RAFAEL ENRIQUE HIDALGO FERNÁNDEZ (*); JUAN VICENTE GIRÁLDEZ CERVERA (**); JESUS AYUSO MUÑOZ (***)

Palabras clave: Fangos; Cenizas; ladrillos; Material de construcción.

En el proceso de depuración de aguas residuales, se obtiene como subproducto un fango o lodo. La producción de fangos estimado es de 50 gramos por habitante y día, lo que implica un volumen de residuos muy elevado en grandes áreas metropolitanas. Para reducir su volumen se suelen incinerar, a través de procesos de quemado, que los convierten en cenizas. Hay varios tipos de incineradores como los de lecho fluidizado, pisos, mixtos y rotativos, de diferente eficacia (Smith, 1992).

La EDAR de Córdoba trata diariamente entre 80 y 85 mil m³ de aguas residuales, produciendo 100 toneladas de lodo líquido y 30 toneladas de materia seca. Estos se incineraban en un horno de lecho fluidizado, quedando reducidos a 33 toneladas de cenizas, con un 50% de humedad. El esquema 1, representa esquemáticamente dicho tratamiento.

ESQUEMA 1. Tratamiento global de aguas residuales

Aún reduciéndose apreciablemente el volumen de residuo, su manejo plantea graves problemas, ofreciéndose diversas soluciones, como: i) aplicación al suelo, como indican Bierman y Rosen (1994) y Bierman y col. (1995), quienes concluyeron que aumenta tanto su pH, como la masa total de P, S, Cd y Zn, así como la capacidad de intercambio catiónico. ii) inclusión de las cenizas como aditivo para la obtención de morteros, obteniéndose resultados satisfactorios reemplazando desde un 10% (Pinarly y Kaymal, 1994), hasta un 30% (Khanbilvardi y Afshari, 1995), pasando por un 15% (Monzó y col. 1996), y iii) adición de las cenizas en la fabricación de ladrillos (Anderson y col., 1996, Smith 1992 y Fukui y col., 1994).

El destino final de las cenizas generadas en la estación depuradora de aguas residuales de Córdoba, es su disposición en un vertedero municipal. El alto porcentaje de humedad, entorpece su manejo y provoca la aparición de zonas anaerobias, dando lugar a diferentes fermentaciones. El volumen anual de vertido es algo superior a 12.000 m³.

Con este trabajo se intentan resolver dos problemas, uno medioambiental, como es el rápido llenado del vertedero, y otro económico, de disminución de costes, derivados del transporte y canon de vertido que actualmente paga la empresa municipal de aguas de Córdoba, al ayuntamiento. En este artículo, se ilustra la eficacia de las cenizas como aditivo a modo de material inerte de relleno, indicando como se puede así evitar el problema ambiental.

CARACTERIZACIÓN DE LAS CENIZAS

En primer lugar, se procedió a la caracterización física y química de las cenizas. en este apartado, se recogen por una parte los análisis mineralógico, la caracterización química y la distribución del tamaño de partículas de las cenizas, y por otra una caracterización física de las mismas, deteniéndonos fundamentalmente en sus cualidades geotécnicas.

El análisis mineralógico, se realizó con un difractómetro de rayos X, revelando una presencia abundante de Cuarzo, con algo de Mica, Vermiculita y Esmectita (colapsada). La caracterización química se efectuó en los laboratorios de la empresa ASLAND, sobre una muestra de cenizas calcinadas a 1000º C, utilizando una técnica de fluorescencia de rayos X, siendo la muestra analizada de tipo silícico-cálcico-aluminoso.

En la tabla 1, se dan los resultados de la caracterización química. Con estos datos, y calculando el módulo de hidraucidad (ecuación 1) (M = 0.37), definido por Jarrige (1958), podemos concluir que no se trata de un material puzolano, al ser muy superior a los valores usuales 0.10-0.15 dados por Unesa-Asinel (1988). M = (CaO+MgO+K₂O+NaO) X (S_iO₂+AI₂O₃)-¹ (1)

TABLA 1. Composición de las cenizas y de otros autores

La distribución relativa de las partículas de diferentes tamaños, se estimó mediante el método de sedimentación en húmedo, usando el densímetro (Gee y Bauden, 1986; Mitchell, 1993 cap. 5.4) completado con un tamizado para la fracción gruesa.

En la figura 1, se representan las curvas granulométricas, de las tres muestras de cenizas analizadas, así como dos muestras de cenizas volantes producidas en centrales térmicas, dadas por Pardo (1994). Utilizando el coeficiente de uniformidad (Rojo, 1988 cap 1.4). Cu = D₆₀ X D₁₀^-1 (2), siendo D₆₀ y D₁₀ las aperturas de los tamices por los que pasa el 60 y el 10% respectivamente, de la muestra analizada. Observamos que las cenizas estudiadas, tienen un valor superior a 5. Podemos clasificarlas como de granulometría contínua, cualidad deseable en materiales utilizados en terraplenes.

FIGURA 1. Curvas granulométricas

El resto de propiedades físicas se estudiaron en mezclas de diferentes porcentajes de cenizas con un suelo, Entic Peloxeret, de la serie Carmona (García del Barrio, 1973), procedente de la finca experimental Tomejil, de la Consejería de Agricultura y Pesca. Consideramos conveniente estimar la consistencia (límites de Atterberg), la variación de la densidad con la humedad (curvas de compactación) y la resistencia a compresión simple con el tiempo.

Los límites de Atterberg se determinaron, sobre muestras de suelo, obtenidas mediante cuarteos sucesivos, con diferentes porcentajes de cenizas, 0, 10, 15 y 20%, según el método de Casagrande (Schofield y Wroth, 1968 cap. 1.3) descritos en la NLT: 106/72 y 105/72, para los límites plástico y líquido respectivamente.

Los resultados, tabla 2, nos permite utilizando la clasificación dada por Mitchell 1993 (figura 2), concluir que al mezclar el suelo con cenizas, en cualquiera de los porcentajes descritos, pasaría de tener una compresibilidad media a alta.

TABLA 2. Límites de Atterberg

FIGURA 2. Clasificación de suelos (Mitchell, 1993).
(A) Suelos sin cohesión, (B) Limo inorgánico de baja compresibilidad,
(C) Arcilla inorgánica de medida de plasticidad, (D) Limo inorgánico de media compresibilidad, (E) Arcilla inorgánica de alta plasticidad,
(F) Limo inorgánico de alta compresibilidad y arcilla orgánica

Las curvas de compactación se determinaron, mediante la técnica de Proctor Modificado (NLT:108/76), utilizando el suelo, y las cenizas solas como testigos, y mezclas de suelo y cenizas, al 10, 15 20 y 50%. La tabla 3, recoge los valores óptimos de la densidad aparente (g _d) y de la humedad (w _óptima) para las muestras analizadas.

TABLA 3. Proctor modificado

El aspecto de la curva de compactación de las cenizas es plana, parecido al que presentan las curvas de compactación de cenizas volantes (figura 3) de otros países (Pardo, 1994). Comparando las curvas obtenidas, se observa un descenso lineal de la densidad seca (figura 4) y un aumento logarítmico de la humedad (figura 5), cuánto mayor es la fracción de cenizas en la mezcla, debido al bajo peso específico de las partículas de cenizas.

FIGURA 3. Curvas de compactación de las muestras

FIGURA 4. Densidad seca frente a la fracción de las muestras de cenizas

FIGURA 5. Humedad frente al % de cenizas

Se estudió la resistencia a compresión simple, en una prensa de laboratorio, similar a la utilizada en este tipo de ensayos por diversos autores de la literatura revisada (Frydman 1964, Kemper y Roseneau 1984, Dexter y Kroesbergen 1985). Para ello, se prepararon 20 probetas en cada caso, con las mezclas de suelo y cenizas, 0, 10, 15 y 20% con los resultados de porcentajes de humedad obtenidos en el ensayo procedente y siguiendo el mismo procedimiento.

Las probetas así conseguidas se mantuvieron en condiciones de laboratorio, a una temperatura aproximada de 22º C. y 60% de humedad. Se procedió a la rotura a compresión de cinco probetas, de cada una de las mezclas, al cabo de 1, 3, 7 y 28 días respectivamente. En la tabla 4, se dan los resultados, observándose una leve disminución de la resistencia a compresión simple en el caso del suelo como testigo con el tiempo, y un aumento pronunciado, en las tres mezclas restantes. Aún no teniendo propiedades puzolánicas propiamente dichas, se produce alguna reacción química al mezclar el suelo con las cenizas, que aumenta su resistencia a compresión.

TABLA 4. Resistencia a compresión simple

Como materias primas para los ensayos, se usaron los propios de la fabricación de cerámica, arcilla plástica fina y arena amarilla como fracción gruesa o desengrasante.

El material fino, tiene una composición textural arcillo-Iimoso, el material arenoso es franco-arenoso y las cenizas son franco-limosas.

Partiendo de los porcentajes empleados normalmente en la fábrica de ladrillos, se sustituyó la arena por cenizas de depuradora en los porcentajes indicados en el tabla 5.

TABLA 5. Dosis usadas en la elaboración de las probetas

Para la obtención de la pasta, se molieron las materias primas, y se tamizaron a través de una malla de 2 mm. El moldeo se hizo manualmente, con la humedad indicada por el límite plástico en cada caso, tabla 6.

TABLA 6. Límite Plástico (L.P.)

Para la realización de los ensayos, se obtuvieron probetas, en un molde cilíndrico de metal, de 86.9 cm3 de capacidad, con un diámetro de 3.81 cm y una altura de 7.62 cm. Se utilizó una maza metálica de 1.515 g de base circular adaptada al interior de una guía tubular, que proporciona una altura de caída de 20 cm. La densidad habitual para el ladrillo cocido es del orden de 1.6 10^-3 kgcm^-3. Se hicieron distintas pruebas, y se llegó a la conclusión que se conseguía, con 20 golpes en una tongada, ejerciendo una presión de 6.8 MPa. Una vez realizadas las probetas, se secaron sobre una tela metálica, que permitía su aireación durante una semana en condiciones de laboratorio, a una temperatura de 22º C, y una humedad del 60%. Posteriormente, se secaron en una estufa de aire caliente a 80' C durante 24 horas. La cocción de las probetas secas, se llevó a cabo siguiendo el cielo de cocción de la empresa ladrillera Proceran S.A.

Con las probetas así conseguidas, se efectuaron diferentes ensayos, resistencia a compresión, succión, absorción, efecto sobre la densidad aparente y resistencia a la intemperie de las probetas.

La compresión del ladrillo, es la carga unitaria aparente de rotura, bajo un esfuerzo axial de compresión. Para este ensayo se tomaron cuatro probetas cocidas de cada mezcla. La relación entre la altura y el diámetro de los mismos fue de 2:1, suficiente para la realización del ensayo. Todas las probetas fueron sometidas a un esfuerzo normal, aplicando la carga centrada en la cara superior de la probeta. El ensayo se realizó en una prensa de laboratorio. La velocidad de carga, se mantuvo durante el ensayo por debajo de 160 kNm^-2s^-1.

La succión de un ladrillo, es la cantidad de agua absorbida durante una inmersión parcial de corta duración. Se mide la superficie de la cara de la probeta que entra en contacto con el agua. Se toma una bandeja y se llena con la cantidad de agua precisa para que, una vez colocada la pieza sobre los apoyos, el nivel quedara constante durante 1 minuto, 3 mm por encima del borde superior de los mismos.

La absorción es una medida del humedecimiento cuando se sumerge un ladrillo totalmente en agua durante un periodo prolongado. El ensayo se realizó con seis probetas cocidas, que se desecaron en una estufa de aire caliente a 100º C, durante 24 horas. Se realizaron pesadas, una vez secas hasta que la diferencia de peso fuese inferior al 1%. Una vez secas las probetas, se introdujeron de canto en el tanque lentamente, consiguiendo su inmersión completa, gradualmente durante 3 horas.

A las 24 horas del inicio de la inmersión, se sacó del agua cada probeta, secándose con un paño húmedo y pesándose, volviéndose a introducir en agua. Cada 24 horas se continuó pesando las muestras, hasta que en dos pesadas consecutivas se encontraron diferencias inferiores al 0.1 %.

La densidad aparente se define como el cociente entre el peso del ladrillo seco y el volumen normalizado. La humedad viene expresada en términos de masa. Las determinaciones de la densidad aparente, se realizaron con una muestra de 30 probetas. Se realizaron medidas i) a la semana de haberlas obtenido, manteniéndolas sobre una tela metálica en condiciones de laboratorio, (semana), ii) una vez secas, después de pasar por una estufa de aire caliente a una temperatura de 80' C, durante 24 horas, (seco), y iii) después de someterlas al ciclo de cocción, (cocido).

La heladicidad es un índice de susceptibilidad a cielos sucesivos de heladas y deshielos. Se define por la disminución de la resistencia a la compresión de las probetas antes y después de haber sido sometidas a 25 cielos de hielo y deshielo.

Para el ensayo se utilizó una cámara frigorífica, capaz de mantener una temperatura de -15±5' C, durante la duración del ensayo, y un tanque de deshielo con las medidas necesarias para permitir la inmersión completa de las probetas, de forma tal que no existiera contacto entre ellos, ni con las paredes de la cámara.

Se tomaron doce probetas por muestra y se cortaron por la mitad, denominando A y B a cada una de las dos mitades correspondientes a una misma probeta. Cada cielo de hielodeshielo, consistió en someter 18 horas en la cámara frigorífica a una temperatura de -15±5º C. A continuación, se sacaban de la cámara frigorífica y se introducían en el tanque de deshielo durante 48 horas a una temperatura de 15±5º C, de forma que la inmersión completa de las probetas se produjera gradualmente en un tiempo de tres horas. Transcurridas las 48 horas, se sacaban del agua y se dejaban escurrir durante un minuto, volviéndose a introducir en la cámara frigorífica. Este cielo de hielo-deshielo se repitió 25 veces.

Completando los 25 ciclos, se procedió a la inspección ocular de las piezas, comprobando que durante el ensayo no se produjeron exfoliaciones, fisuras o desconchados, que no ocurrió. A continuación se realizó el ensayo comparativo de resistencia a compresión, para lo que se tomaron las 12 medias probetas de dos en dos y de forma consecutiva para confeccionar 6 probetas. Con la serie B, se procedió de forma análoga.

Como resultado del ensayo de resistencia a compresión, se tomó el valor característico R_ck = R_c -1.64s (3), que es aquél que tiene una probabilidad del 95% de ser alcanzado. R_c, es el valor medio del cociente para cada probeta de la carga máxima y de la superficie de las bases superior e inferior y (Y la desviación típica).

En la figura 6, se representa la resistencia a compresión, MNm_-2, frente al porcentaje de cenizas añadidas a la mezcla. Los datos tienen un ajuste lineal, descendiendo la resistencia a medida que aumenta el porcentaje de cenizas añadidas. Esto puede explicarse debido al aumento de agua durante el moldeo (Bueno y col., 1985).

FIGURA 6. Resultados de la resistencia a compresión

Para la determinación de la succión, se tomaron 3 probetas, obteniéndose la succión S_i, gcm²min^-1, según la expresión, Si = (Q_i-P_i) x A¡^-1 (4), en la que Q_i es el peso tras la inmersión, P_i, antes de la misma, A_¡, la superficie en contacto con el agua. El resultado del ensayo es el valor característico, Sck = S, - 1.64 a (5), siendo a la desviación típica.

En la figura 7, se representa la variación de la succión , en función del porcentaje de cenizas adicionadas. Los datos de succión, muestran un aumento lineal de este parámetro a medida que lo hace el porcentaje de cenizas, quedando en todos los casos el valor de la succión característica por encima de 0.45 gcm-2 min-1, que es el que obliga la norma vigente en España.

FIGURA 7. Variación de la succión con el porcentaje de cenizas añadidas

La absorción específica A, definida como el porcentaje en peso de la muestra, debido a la ganancia de agua es, A = (G_e-G_s) x 100 x Gs^-1 (6), siendo G_s y G_e, los pesos respectivos antes y después de la prueba. En las figuras 8 y 9 se representan, las variaciones de la absorción específica y de ladensidad aparente, con las dosis incorporadas de cenizas, respectivamente. La absorción de agua, también aumenta con la adición de cenizas, paralelamente al aumento de porosidad. Esta característica también fue observada por Cusidó (1995, com. per.).

La densidad aparente disminuye a medida que aumenta la presencia de cenizas, lo que indica una mayor porosidad del material adicionado. La norma vigente, indica que en los ladrillos, el valor medio de la densidad aparente no puede ser inferior a 1.05 gcm-3. Este efecto también lo observó Cusidó (1995 com. per.), al mezclar Iodos de depuradora con arcilla, en el que la densidad aparente sufre un descenso de 1.5 a 0.6 gcm-3 al adicionar hasta un 60% de Iodos. Anderson y col., (1996), también observaron este efecto sobre la densidad, al adicionar cenizas de fangos de depuradora obtenidas mediante un horno de lecho fluido, al descender ésta desde 1.21 a 0.63 gcm^-3 en el testigo y la mezcla respectivamente.

La norma UNE 67-026, califica los ladrillos según un parámetro L obtenido, por la expresión, L = RA x Rb-1 (7), siendo RA, el valor medio de la resistencia de las probetas de la serie A, MNM-2, RB, el valor medio de la resistencia de las probetas de la serie B, MNm^-2, como no heladizos, para valores de L, mayores o iguales a 0.8, potencialmente heladizos, para valores comprendidos entre 0.7 y 0.8, y heladizos para valores inferiores a 0.7. En el tabla 7, se dan los resultados de heladicidad, siendo en todos los casos el valor de L superiores a 0.8, por lo que podemos catalogar las probetas como no heladizas.

A la vista de estos resultados, la conversión a cenizas de los Iodos facilita su uso como aditivo, eliminando así un problema de almacenamiento y manipulación. El coste de incineración en un horno del tipo que tiene la estación depuradora de aguas residuales de Córdoba, en principio, es mínimo, ya que únicamente necesita de un aporte de arena, y en momentos puntuales de gasoil, ya que el propio horno aprovecha la materia orgánica con la que llegan los fangos al mismo. La depuradora de Córdoba tuvo problemas en su puesta a punto.

Si los problemas anteriores no se resuelven, puede exigir además del gasto de manipulación, la exigencia de un depósito adicional o la adaptación de otros depósitos como vertederos de residuos sólidos urbanos, que no suelen estar diseñados para este volumen, y para sus humedades.

CONCLUSIONES

Considerando las materias primas de partida y a la vista de los resultados obtenidos en el ensayo de compresión, la adición óptima de cenizas de fangos de depuradora a la pasta cerámica es de un 5%. Los valores obtenidos con este porcentaje de cenizas cumplen las normas españolas, que sobre materiales cerámicos están establecidas, siendo el efecto más beneficioso, además de la eliminación como tal de un residuo, el aumento de la porosidad del material, disminuyendo la densidad del mismo, induciéndonos a pensar en una posible mejora de los aislamientos térmico y acústico.

La propuesta planteada supone fundamentalmente la solución al problema ambiental ocasionado por la disposición de cenizas de depuradora de aguas residuales a vertedero. Esta solución será viable económicamente, debido a la disminución de costes que la inclusión de las cenizas, como materia prima en el proceso de formación de ladrillos, supone a cualquier empresa del sector cerámico.

AGRADECIMIENTOS

Agradecimientos a las empresas EMACSA, PROCERAN S.A. y ASLAND, por su constante apoyo, y medios ofrecidos