas son estructuras cerradas construidas con geotextiles de alta resistencia. La filtración mediante geocontenedores es realizada en tres pasos: (1) confinamiento, (2) deshidratación, y (3) consolidación. La trama del geotextil posee poros que permiten la retención de los sólidos de los lodos contenidos y la liberación del exceso de líquido, resultando en una reducción de la humedad junto con una reducción del volumen del material contenido. La reducción del volumen permite el llenado sucesivo del geocontenedor; posteriormente al ciclo final de llenado/deshidratado del geocontenedor, los sólidos contenidos continúan consolidando por el escape de vapor de agua residual [1]. Los geocontenedores fueron probados por Baker [2] para determinar las eficiencias de separación de sólidos en lodos de lagunas de producciones porcinas y bovinas. Se usaron geocontenedores suspendidos para la prueba de 1m de circunferencia por 1 m de longitud que alcanzaron

2 eficiencias de separación de aproximadamente 88% para sólidos totales. En una prueba a escala campo [3], hallaron eficiencias de separación del 97% para sólidos totales. Se ha sugerido que la adición de químicos acondicionadores mejora la eficiencia de separación y acelera la velocidad de deshidratación. Mediante pruebas preliminares de laboratorio se determinó que una combinación de cloruro férrico en solución y polímero catiónico provee una relación de costoeficiencia adecuada para este propósito. El objetivo de este trabajo fue determinar la eficiencia de retención másica (MRE) para sólidos totales (ST) y sólidos suspendidos totales (SST), a través de geocontenedores con y sin acondicionamiento químico de efluentes bovinos. Cuantificar la reducción promedio de volumen (VRE) y determinar la eficiencia de deshidratación para cada tratamiento mediante la medición del %ST a los 20 días de ensayo. 2. Desarrollo 2.1 Recolección de la muestra de efluente bovino Las muestras de efluentes bovinos fueron recolectadas en los establos del Instituto de Fisiología Animal del INTA Castelar. Este efluente consistía en estiércol de animal y agua proveniente del lavado del establo. El efluente recolectado se almaceno en recipientes cerrados de polipropileno hasta su utilización en la experiencia. 2.2 Diseño experimental Se realizaron dos tratamientos con 4 réplicas, El tratamiento 1 (T1) sin agregado de químicos y Tratamiento 2 (T2) con agregado de químicos. 2.3 Descripción de los geocontenedores de prueba y dispositivo de filtración La filtración de los sólidos mediante geocontenedores se estimó usando tres replicas en cada ensayo mediante un dispositivo construido para este fin. El uso del dispositivo permite la medición de los sólidos (totales y suspendidos) y volúmenes del efluente y filtrado. El tejido geotextil utilizado para confeccionar los geocontenedores de prueba de dimensiones planas de 0.5x0.5m tiene una permisividad hidráulica de 12 l/m/s 2, un tamaño aparente de poro (AOS) de 250 µm y una resistencia a la tracción longitudinal de 80 Kn/m. El dispositivo consta de un tanque graduado de 200 l con agitación mecánica, conectado a una bomba diafragmática manual mediante tuberías de 1 ½. El efluente se impulsó al geocontenedor de prueba ubicado en una plataforma elevada. La circulación se controló mediante una válvula de 3 bocas, la cual permitió replicar la turbulencia, caudal y tiempos de permanencia en tubería a escala real. La presión que ejerce el efluente sobre el geocontenedor se midió mediante un manómetro. Figura. 1. Dispositivo de filtración con geocontenedor de prueba

3 2.4 Carga del efluente El efluente bovino se bombeo al tanque de carga, colocando la válvula en posición de succión y operando la bomba manual. Se accionó el agitador mecánico y se retiraron 500 ml de efluente para medición de ST y SST. Se registró el volumen contenido en el tanque. Se posicionó el geocontenedor de prueba en la plataforma y se conectó la boca de llenado a mismo. Para los ensayos que requerían acondicionamiento químico, se agregó Cl 3 Fe 80 ppm y polímero catiónico 20 ppm; se recirculo con agitación hasta que los floculos se encontrasen distribuidos homogéneamente dentro del recipiente y tuberías. 2.5 Carga del geocontenedor y toma de muestra de filtrado Se colocó la válvula de 3 vías en posición de carga; se accionó la bomba manual para impulsar el efluente hacia el geocontenedor situado en la plataforma, el bombeo continúo hasta que el manómetro registro los 3.8 psi de presión (esta medida es directamente proporcional a la altura máxima de carga del geocontenedor de prueba). Una vez alcanzada esta presión, se detuvo el bombeo y se dejó reposar el geocontenedor durante 20 minutos. Se registró el volumen de efluente bombeado, filtrado, y se recolectaron muestras para determinación de ST y SST. Este procedimiento se repitió dos veces más. 2.6 Consolidación del material retenido y toma de muestra Los geocontedores una vez finalizada la etapa del dispositivo, se retiraron colocándose en plataformas impermeabilizadas situadas al aire libre. Las muestras para ST del material retenido se retiraron a través de la boca de carga a los 60 minutos, 24 horas, 10 y 20 días de finalizadas las tres cargas con el dispositivo. 2.7 Métodos analíticos Se usaron técnicas estándar por secado en estufa para la determinación de ST y SST en el efluente, sólido contenido y liquido filtrado [4]. 2.8 Estimación de parámetros Las ecuaciones están basadas en las planteadas por Cantrell et al. [5] 2.9 Reducción de masa Dónde: N= número de ciclos de llenado/drenado (N=1, 2,3) Minji= masa total de cualquier constituyente j adicionado a la bolsa para un ciclo de llenado/drenado i. Moutji= masa total de cualquier constituyente j que pasa a través de la malla de geotextil en el filtrado para un ciclo de llenado/drenado i. Cinji= concentración en el influente de un constituyente j para un ciclo de llenado/drenado i. Vini= volumen de influente para un ciclo de llenado/drenado i. Coutji= concentración en el filtrado de un constituyente j para un ciclo de llenado/drenado i. (1)

4 Vouti= volumen total de filtrado para un periodo de llenado/drenado i. De la ecuación (1) la eficiencia de retención másica resulta: (2) MREn es un parámetro acumulativo, parte del material influente cargado durante el primer ciclo de llenado/drenado i, filtra continuamente durante toda la prueba. Dentro de una réplica para un tratamiento definido, no se puede separar los efectos del primer llenado de los llenados subsecuentes, por lo tanto, la eficiencia de retención después del 3 llenado (MRE) es la eficiencia de retención másica promedio Reducción de volumen Es posible que un geocontenedor tenga una alta retención de masa, pero que provea una baja deshidratación. Por lo tanto la retención másica no es adecuada para describir la performance de la filtración. Un índice de reducción de volumen (VRE) indica hasta qué grado un geocontenedor puede deshidratar un lodo. (3) (4) Vndw= volumen de material deshidratado 3 Resultados Durante la caracterización de los efluentes, se observó una variabilidad en el contenido de ST y SST. La heterogeneidad hallada no incidió en el desarrollo de los tratamientos, ya que MRE y VRE, se calcularon en función de las características físicas de las partículas del efluente y su relación con la trama del geotextil seleccionado para confeccionar los geocontenedores de prueba. En la Tabla 1, se muestran las características iníciales de los efluentes analizados. Tabla 1. Características iniciales de los efluentes analizados Tratamiento T1 T2 Volumen promedio (L) [a] (5.774) (3.547) ST (%) (0.676) 3.90 (1.340) SST (g.l-1) (6.130) (10.503) [a] desviación estándar n=4 Las características del filtrado para ambos tratamientos se muestran en la Tabla 2. Los datos muestran una concentración menor de ST y SST en T2, así como un mayor volumen de líquido filtrado en relación a T1.

5 Tabla 2: Características del efluente filtrado tratamiento T1 T2 Volumen promedio (L) (7.503) (3.547) ST (%) 0.16 (0.054) 0.09 (0.012) SST (g.l-1) (0.362) (0.0236) Los resultados de MRE para T1 fueron de 99.3% y 98.9% para ST y SST respectivamente. El T2 obtuvo un MRE del 99.6% para ST y 99.9 % para SST. El MRE para ST y SST entre ambos tratamientos no mostro diferencias significativas (p<0.05). El contenido de ST a 20 días fue mayor para T2 (24.3%) en comparación al hallado para T1 (19.7%). La diferencia encontrada en el contenido de ST para T1 y T2 se mantuvo proporcional a lo largo del ensayo (24 horas y 10 días de iniciado el ensayo). Asimismo, VRE mostró una diferencia significativa (p<0.05) entre ambos tratamientos. Las reducciones encontradas fueron de 72% y 50% para T1 y T2v respectivamente. 4 Conclusiones Los resultados hallados mostraron que el uso de químicos acondicionantes mejora la calidad del efluente filtrado y reduce el tiempo de deshidratado, permitiendo un recarga más rápida del geocontenedor. La filtración por geocontenedores es un método eficaz para la captura y deshidratación de los sólidos provenientes de efluentes bovinos. Esto lo hace conveniente como tratamiento primario en producciones pecuarias. Referencias Bibliográficas [1] Moo-Young, H.K., Myers, T., Townsend, D., and Ochola, C. (1999). Contaminant Migration Through Geo-Containers Used in Dredging Operations. Engineering Geology. Vol. 53. No. 2. pp [2] Baker, K.B., J.P. Chastain, R. Dodd, K.P. Moore Treatment of swine and dairy lagoon sludge utilizing geotextile filtration. ASAE Paper # St. Joseph, MI ASAE [3] Worley, J.W., T.M. Bass, and P.F. Vendrell Field test of geotextile tube for dewatering dairy lagoon sludge ASAE Paper #044078, St. Joseph, Mich.: ASAE [4] APHA Standard Methods of Examination of Water and Wastewater. 21st ed. Washington, D.C.: American Public Health Association (APHA). [5] Cantrell, K.B., Chastain, J.P., Moore, K.P., Geotextile filtration performance for lagoon sludges and liquid animal manures dewatering. Transactions of the American Society of Agricultural and Biological Engineers 51,