Post on 04-Jul-2022
Lodos de depuradora:
de residuo ambiental a
bioestimulante agronómico
Dpto. Bioquímica y Biología
Molecular
Pablo Caballero Jiménez
pcaballero2@us.es
Lodos activados
• Biomasa microbiana viva y muerta• Substancia extracelular polimérica• Alto contenido en MO (6-10% N)
Flóculos
EDAR
1. LODOS DE DEPURADORA
Lodos activados
• Biomasa microbiana viva y muerta• Substancia extracelular polimérica• Alto contenido en MO (6-10% N)
Flóculos
CONTAMINACIÓN DE AGUAS
GESTIÓN DE RESIDUOS SÓLIDOS
• 25 - 60 % costos operativos• 40 % del total de emisiones de
gases de efecto invernadero
GESTIÓN DE LODOS DE DEPURADORA
EDAR
1. LODOS DE DEPURADORA
Lodos activados
• Biomasa microbiana viva y muerta• Substancia extracelular polimérica• Alto contenido en MO (6-10% N)
Flóculos
CONTAMINACIÓN DE AGUAS
GESTIÓN DE RESIDUOS SÓLIDOS
• 25 - 60 % costos operativos• 40 % del total de emisiones de
gases de efecto invernadero
GESTIÓN DE LODOS DE DEPURADORA
EDAR
Producción en aumento
Directiva 91/271/CEE
Tratamiento de las aguas residuales urbanas
En Europa se producen 10 M ton/año
1. LODOS DE DEPURADORA
Lodos activados
• Biomasa microbiana viva y muerta• Substancia extracelular polimérica• Alto contenido en MO (6-10% N)
Flóculos
EDAR
1. LODOS DE DEPURADORA
Lodos activados
• Biomasa microbiana viva y muerta• Substancia extracelular polimérica• Alto contenido en MO (6-10% N)
Flóculos
1. LODOS DE DEPURADORA
EDAR
Apto como material componente de productos fertilizantes
< Límites metales pesados
Composición inorgánica
N ~ 55 g/KgP ~ 20 g/kgK ~ 5 g/Kg
Compuesto por microorganismos potencialmente patógenos
Macro y micronutrientes vegetales
COMPOSICIÓN INTERESANTE DESDE EL PUNTO DE VISTA AGRONÓMICO
26
33
11
48
29
56 9
13
47
15
21
54
144
18
15
18
50
18
57
6
2. GESTIÓN DE LODOS
REUTILIZACIÓN (Agricultura)
REUTILIZACIÓN (agricultura)
INCINERACIÓN
VERTEDERO
AGUAS SUPERFICIALES
OTROS (secado térmico, gasificación pirolisis…)
ENMIENDA ORGÁNICA FERTILIZANTES Y BIOESTIMULANTES
Directiva 86/278/CEE
Real Decreto 1310/1990
Reglamento (UE) 2019/1009
*Consideraciones:Orden de 6 de agosto de 2018
Real Decreto 506/2013
APTOS como materia prima
NO CONTEMPLADOS
• S i n s u s t a n c i a s p e l i g r o s a s
• L i m i t e s d e m e t a l e s p e s a d o s
• H i g i e n i z a d o s y e s t a b i l i z a d o s
Prohibido su uso directo
EVITAR POSIBLES EFECTOS NOCIVOS
APTOS para su uso de manera controlada
< >
Digestión anaeróbia
CONVENCIONALES
• Mejora las propiedades del suelo
• Mejora de la producción agrícola
Compostaje
OBTENCIÓN DE ENMIENDAS ORGÁNICAS
Enzimas
MicroorganismosPGPR
Hidrólisisenzimática
Y fermentación
ALTERNATIVAS
OBTENCIÓN DE BIOESTIMULANTES
Requieren un tratamiento de
higienización previo
ENFOCADAS AL USO AGRONÓMICO
> <• Aumenta la eficiencia y calidad del cultivo
• Protección frentes a estrés
• Mejora la absorción de nutrientes
• Estimulan la microbiota del suelo
TECNOLOGÍAS BIOLÓGIAS DE TRATAMIENTO DE LODOS
2. GESTIÓN DE LODOS
Substancias y/o microorganismos que, aplicados en pequeñas cantidades a plantas o a la rizosfera, estimula el proceso natural mejorando la absorción de nutrientes y la eficiencia, calidad y tolerancia a
estreses abióticos de los cultivos con independencia de su contenido nutricional
3. BIOESTIMULANTES AMBIENTALES
Modulan la absorción de N
Reducen la transpiración
Protección frente a estreses
Estimulan la microbiota del suelo
Regulan el crecimiento
Efectos hormonales
Herramienta para regular y/o modificar los proceso fisiológicos en plantas
Mejoran eficiencia nutricional
CL
AS
IF
IC
AC
IÓ
N • Substancias húmicas
• Hidrolizados proteicos
• Extractos de algas
• Quitosano
• Compuestos inorgánicos
• Hongos beneficiosos
• Bacterias beneficiosas
TECNOLOGÍA ENZIMÁTICA
LODO COMO SUBSTRATO
ENZIMA / MIX ENZIMATICO
• ENZIMAS COMERCIALES / OBTENIDAS
MEDIANTE FERMENTACIÓN
• PROCESO RÁPIDO
• SENCILLEZ OPERACIONAL
4. TECNOLOGÍAS BIOLÓGICAS ALTERNATIVAS
PRETRATAMIENTO FÍSICO +
TECNOLOGÍA ENZIMÁTICA
LODO COMO SUBSTRATO
ENZIMA / MIX ENZIMATICO
• ENZIMAS COMERCIALES / OBTENIDAS
MEDIANTE FERMENTACIÓN
• PROCESO RÁPIDO
• SENCILLEZ OPERACIONAL
4. TECNOLOGÍAS BIOLÓGICAS ALTERNATIVAS
PRETRATAMIENTO FÍSICO +
Sin pretratar
Pretratados
AUTOCLAVADO
Higienización del substrato enzimático/
fermentativo
EXPLOSIÓN SÚBITA DE VAPOR (ESV)
• Biodisponibilidad• Contenido soluble• Accesibilidad a la degradación biológica
TECNOLOGÍA ENZIMÁTICA
LODO COMO SUBSTRATO
ENZIMA / MIX ENZIMATICO
• ENZIMAS COMERCIALES / OBTENIDAS
MEDIANTE FERMENTACIÓN
• PROCESO RÁPIDO
• SENCILLEZ OPERACIONAL
4. TECNOLOGÍAS BIOLÓGICAS ALTERNATIVAS
PRETRATAMIENTO FÍSICO +
TECNOLOGÍA ENZIMÁTICA
LODO COMO SUBSTRATO
ENZIMA / MIX ENZIMATICO
HIDROLIZADOS PROTÉICOS
- Modulan absorción de N- Agentes quelantes- Agentes antioxidantes- Actividad hormonal- Tolerancia frente a salinidad- Estimulación de la microbiota del suelo
BIODISPONIBILIDAD
CONTENIDO SOLUBLE
• ENZIMAS COMERCIALES / OBTENIDAS
MEDIANTE FERMENTACIÓN
• PROCESO RÁPIDO
• SENCILLEZ OPERACIONAL
Péptidos yAA libres
PROTEASAS
(Lodos ~35% proteínas)
Proteínas
4. TECNOLOGÍAS BIOLÓGICAS ALTERNATIVAS
PRETRATAMIENTO FÍSICO +
TECNOLOGÍA ENZIMÁTICA
LODO COMO SUBSTRATO
ENZIMA / MIX ENZIMATICO
• ENZIMAS COMERCIALES / OBTENIDAS
MEDIANTE FERMENTACIÓN
• PROCESO RÁPIDO
• SENCILLEZ OPERACIONAL
4. TECNOLOGÍAS BIOLÓGICAS ALTERNATIVAS
PRETRATAMIENTO FÍSICO +
> 10 kDa
Estimulación de actividades enzimáticas del suelo• Deshidrogenasa Actividad microbiana
• Fosfatasa
• B-Glucosidasa Reciclado de nutrientes
FRACCIÓN PROTEICA
PROTEASAS
Péptidos y AA libres(Alta biodisponibilidad)
TECNOLOGÍA ENZIMÁTICA
LODO COMO SUBSTRATO
ENZIMA / MIX ENZIMATICO
• ENZIMAS COMERCIALES / OBTENIDAS
MEDIANTE FERMENTACIÓN
• PROCESO RÁPIDO
• SENCILLEZ OPERACIONAL
BIOESTIMLACIÓN EDAFOLÓGICA
4. TECNOLOGÍAS BIOLÓGICAS ALTERNATIVAS
PRETRATAMIENTO FÍSICO +
• APLICACIÓN FOLIAR MEJORÓ EL RENDIMIENTO DEL CULTIVO
• INCREMENTO CONCENTRACIÓN DE NUTRIENTES EN LAS PLANTAS Y DE PROTEÍNA EN GRANO
Modulan la
absorción de N
Agentes
quelantes
Tolerancia
frente a
salinidad
Actividad
hormonal
Actividad
antioxidante
EFECTO BIOESTIMULANTE DE HIDROLIZADOS PROTEICOS DEBIDA A:
BIOESTIMULACIÓN VEGETALTECNOLOGÍA ENZIMÁTICA
LODO COMO SUBSTRATO
ENZIMA / MIX ENZIMATICO
• ENZIMAS COMERCIALES / OBTENIDAS
MEDIANTE FERMENTACIÓN
• PROCESO RÁPIDO
• SENCILLEZ OPERACIONAL
4. TECNOLOGÍAS BIOLÓGICAS ALTERNATIVAS
PRETRATAMIENTO FÍSICO +
PAHs
Insecticidas organofosforados
Herbicidasdifeniléteres
BIORREMEDIACIÓN SUELOS CONTAMINADOSTECNOLOGÍA ENZIMÁTICA
LODO COMO SUBSTRATO
ENZIMA / MIX ENZIMATICO
• ENZIMAS COMERCIALES / OBTENIDAS
MEDIANTE FERMENTACIÓN
• PROCESO RÁPIDO
• SENCILLEZ OPERACIONAL
4. TECNOLOGÍAS BIOLÓGICAS ALTERNATIVAS
PRETRATAMIENTO FÍSICO +
TECNOLOGÍA FERMENTATIVA
LODO COMO SUBSTRATO
MICROORGANISMOPGPR
• SIN COSTE DE ENZIMAS
• PRODUCTO COMPLEJO
• MICROORGANISMOS PGPR
EN EL PRODUCTO
4. TECNOLOGÍAS BIOLÓGICAS ALTERNATIVAS
PRETRATAMIENTO FÍSICO +
METABOLITOS BACTERIANOS DE INTERÉS
- Homólogos de fitohormonas- Agentes quelantes- Agentes surfactantes- Moléculas antioxidantes- Compuestos sideróforos- Ácidos orgánicos…
Mixenzimático
Acción simultanea sobre múltiples substratos
Microorganismo – Bacillus licheniformis
BIODISPONIBILIDAD
CONTENIDO SOLUBLE
TECNOLOGÍA FERMENTATIVA
LODO COMO SUBSTRATO
MICROORGANISMOPGPR
• SIN COSTE DE ENZIMAS
• PRODUCTO COMPLEJO
• MICROORGANISMOS PGPR
EN EL PRODUCTO
Adaptable al medio
4. TECNOLOGÍAS BIOLÓGICAS ALTERNATIVAS
PRETRATAMIENTO FÍSICO +
TECNOLOGÍA FERMENTATIVA
LODO COMO SUBSTRATO
MICROORGANISMOPGPR
• SIN COSTE DE ENZIMAS
• PRODUCTO COMPLEJO
• MICROORGANISMOS PGPR
EN EL PRODUCTO
4. TECNOLOGÍAS BIOLÓGICAS ALTERNATIVAS
PRETRATAMIENTO FÍSICO +
• Biomasa de Bacillus~ 5 x 108 UFC/g
• Mix enzimáticoAlta actividad proteasa
(~35 U/g)• Metabolitos bacterianos
• Producto altamente biodisponible~75 % <1 KDa
LODOS FERMENTADOS
Biomasa de Bacillus
Secretado bacteriano
Hidrolizado proteico
TECNOLOGÍA FERMENTATIVA
LODO COMO SUBSTRATO
MICROORGANISMOPGPR
• SIN COSTE DE ENZIMAS
• PRODUCTO COMPLEJO
• MICROORGANISMOS PGPR
EN EL PRODUCTO
4. TECNOLOGÍAS BIOLÓGICAS ALTERNATIVAS
PRETRATAMIENTO FÍSICO +
TECNOLOGÍA FERMENTATIVA
LODO COMO SUBSTRATO
MICROORGANISMOPGPR
• SIN COSTE DE ENZIMAS
• PRODUCTO COMPLEJO
• MICROORGANISMOS PGPR
EN EL PRODUCTO
BIOESTIMLACIÓN EDAFOLÓGICA
A NIVEL BIOQUÍMICO
A NIVEL MICROBIOLÓGICO
• Estimulación de la microbiota• Estimulación de enzimas involucradas
en el reciclado de nutrientes (P, N)
• El Bacillus (PGPR) se establece en elsuelo
• La fracción soluble es la principalresponsable de la estimulación en granparte debido al secretado enzimático
• Se favorecieron diversas bacterias PGPRen el suelo
4. TECNOLOGÍAS BIOLÓGICAS ALTERNATIVAS
PRETRATAMIENTO FÍSICO +
ESTRATEGIA DE ECONOMÍA CIRCULAR
APLICADA A LA CONVERSIÓN DE PLANTAS DE
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE
MATADERO EN BIOREFINERÍAS
5. TECNOLOGÍA FERMENTATIVA - PROYECTO Water2REturn
EDAR
MATADEROLODOS
AGUAS RESIDUALES
GRASA, SÓLIDOS
5. TECNOLOGÍA FERMENTATIVA - PROYECTO Water2REturn
EDAR
UNIDAD DE FILTRACIÓN
GRASA, SÓLIDOS
NITRATOS /FOSFATOS
H2O
MATADEROLODOS
AGUAS RESIDUALES
FERTILIZANTENITRATO
ORGÁNICO
5. TECNOLOGÍA FERMENTATIVA - PROYECTO Water2REturn
EDAR UNIDAD FERMENTATIVA
DE LODOS
UNIDAD DE FILTRACIÓN
LODO FERMENTADO
GRASA, SÓLIDOS
NITRATOS /FOSFATOS
H2O
MATADEROLODOS
AGUAS RESIDUALES
BIOESTIMULANTE A BASE DE BIOMASA
DE BACILLUS sp
FERTILIZANTENITRATO
ORGÁNICO
5. TECNOLOGÍA FERMENTATIVA - PROYECTO Water2REturn
EDAR
CH4
UNIDAD DE DIGESTION ANAERÓBICA
UNIDAD FERMENTATIVA
DE LODOS
UNIDAD DE FILTRACIÓN
LODO FERMENTADO
BIOESTIMULANTE A BASE DE BIOMASA
DE BACILLUS sp
FERTILIZANTENITRATO
ORGÁNICO
GRASA, SÓLIDOS
NITRATOS /FOSFATOS
H2O
MATADERO
ENERGÍA
LODOS
AGUAS RESIDUALES
5. TECNOLOGÍA FERMENTATIVA - PROYECTO Water2REturn
EDAR
CO2
CH4
UNIDAD DE DIGESTION ANAERÓBICA
PLANTA DE TRATAMIENTO DE ALGAS
BIOMASA DE ALGAS
UNIDAD FERMENTATIVA
DE LODOS
UNIDAD DE FILTRACIÓN
LODO FERMENTADO
BIOESTIMULANTE A BASE DE BIOMASA
DE ALGAS
BIOESTIMULANTE A BASE DE BIOMASA
DE BACILLUS sp
FERTILIZANTENITRATO
ORGÁNICO
GRASA, SÓLIDOS
NITRATOS /FOSFATOS
H2O
MATADERO
ENERGÍA
LODOS
NUTRIENTES
AGUAS RESIDUALES
5. TECNOLOGÍA FERMENTATIVA - PROYECTO Water2REturn
EDAR
CO2
CH4
UNIDAD DE DIGESTION ANAERÓBICA
PLANTA DE TRATAMIENTO DE ALGAS
BIOMASA DE ALGAS
UNIDAD FERMENTATIVA
DE LODOS
UNIDAD DE FILTRACIÓN
LODO FERMENTADO
PROCESOS DE CARACTERIZACIÓN, EVALUACIÓN Y FORMULACIÓN CON FINES AGRONÓMICOS
BIOESTIMULANTE A BASE DE BIOMASA
DE ALGAS
BIOESTIMULANTE A BASE DE BIOMASA
DE BACILLUS sp
FERTILIZANTENITRATO
ORGÁNICO
GRASA, SÓLIDOS
NITRATOS /FOSFATOS
H2O
MATADERO
ENERGÍA
LODOS
NUTRIENTES
AGUAS RESIDUALES
5. TECNOLOGÍA FERMENTATIVA - PROYECTO Water2REturn
EDAR
CO2
CH4
UNIDAD DE DIGESTION ANAERÓBICA
PLANTA DE TRATAMIENTO DE ALGAS
BIOMASA DE ALGAS
UNIDAD FERMENTATIVA
DE LODOS
UNIDAD DE FILTRACIÓN
LODO FERMENTADO
BIOESTIMULANTE A BASE DE BIOMASA
DE ALGAS
BIOESTIMULANTE A BASE DE BIOMASA
DE BACILLUS sp
FERTILIZANTENITRATO
ORGÁNICO
GRASA, SÓLIDOS
NITRATOS /FOSFATOS
H2O
MATADERO
ENERGÍA
LODOS
NUTRIENTES
AGUAS RESIDUALES
5. TECNOLOGÍA FERMENTATIVA - PROYECTO Water2REturn
PROCESOS DE CARACTERIZACIÓN, EVALUACIÓN Y FORMULACIÓN CON FINES AGRONÓMICOS
5. TECNOLOGÍA FERMENTATIVA DISEÑO DE UNA UNIDAD DE FERMENTACIÓN INDUSTRIAL
Sistema de concentración de lodos
5. TECNOLOGÍA FERMENTATIVA DISEÑO DE UNA UNIDAD DE FERMENTACIÓN INDUSTRIAL
Sistema de pretratamiento
sanitización de lodos
Sistema de concentración de lodos
5. TECNOLOGÍA FERMENTATIVA DISEÑO DE UNA UNIDAD DE FERMENTACIÓN INDUSTRIAL
Sistema de pretratamiento
sanitización de lodos
Fermentación
Sistema de concentración de lodos
5. TECNOLOGÍA FERMENTATIVA DISEÑO DE UNA UNIDAD DE FERMENTACIÓN INDUSTRIAL
Tubo floculador. Permite el mezclado del lodocon el polielectrolito antes de su entrada enel tamiz rotativo
Tamiz rotativo. Permite la concentración de lodosprocedentes de un espesador vertical
3 % p/v 6 % p/v
Sistema de concentración de lodos
5. TECNOLOGÍA FERMENTATIVA DISEÑO DE UNA UNIDAD DE FERMENTACIÓN INDUSTRIAL
Sistema de pretratamiento
sanitización de lodos
5. TECNOLOGÍA FERMENTATIVA DISEÑO DE UNA UNIDAD DE FERMENTACIÓN INDUSTRIAL
5. TECNOLOGÍA FERMENTATIVA DISEÑO DE UNA UNIDAD DE FERMENTACIÓN INDUSTRIAL
Lodo
Flujo de tratamiento 0,18 m3/h
5. TECNOLOGÍA FERMENTATIVA DISEÑO DE UNA UNIDAD DE FERMENTACIÓN INDUSTRIAL
Tiempo de residencia
8 min
120 °C1 Atm
sobrepresión
ESTERILIZADOR
Esta parte de la unidad de fermentaciónse encuentra actualmente en procesode certificación ETV
5. TECNOLOGÍA FERMENTATIVA DISEÑO DE UNA UNIDAD DE FERMENTACIÓN INDUSTRIAL
SISTEMA DE PRETRATAMENTO CASCADE & FLASH (C&F)
Fermentación
5. TECNOLOGÍA FERMENTATIVA DISEÑO DE UNA UNIDAD DE FERMENTACIÓN INDUSTRIAL
CICLOS DE 6 DÍAS DE FERMENTACIÓN
4.5 m3 de lodo fermentadocada 6 días
~ 5 x 108 UFC Bacillus/g
MS 6 % p/v
Δ ~ 13 % contenido soluble
Componente orgánicosoluble constituido > 70%por moléculas < 1 KDa
Fermentación
5. TECNOLOGÍA FERMENTATIVA DISEÑO DE UNA UNIDAD DE FERMENTACIÓN INDUSTRIAL
DISPOSICIÓN DE LOS EQUIPOS
5. TECNOLOGÍA FERMENTATIVA DISEÑO DE UNA UNIDAD DE FERMENTACIÓN INDUSTRIAL
VOLUMEN DE LODOS TRATADO
9 m3/ciclo
VOLUMEN DE PRODUCTO
FERMENTADO
4,5 m3/ciclo
5. TECNOLOGÍA FERMENTATIVA BALANCE GLOBAL DEL PROCESO INDUSTRIAL
150-225 m3
Aguas residuales
VOLUMEN DE LODOS TRATADO
9 m3/ciclo ADAPTABLE A PEQUEÑAS EDARs
(1350 h.e.) VOLUMEN DE PRODUCTO
FERMENTADO
4,5 m3/ciclo
AUNQUE ES FÁCILMENTE AMPLIABLE
¡ !
Cuello de botella
5. TECNOLOGÍA FERMENTATIVA BALANCE GLOBAL DEL PROCESO INDUSTRIAL
Colector solar cilíndrico parabólico
ALTERNATIVAS PARA REDUCIR EL CONSUMO DE VAPOR
150-225 m3
Aguas residuales
Podría reducir el consumo de vapor
en un 62,5 %
VOLUMEN DE LODOS TRATADO
9 m3/ciclo ADAPTABLE A PEQUEÑAS EDARs
(1350 h.e.)
CONSUMOS DEL PROCESO FERMENTATIVO
• Sin consumo externo de agua para enfriamiento (circuito cerrado)
• Consumo eléctrico elevado (485 KW)
VOLUMEN DE PRODUCTO
FERMENTADO
4,5 m3/ciclo
• Sin consumo de bases
AUNQUE ES FÁCILMENTE AMPLIABLE
¡ !
Cuello de botella
5. TECNOLOGÍA FERMENTATIVA BALANCE GLOBAL DEL PROCESO INDUSTRIAL
2. OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO FERMENTATIVO8. CONCLUSIONES
• Las tecnologías enzimáticas y fermentativas son una vía de gestión de lodos prometedora
- Se ha diseñado y escalado una unidad demostrativa de fermentación/hidrólisisenzimática de lodos
• Los productos obtenidos a partir de estos lodos han demostrado tener capacidadbioestimulante (en suelo y en planta) y potencial en biorremediación
- La fracción soluble (MO hidrolizada y secreción de Bacillus) ha mostrado ser la principalresponsable de esta estimulación; favorece posibles PGPR en el suelo.
- Respecto al uso de estos productos como inoculante edafológico de Bacillus se hademostrado que el microorganismo permanece en el suelo, donde va a desarrollar suactividad PGPR de forma prolongada
• Es necesario flexibilizar la legislación para que las empresas del sector biotecnológico apuestenpor estas tecnologías aplicadas a la conversión de lodos de depuradora en productosbioestimulantes. Esto tendría gran repercusión sobre la gestión de los lodos de depuradoraproducidos
6. CONCLUSIONES
¡MUCHAS GRACIAS
POR SU ATENCIÓN!