Lodos de depuradoras

Fabricación de ladrillos ^{(22)(42)(43)(44)}

Existen estudios sobre la valorización de fangos de EDAR en la fabricación de ladrillos. La introducción de fangos en el proceso resulta de especial interés porque determinados materiales cerámicos disponen de gran capacidad de inertización de metales pesados.

Durante la cocción, los compuestos orgánicos del fango: celulosa, lignina, grasas, microorganismos patógenos, etc. se destruyen y en su lugar se crean unos poros cerrados que darán lugar a sus propiedades de aislamiento térmico. Los componentes inorgánicos (arcillas, tierras, metales pesados, etc.), quedan insertados en la matriz vítrea del cuerpo cerámico y, por tanto, inmovilizados.

Los costes de fabricación de un producto de cerámica estructural se pueden desglosar en un 25% correspondiente a la materia prima, un 25% de costes energéticos y un 50% de amortización y costes laborales⁽⁴²⁾. En general la introducción de fangos en matrices cerámicas tiene aspectos positivos energéticamente, pudiéndose apuntar los siguientes:

·            Importante ahorro energético durante la cocción cerámica en función de la presencia de materia combustible en la matriz cerámica aportada por los fangos (en cualquier caso, el balance total energético debe tener en cuenta también el proceso de secado).

·            Ahorro del consumo de agua por la aportación de los fangos (contienen un promedio del 70% de humedad).

·            Poder calorífico de los fangos, que aproximadamente se sitúa en las 3.400 kcal/kg.

El máximo porcentaje de lodos que se podría mezclar con la arcilla cerámica se sitúa entorno al 40%, aunque con esta cantidad, la adherencia de la mezcla es pobre y la textura superficial del ladrillo irregular. Así, las proporciones óptimas están entre el  10% y el 20%.

Tabla 8: Variación de las propiedades de los ladrillos

La absorción de agua se incrementa al aumentar el porcentaje de lodo, dando lugar a una menor durabilidad.

Hay una patente de ladrillos (biobrick) que incorpora lodos de depuradoras. En Estados Unidos estos ladrillos se comercializan y ya se han llevado a cabo varios proyectos con ellos ⁽⁴³⁾. Estos ladrillos tienen un porcentaje máximo de lodos de 25-30% y cumplen con todos los requisitos de las normas ASTM (American Society for Testing and Materials). Además de las propiedades técnicas, presentan un acabado bueno. Su color depende de la composición de los lodos, en función de la presencia en alto porcentaje de ciertos componentes como calcio, hierro, aluminio, cloro o sulfatos.

La siguiente tabla refleja las propiedades de este tipo de ladrillo (biobrick) y su comparación con ladrillos que no incorporan los lodos ^(42)(43):

Tabla 9: Comparativa de ladrillos (Convencionales-Con lodo)

Existe otro producto patentado llamado Ecobrick que ceramiza una mezcla de lodo y arcilla con un residuo forestal. Al añadir el residuo forestal se permite trabajar con una concentración mayor de lodo debido a que el residuo forestal absorbe humedad. El lodo está prensado y húmedo sin necesidad de ningún otro tipo de tratamiento que encarecería el proceso. Las características del material obtenido en el proceso del Ecobrick son: una baja densidad debido a la gran porosidad creada por el residuo forestal y la materia orgánica del lodo y una alta capacidad de aislamiento térmico y acústico, sin influir de una manera importante en las resistencias siendo apto para cerramientos no estructurales. La economía de dicho producto se debe a que el secado y la cocción suelen consumir menos energía que el de una pieza estándar equivalente y además, debido a su baja densidad, los costes de transporte serán menores así como su puesta en obra⁽³⁵⁾.

También se ha realizado algún estudio sobre la fabricación de ladrillos de LD, mediante infiltración con dióxido de carbono supercrítico. Al utilizar el LD con cal y arena, inicialmente se sometió al lodo a una quema a 573 K en un horno de convección natural y luego se mezcló con los demás materiales. Los materiales se moldearon y se sometieron a un prensado a 7 MPa  para la fabricación de los ladrillos y tras ello se introdujo por infiltración el dióxido de carbono supercrítico. Esto llevó a la observación de que la carbonatación avanza hacia el centro del ladrillo formando frentes de carbonatación total y produciendo núcleos parcialmente carbonatados en los que la cal se encuentra rodeada por carbonato de calcio que actúa como un impermeabilizante al paso del dióxido de carbono supercrítico. Analizando las propiedades mecánicas del producto se observó que los ladrillos con una cantidad de cal superior al 20%,  que son infiltrados durante 20 minutos a una presión de 6.86 MPa, pueden lograr conversiones de cal mayores al 70% y resistencias a compresión superiores a 8 MPa ⁽⁴⁵⁾.

Según algunos estudios españoles⁽⁴⁶⁾, el problema principal encontrado en el proceso de fabricación industrial de ladrillos con lodos es el olor. La mezcla arcilla-lodo, se somete a temperaturas entre 80-120ºC en las fases de extrusión y secado, que favorecen el desprendimiento de sustancias volátiles, presentes en el lodo, con un fuerte olor característico. Este estudio recomienda que previamente a la incorporación del lodo en el proceso cerámico, éste sea sometido a un cuidadoso tratamiento de estabilización.

Fabricación de árido ligero

Algunos estudios han evaluado la posible utilización de los lodos de tratamiento de agua para la producción de árido ligero, tanto para uso estructural (d_p=1.2 a 1.8 g/cm³) como no estructural     (d_p < 1,0 g/cm³)^{(47)(48)(78)(79)}. Los resultados obtenidos, que han incluido pruebas a gran escala, indican que se pueden obtener este tipo de áridos en un horno rotatorio comercial ⁽⁴⁷⁾.

Los áridos resultantes presentan una densidad de partícula de 1,35 g/cm³ o 0,98 g/cm³ y una densidad aparente de 726 kg/m³ o 518 kg/m³ para el árido ligero estructural y no estructural, respectivamente. El primero cumple con los requisitos de  norma  ASTM C330 “Standard Specification for Lightweight Aggregates for Structural Concrete”.

El proceso de producción del árido ligero consiste fundamentalmente en tres fases principales:

• Mezcla, homogeneización, trituración y peletización. La mezcla se granula a tamaños  entre 5-10 mm de diámetro, utilizando posteriormente un mezclador de tambor para obtener una forma esférica.

• Secado de la mezcla. Esta etapa se realiza aprovechando el calor residual del proceso, a una temperatura de 100ºC.

• Sinterización de los gránulos, mediante cocción a 1000°C durante 10-15 min.

Se han estudiado áridos ligeros obtenidos con diferentes porcentajes de arcilla y lodos, obteniendo que las mezclas con un 75% de lodo producen áridos de calidad adecuada para usos no estructurales, en relación a la densidad, absorción de agua, resistencia al desgate y lixiviación de metales pesados⁽⁴⁸⁾. En particular, la absorción de agua de este tipo de árido ligero es aproximadamente un 50% inferior a la del árido ligero convencional.

No se detectaron metales pesados tóxicos en ninguno de los áridos ligeros estudiados en estos estudios.

La utilización de lodos de depuradora provoca una disminución de la resistencia a compresión y flexión de hormigón, tanto mayor cuanto mayor es el porcentaje de lodo utilizado, pudiendo obtener hormigones ligeros de uso no estructural (fcm>15 N/mm²) con una densidad entre 1400-1500 kg/m³ y conductividad térmica de 0,59 a 0,73 W/mK.

Fabricación de cemento

Existen estudios sobre la utilización de lodos de depuradoras, previamente tratados con cal, como materia prima alternativa en la fabricación del clinker, aportando calcio en el crudo en sustitución de la caliza ⁽²⁶⁾. Los estudios realizados indican que la clinkerización del crudo con este material produce clínkeres de composición mineralógica adecuada, similar a la obtenida utilizando un crudo industrial.

En lo referente a los resultados del análisis de riesgo de la utilización de este material, se concluye que el tratamiento elimina a los microorganismos presentes en los lodos y, por tanto, el riesgo biológico asociado.

Se están realizando estudios sobre la utilización de los pellets de los LD (PLD, que son partículas de lodo seco con un diámetro comprendido entre 1 y 5 milímetros) para la fabricación de cementos. Unos primeros resultados muestran que sería posible reducir el resto de materias primas, especialmente la adición de caliza ^(49)(50).

Fabricación de morteros

Los PLD tienen una alta proporción de materia orgánica, entre un 45 o 50%, una elevada porosidad y presencia de fibras, pero aún así se están realizando ensayos de aplicación en morteros. Las pruebas demuestran que la resistencia disminuye con la adición de los pellets  pero se pueden conseguir resistencias aptas para un elevado número de aplicaciones. Gracias a la alcalinidad y la impermeabilidad de los morteros, los pellets permanecen estables ante la lixiviación, encontrándose una alta capacidad de retención por la matriz hidráulica, una escasa lixiviación de los elementos metálicos y una despreciable liberación de elementos tóxicos. Además, se han conseguido resistencias considerables añadiendo acelerantes al mortero ^(39)(49).

Fabricación de hormigón

La incorporación de un residuo como el fango en una matriz con cemento provoca alteraciones en su comportamiento normal debido básicamente al contenido de materia orgánica, que actúa como un retardador de fraguado, y de algunos metales pesados que interfieren en las reacciones de endurecimiento ⁽⁵⁶⁾.

Otros estudios han obtenido que las resistencias de hormigones con un 2,5-5% de lodo son similares a las de un hormigón convencional, pero si se añade hasta un 10% las resistencias disminuyen considerablemente, lo que descarta la adición de lodo en grandes proporciones al hormigón. Estos estudios también muestran que la lixiviación de los metales pesados es prácticamente inexistente en los hormigones con pequeñas cantidades de lodos, aunque la porosidad aumenta y la velocidad de carbonatación también. Al añadir pequeñas cantidades de lodo al hormigón, éste podría utilizarse como hormigón de baja resistencia ^{(39)(52)(53)(55)}.

Hay una empresa española que está estudiando la utilización de los lodos para la construcción de elementos de baja resistencia en obras públicas: baldosas, pantallas acústicas o quitamiedos y separaciones en autovías y carreteras. Sin embargo, esta patente aún no puede comercializarse porque se haya en periodo de investigación ⁽⁵⁴⁾.

Se ha llevado a cabo también algún otro estudio en España sobre la utilización de lodos secos de depuradora en el hormigón. Así, se fabricaron adoquines con un 2% de lodo seco sobre peso de cemento y se determinaron las propiedades de dicho producto comparadas con el producto sin adición del lodo. El estudio concluyó que la adición de lodos de depuradoras al hormigón puede suponer una disminución de la porosidad y de la absorción y un aumento de la resistencia mecánica, lo que lleva a que la utilización de los lodos en los adoquines aumente su durabilidad⁽⁵¹⁾. En cuanto a los contaminantes lixiviables que presentaron los adoquines se comprobó que estaban por debajo de los exigidos por la norma holandesa NEN, para la adición de residuos en matrices cementantes, lo que indica que pueden ser clasificados como productos inertes  ^{(39)(51)(52)(53)}.

También se ha estudiado la posibilidad de sustituir parte de la arena que compone el hormigón por pellet procedentes del secado de los lodos. Estudios realizados han obtenido las siguientes conclusiones ^(49)(50):

        - Una relación agua/cemento baja (0.5) estabiliza adecuadamente los pellets.

        - Los hormigones con 6% de sustitución de arena por pellets se comportan adecuadamente a flexión y compresión.

        - La forma de los pellets no varía con el amasado.

Si se utilizara este compuesto para pavimentos o cualquier otro uso, puede ser necesario añadir un acelerante a la mezcla para contrarrestar los efectos negativos de la materia orgánica de los pellets ⁽⁵⁰⁾.