Evaluation of Recycled Sludge for Production of a Ceramic Company that Affects an Agroecosystem

INTRODUCTION

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Currently there is a level of awareness about the need to have an acceptable environment in all orders, pollution being one of the most sensitive environmental problems from the social and human point of view. The most evident consequences are presented in the current agricultural and rural environments Soto et al. (2020)SOTO, B.M.; RODRIGUEZ, A.L.; OLIVERA, M.; AROSTEGUI, S.V.; COLINA, N.C.; GARATE, Q.J.: “Riesgos para la salud por metales pesados en productos agrícolas cultivados en áreas abandonadas por la minería aurífera en la Amazonía peruana”, Scientia Agropecuaria, 11(1): 49-59, 2020, ISSN: 2077-9917., fundamentally caused by the implementation of development strategies that have paid little attention to ecological processes (Valdés et al., 2018VALDÉS, C.R.; CRUZ, L.P.O.; BALBÍN, A.M.I.; GURIDI, I.F.; MORALES, M.A.R.; MESA, M.A.; MILANÉS, A.F.; KAEMMERER, M.; SÁNCHEZ, J.M.: “Fitogestión (FITOG-MP): tecnología para recuperar áreas contaminadas con metales pesados”, Anuario Ciencia en la UNAH, 15(1), 2018.).

The concern to have guaranteed food led man to study and cultivate any plant species without taking into account the conditions of the soils that are dedicated to this work and the contamination with heavy metals of agricultural areas near industrialized or polluted areas is a reality worldwide, so one of the research objectives would be to study the toxic effects that the different groups of pollutants produce in the food chain, analyzing the phenomena of translation, bioavailability, bioconcentration and biomagnification, to implement strategies that help mitigate such effects on the safety and innocuousness of food described in Decree-Law No.9 (Gaceta Oficial de la República de Cuba, 2020GACETA OFICIAL DE LA REPÚBLICA DE CUBA: “Decreto Ley 9/2020 “Inocuidad de los Alimentaria” (GOC-2020-675-076)”, Gaceta Oficial de la República de Cuba, No. 76 ordinaria, La Habana, Cuba, Ministerio de Justicia. Gaceta Oficial No. 76 ordinaria, 30 de octubre de 2020, ISSN: 1682-7511.).

Consequently, the National Environmental Strategy (EAN) 2021-2030 constitutes the implementing document of the Cuban environmental policy, which enhances local management in the preservation of the environment (CITMA, 2021CITMA: Estrategia Ambiental Nacional (EAN) 2021-2030, Etapa 2021-2025, Inst. Ministerio de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente, La Habana, Cuba, 25 p., 2021.).

The achievement of these objectives is influenced by the development of certain industrial activities that constitute a moderate risk of environmental contamination, not only due to atmospheric emissions but also due to poor waste management, which can cause leaks of components that accumulate in the soil and as a consequence, a "contaminated soil" may appear Valdés et al. (2018)VALDÉS, C.R.; CRUZ, L.P.O.; BALBÍN, A.M.I.; GURIDI, I.F.; MORALES, M.A.R.; MESA, M.A.; MILANÉS, A.F.; KAEMMERER, M.; SÁNCHEZ, J.M.: “Fitogestión (FITOG-MP): tecnología para recuperar áreas contaminadas con metales pesados”, Anuario Ciencia en la UNAH, 15(1), 2018., understood as such, that soil that, due to the accumulation of persistent toxic compounds, has changed its original characteristics and whose new nature can cause unacceptable risks for human or ecosystem health (Bonilla, 2013BONILLA, V.S.M.: Estudio para tratamientos de biorremediación de suelos contaminados con plomo, utilizando el método de fitorremediación, Bachelor’s thesis, 2013.).

Despite all that has been said, according to Peñate (2018)PEÑATE, G.: Focos contaminantes y la seguridad ambiental de la nación, [ en línea] , Mesa Redonda, La Habana, Cuba, 20 de septiembre de 2018, Disponible en:http://mesaredonda.cubadebate.cu/mesa-redonda/2018/09/20/focos-contaminantes-y-la-seguridad-ambiental-de-la-naccion-video/, [ Consulta: 13 de noviembre de 2020] ., there are 14 426 identified polluting sources in Cuba and the technologies to solve these cases are very expensive, so the available resources cover only 2,3% of those identified ONEI-Cuba (2019)ONEI-CUBA: Oficina Nacional de Estadística e Información, [en línea], Inst. Oficina Nacional de Estadística e Información, La Habana, Cuba, 2019, Disponible en:http://www.one.cu/.. In Mayabeque (the smallest province of Cuba, with 3 743,8 km² and, despite this, the most industrialized) is San José de las Lajas Municipality, which concentrates the largest number of industries and companies in the territory (78% of the economic sector) ONEI-Cuba (2019)ONEI-CUBA: Oficina Nacional de Estadística e Información, [en línea], Inst. Oficina Nacional de Estadística e Información, La Habana, Cuba, 2019, Disponible en:http://www.one.cu/., considered sources of environmental contamination and of possible repercussion on the food security of the municipality (Valdés et al., 2018VALDÉS, C.R.; CRUZ, L.P.O.; BALBÍN, A.M.I.; GURIDI, I.F.; MORALES, M.A.R.; MESA, M.A.; MILANÉS, A.F.; KAEMMERER, M.; SÁNCHEZ, J.M.: “Fitogestión (FITOG-MP): tecnología para recuperar áreas contaminadas con metales pesados”, Anuario Ciencia en la UNAH, 15(1), 2018.).

In the work, a possible solution is presented that contributes to the reduction of the contaminant load that is expelled to the environment from empresa Cerámica Blanca SANVING S.A., which, despite an economic source, is considered a source of environmental contamination. The objective of the work is to assess the possibility of recycling the company's solid waste (residual sludge) by reusing it during the production process, to achieve clean production and reduce the waste load that is expelled into the environment.

MATERIALS AND METHODS

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Geographic location of the study site

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The source of contamination selected for the study was Cuba-Vietnam White Ceramics SANVIG, S.A. Mixed Company, located at 22º97' north latitude and 82º17' west longitude according to the North Cuba coordinate system.

Determination of physical-mechanical properties of the sedimentary residuals of the production process in Ceramic Company

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The study of the physical-mechanical properties of the sedimentary residuals was carried out from the preparation of nine test bars of dimensions 200x20x10 mm obtained from combined mixtures of 15%, 30% and 40% of the residual sludge with the paste (material used in the production process). The bars were dried in an oven for 24 h at 110±5 ºC, calcined at a temperature of 1060 ºC in a standard Sacmi electric oven, followed by a firing process as established for sanitary products. In each production run, the following properties were analyzed and determined, according to the Ecuadorian Technical Standard 652:2000 (NTE INEN, 2000) and the German Standard DIN 51061 (2003) cited by Diedel & Link, (2006)DIEDEL, R.; LINK, S.: “Módulo de ruptura de las arcillas y pastas crudas. Preparación de las muestras y método de ensayo. Resultados prácticos de un ensayo interlaboratorio”, [en línea] , En: Actas del IX Congreso Mundial de la Calidad del Azulejo y Pavimento Cerámico QUALICER, Alemania, FGK Forschungsinstitut fur Anorganische, 2006, Disponible en: https://www.qualicer.org.:

DENSITY: It was determined using a mechanical stirrer, a 100 mL pycnometer and a 120 g analytical balance with a precision of 0,1 mg.

TIXIOTROPY: A Gallenkamp viscometer was used.

INSTANT THICKNESS and VISCOSITY: The samples were taken from the dissolver and from the reactors, they were placed in the variable speed diluter, to stir and homogenize up to a speed of 765 rpm, for 5 min; then it was allowed to stand for one minute to continue with a brief agitation.

RUPTURE MODULE AFTER DRYING (N cm-2): the formula $M O R = \frac{3 * P * L}{2 * h^{2} * b}$ was applied:

M O R = \frac{3 * P * L}{2 * h^{2} * b}

(1)

Where:

P: Force value (N) read on the dynamometer scale.

L: Distance between the two blades that hold the test bar (cm).

h: thickness of the sample (1 cm).

b: Length of the test bar (2 cm).

MODULE OF RUPTURE AFTER FIRING: The same procedure described above was carried out.

DRYING CONTRACTION: The length (L2) of the recently unmolded bars was measured with a centesimal caliper, with a precision of 0.05 mm; subsequently, they were dried for 12 hours at room temperature and for 24 hours in a dryer with a ventilated chamber at a temperature of 110 ºC and (L1) was determined after drying. Applying the following formula $C . S . = \frac{L 2 - L 1}{L 2} * 100$ , the results are obtained.

C . S . = \frac{L 2 - L 1}{L 2} * 100

(2)

COOKING CONTRACTION: The centesimal caliber was used. The sample was initially measured (L1), then it was dried (L2) and with the support of the formula $C . C . = \frac{L 1 - L 2}{L 1} * 100$ the results were obtained.

C . C . = \frac{L 1 - L 2}{L 1} * 100

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WATER ABSORPTION: The samples, cooked at different temperatures, were weighed using a 120 g analytical balance with a precision of 0.1 mg for dry weight (P1). They were boiled in a container for three hours and then cooled at room temperature for 20 hours. The samples, once removed from the water, were rinsed with a damp cloth and weighed again (P2). The percentage of absorbed water is obtained from the following formula $A = \frac{P 2 - P 1}{P 1} * 100$ :

A = \frac{P 2 - P 1}{P 1} * 100

(4)

Analysis of the impact of contamination with heavy metals from the recycling of residual sludge

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Due to the importance of minimizing the environmental impact caused by solid waste that can be reused, an economic analysis was carried out in the production process of the company, estimating the value in monetary terms, based on the information obtained, which report 549 average pieces per day with an average weight of 15 kg, the unit cost of the products and the transportation of the components per day of production.

Statistical analysis

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The organization and processing of the information was carried out in the Microsoft Office 2010 Excel program and STATGRAPHICS Plus version 5.1 as statistical software. The simple ANOVA test was used, for which a significance level of 0,05 was established for a 95% confidence interval and comparison tests were performed by Duncan to determine between which levels the significant difference was established, and for those mean values that presented significant differences, different letters were assigned.

RESULTS AND DISCUSSION

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Characterization and evaluation of the polluting source, Company SANVING S. A. In the company's production process, pollutants and different types of solid effluents are generated, such as enamel mud from the processes of grinding, enameling or enamel preparation. Even when these muds are, in general, technically recoverable, they are not from the operational point of view, hence, constitute potential contaminants when they are dumped in unsafe and poorly managed places (Goya & Rodríguez, 2020GOYA, H.A.A.C.; RODRÍGUEZ, M.J.P.: “Tendencias metodológicas en la evaluación del grado de contaminación y de riesgos por metales pesados presentes en sedimentos viales urbanos”, Revista UIS Ingenierías, 19(4): 133-148, 2020, DOI: http://revistas.uis.edu.co/index.php/revistauisingenierias.).

The Cerámica Blanca Company, a source of contamination that is the object of the investigation, is divided into two sections for its production process. The one it occupies, identified as Subdivision 1, has been in continuous operation for 62 years and its production is aimed at making white sanitary furniture or white ceramics, without the use of dyes. It has a discharge rate of liquid waste of 0,2 L s^-1, that accumulates a volume of 17 000 L per day Informe Técnico CAM San José (2017)INFORME TÉCNICO CAM SAN JOSÉ: Técnicas recuperativas para la protección de áreas contaminadas y su impacto en el desarrollo sostenible, Inst. Empresa Cerámica Blanca “Adalberto Vidal”-Grupo FITOPLANT, Agronomía, UNAH, Informe técnico, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, publisher: Grupo FITOPLANT, Agronomía, UNAH, 2017. and inside, it has a trap to collect mud mixtures, which come from the beginning of the production process. Figure 1 presents a diagram of the company's format regarding its external waste traps.

FIGURE 1. Scheme of the system of traps for residual of the company.

The first trap is divided into three sections, where the abundant presence of liquid waste and sludge composed of petroleum, oil and sediments, coming from the boilers and the kitchen (Trap 1) is observed. Liquid and solid waste is discharged into a Trap 2, which accumulates sediment and wastewater that travels across the central highway through a canal. This drainage channel has been destroyed towards its end, allowing the uncontrolled flow of residual waters, towards lands surrounding the patios of the town. These waters are used for agricultural irrigation of crops with economic and nutritional importance, mostly vegetables, capable of accumulating in their tissues, high volumes of heavy metals, toxic to most plants Guzmán et al. (2021)GUZMÁN, M.A.R.; ORIOL, V.P.; CRUZ, L.P.O.; VALDÉS, C.R.; VALDÉS, H.P.A.: “Fitotecnología para la recuperación de agroecosistemas contaminados con metales pesados por desechos industriales”, Centro Agrícola, 48(3): 43-52, 2021, ISSN: 0253-5785., without showing symptoms of toxicity, which according to Berazaín (2017)BERAZAÍN, R.: Métodos de inventario de plantas, Inst. Diversidad biológica de Cuba: métodos de inventario, monitoreo y colecciones, informe técnico, La Habana, Cuba, 60-85 p., 2017. is characteristic in areas contaminated with heavy metals.

According to the visual inspection carried out, the operation of the traps is inefficient since the residuals expelled from the production process are not adequately filtered. It was possible to verify the excessive accumulation of sediments at the beginning of the dumping area. That white sludge (mixture of wastewater and sediments) consists of a mixture of kaolin and other raw materials, as well as a small amount of gypsum, which are the result of items broken during the process and that could also be recycled according to Bünemann et al. (2018)BÜNEMANN, E.K.; BONGIORNO, G.; BAI, Z.; CREAMER, R.E.; DE DEYN, G.; DE GOEDE, R.; FLESKENS, L.; GEISSEN, V.; KUYPER, T.W.; MÄDER, P.: “Soil quality-A critical review”, Soil Biology and Biochemistry, 120: 105-125, 2018, ISSN: 0038-0717..

Evaluation of the physical-mechanical properties of sedimentary residuals

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Table 1 shows the results of the chemical analysis of the different mixtures with residual sludge for their reuse in the company's production process. It can be seen that, as the dosage of residual sludge increases in the mixtures, the losses on ignition (LOI) increase, which is attributed to a possible organic contamination of the same. The other parameters are within the permissible limits in this type of manufacturing, since the ranges of the pattern used coincide with Arias et al. (2018)ARIAS, L.T.; GIRALT, O.G.; GUERRERO, H.J.R.; HERNÁNDEZ, A.J.; ESPINOSA, P.A.: “Propuesta de tratamiento para residuales de la fábrica de marmolosa en Santiago de Cuba”, Tecnología Química, 38(3): 588-597, 2018, ISSN: 2224-6185, Disponible en: http://scielo.sld.cu/pdf/rtq/v38n3/rtq13318.pdf..

Since the percentages of chemicals in the mixture were found to be at acceptable levels, the parameters that define the quality of the paste to be used in the production process were measured (Table 2).

TABLE 1. Chemical composition of the mixtures with different percentages of residual sludge

Compounds analyzed	Pattern	Recycled sewage sludge
	Pattern	15	30	40
	%
LOI	5,5	6,3	6,9	7,2
SiO₂	67,6	65,3	63,5	62,6
Al₂O₃	20,3	22	23,3	24
TiO₂	0,5	0,6	0,7	0,7
Fe₂O₃	0,9	0,9	1,0	1
CaO	0,4	0,3	0,3	0,3
MgO	0,3	0,4	0,3	0,3
K₂O	2,9	2,6	2,3	2,6
Na₂O	1,6	1,5	1,7	1,3
Total	100	100	100,0	100

TABLE 2. Results of the physical-mechanical tests with different percentages of sedimentary residuals mixed with the paste for the production of ceramic pieces

Parameters	Values Standard	Paste without residual sludge	Sample with 15 % residual sludge	Sample with 30 % residual sludge	Sample with 40 % residual sludge
Density (kg L^-1)	1,79-1,83	1,81 a	1,81 a	1,81 a	1,76 b
Viscosity (kg m^-1 S^-1)	310-330	323 a	311 ab	310 b	300 c
Thickness after 60 min (mm)	8,5-10	8,7 a	8 ab	7,4 b	5 c
Thixotropy (°G) after 1 min	18-23	23 ab	22 abc	25 a	19 c
Thixotropy (°G) after 6 min	55-90	83 a	75 a	83 a	55 b
Modulus of rupture after drying (N cm^-2)	≥ 235,2	294 b	321,44 a	245 c	176,4 d
Modulus of rupture after firing (N cm^-2)	≥ 3 920	6 468 a	5 782 b	3 136 c	1 470 d
Drying shrinkage (%)	2-3	2,6 a	2,5 a	1,86 ab	1,05 b
Firing shrinkage (%)	9,5-12	11,5 a	10,03 ab	8,6 b	7,5 c
Water absorption (%)	≤ 0,5	0,2 b	0,45 b	0,90 a	0,85 a

Unequal letters differ significantly with p<0.05 according to Duncan's Dócima

It can be seen that in most of the evaluated indicators, except for the Modulus of Rupture after drying, Modulus of Rupture after firing and Water Absorption, statistically significant differences were found for a 95% probability between the samples with 15 and 30 % of residual sludge with respect to the sample with 40% of residual sludge. These differences coinciding with respect to the paste without residual sludge. Sample with 15% of residual sludge, obtained the best values in its indicators, due to that, all the properties studied, are among the recommended standards, as indicated by Arias et al. (2018)ARIAS, L.T.; GIRALT, O.G.; GUERRERO, H.J.R.; HERNÁNDEZ, A.J.; ESPINOSA, P.A.: “Propuesta de tratamiento para residuales de la fábrica de marmolosa en Santiago de Cuba”, Tecnología Química, 38(3): 588-597, 2018, ISSN: 2224-6185, Disponible en: http://scielo.sld.cu/pdf/rtq/v38n3/rtq13318.pdf..

The slip obtained with the aforementioned mixture complies with the standard cooking cycle and the water absorption required for paste, attributing to it the best results for its use in the start-up of production, taking into account that Arias (2018)ARIAS, L.T.; GIRALT, O.G.; GUERRERO, H.J.R.; HERNÁNDEZ, A.J.; ESPINOSA, P.A.: “Propuesta de tratamiento para residuales de la fábrica de marmolosa en Santiago de Cuba”, Tecnología Química, 38(3): 588-597, 2018, ISSN: 2224-6185, Disponible en: http://scielo.sld.cu/pdf/rtq/v38n3/rtq13318.pdf. states that part of the materials lost during the entire manufacturing process can be reused within the facility, according to product specifications or process requirements.

It does not occur in the same way for the sample with 30% residual sludge, because the paste does not reach the adequate vitrification (water absorption greater than 0,5%), since the gray kaolin (used for the elaboration of ceramic products) reduces the tendency of the paste to vitrify, which, according to Arias et al. (2018)ARIAS, L.T.; GIRALT, O.G.; GUERRERO, H.J.R.; HERNÁNDEZ, A.J.; ESPINOSA, P.A.: “Propuesta de tratamiento para residuales de la fábrica de marmolosa en Santiago de Cuba”, Tecnología Química, 38(3): 588-597, 2018, ISSN: 2224-6185, Disponible en: http://scielo.sld.cu/pdf/rtq/v38n3/rtq13318.pdf., is characterized by high porosity and, the glassy phase that develops during firing, is not enough to close the present porosity.

In the case of the sample with 40% residual sludge, the mixture obtained is not suitable for the manufacture of ceramic pieces, because the viscosity is below that required, so it is necessary to increase the amount of deflocculating agent, as explained by López & Ramírez (2019)LÓPEZ, G.M.; RAMÍREZ, P.M.C.: “Propuesta de procedimiento para tratamiento de residuales líquidos de planta piloto del Centro de Investigaciones del Níquel en Moa”, Revista de Innovación Social y Desarrollo, 4(2): 99-107, 2019, ISSN: 2664-1240.. The modulus of rupture after drying was excessively low (light paste) due to the amount of residual sludge used and a great difference is also observed with respect to the optimum degree of vitrification (high water absorption), with respect to the recommended standard value.

Economic valuation. Impact of the reuse of residual sludge in the company's production process

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An economic analysis of this research derives from the importance of minimizing the environmental impact caused by solid waste that can be reused.

Table 3 shows the comparison of the production costs of the process without the reuse of solid waste and after it, where a decrease of them can be observed.

TABLE 3. Cost of production in the company using 15% residual in the production process

Production type	*Cost of Production t^-1	Production cost for 549 pieces day ^-1
Production type	$ t^-1	$ day ^-1
Slip without residual sludge	243,87	2 289,45
Slip with 15% residual sludge	211,24	1 983,10

*Production Cost: $/Ton of finished product

The reuse of part of this solid waste (15%) is a possible saving in the company; it avoids the need to transport them from one company to another, it benefits because it does not pay to get rid of them and it is economically feasible, since a profit of $ 306,35 per day^-1 is obtained, which represents a profit of $ 111 817,75 in the year. In addition, these results confirm what Bünemann et al. (2018)BÜNEMANN, E.K.; BONGIORNO, G.; BAI, Z.; CREAMER, R.E.; DE DEYN, G.; DE GOEDE, R.; FLESKENS, L.; GEISSEN, V.; KUYPER, T.W.; MÄDER, P.: “Soil quality-A critical review”, Soil Biology and Biochemistry, 120: 105-125, 2018, ISSN: 0038-0717. state that, the expulsion of solid waste to the environment, can be reduced by combining different techniques such as regeneration of unmixed raw materials, regeneration of broken items in the manufacturing process, utilization of solid losses of the process in other industries and application of optimized parameters.

CONCLUSIONS

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The results obtained guarantee that the production of a paste including residual sludge from the industry, with optimal characteristics for reuse in the production process, is obtained when the mixture is combined with 15% of that sludge, which allows reducing the economic cost of the components to be used in the mixture for the manufacture of ceramic products, the contaminant load that is expelled into the environment and, in turn, it constitutes a viable and sustainable solution for obtaining cleaner productions.

The implementation of this reuse process leads to a reduction in environmental problems and to a better productive performance of the entity, with the consequent positive effect on the agricultural areas around the company.

INTRODUCCIÓN

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En la actualidad existe un nivel de concientización sobre la necesidad de disponer de un medio ambiente aceptable en todos los órdenes, siendo la contaminación uno de los más sensibles desde el punto de vista social y humano. Las consecuencias más evidentes se presentan en los entornos agrario y rural actual según Soto et al. (2020)SOTO, B.M.; RODRIGUEZ, A.L.; OLIVERA, M.; AROSTEGUI, S.V.; COLINA, N.C.; GARATE, Q.J.: “Riesgos para la salud por metales pesados en productos agrícolas cultivados en áreas abandonadas por la minería aurífera en la Amazonía peruana”, Scientia Agropecuaria, 11(1): 49-59, 2020, ISSN: 2077-9917., causado fundamentalmente por la implementación de estrategias de desarrollo que han hecho poco caso a procesos ecológicos (Valdés et al., 2018VALDÉS, C.R.; CRUZ, L.P.O.; BALBÍN, A.M.I.; GURIDI, I.F.; MORALES, M.A.R.; MESA, M.A.; MILANÉS, A.F.; KAEMMERER, M.; SÁNCHEZ, J.M.: “Fitogestión (FITOG-MP): tecnología para recuperar áreas contaminadas con metales pesados”, Anuario Ciencia en la UNAH, 15(1), 2018.).

La preocupación por tener garantizada la alimentación, llevó al hombre a estudiar y cultivar cualquier especie vegetal sin tener en cuenta las condicionales de los suelos que se dedican a esta labor, ni la contaminación con metales pesados de zonas agrícolas cercanas a áreas contaminadas, por lo que uno de los objetivos en las investigaciones sería estudiar los efectos tóxicos que los diferentes grupos de contaminantes producen en la cadena trófica, analizando los fenómenos de traslación, biodisponibilidad, bioconcentración y biomagnificación, para implementar estrategias que ayuden a mitigar tales efectos sobre la seguridad e inocuidad de los alimentos descritos en el Decreto-Ley No.9 (Gaceta Oficial de la República de Cuba, 2020GACETA OFICIAL DE LA REPÚBLICA DE CUBA: “Decreto Ley 9/2020 “Inocuidad de los Alimentaria” (GOC-2020-675-076)”, Gaceta Oficial de la República de Cuba, No. 76 ordinaria, La Habana, Cuba, Ministerio de Justicia. Gaceta Oficial No. 76 ordinaria, 30 de octubre de 2020, ISSN: 1682-7511.).

En consecuencia, La Estrategia Ambiental Nacional (EAN) 2021-2030 constituye el documento implementador de la política ambiental cubana, que potencia la gestión local en la preservación del medio ambiente (CITMA, 2021CITMA: Estrategia Ambiental Nacional (EAN) 2021-2030, Etapa 2021-2025, Inst. Ministerio de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente, La Habana, Cuba, 25 p., 2021.).

En el logro de estos objetivos influye el desarrollo de determinadas actividades industriales que constituyen un riesgo moderado de contaminación ambiental, no solo debido a las emisiones atmosféricas sino también a un mal manejo de los residuos, que pueden ocasionar fugas de componentes que se acumulan en el suelo y como consecuencia, puede aparecer un "suelo contaminado" según Valdés et al. (2018)VALDÉS, C.R.; CRUZ, L.P.O.; BALBÍN, A.M.I.; GURIDI, I.F.; MORALES, M.A.R.; MESA, M.A.; MILANÉS, A.F.; KAEMMERER, M.; SÁNCHEZ, J.M.: “Fitogestión (FITOG-MP): tecnología para recuperar áreas contaminadas con metales pesados”, Anuario Ciencia en la UNAH, 15(1), 2018., entendiéndose como tal, aquel suelo que por la acumulación de compuestos tóxicos persistentes, ha variado sus características originales y cuya nueva naturaleza puede ocasionar riesgos inaceptables para la salud humana o de los ecosistemas (Bonilla, 2013BONILLA, V.S.M.: Estudio para tratamientos de biorremediación de suelos contaminados con plomo, utilizando el método de fitorremediación, Bachelor’s thesis, 2013.).

A pesar de todo lo planteado, existen en Cuba según el INRH-Cuba (2019)INRH-CUBA: ´Datos Estadísticos del Instituto de Recursos Hidráulicos, Prov. La Habana, Inst. Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos, La Habana, Cuba, 2019. 14 426 focos contaminantes identificados y las tecnologías para solucionar estos casos son muy costosas, por lo que los recursos disponibles cubren solo el 2,3% de los identificados (Peñate, 2018PEÑATE, G.: Focos contaminantes y la seguridad ambiental de la nación, [ en línea] , Mesa Redonda, La Habana, Cuba, 20 de septiembre de 2018, Disponible en:http://mesaredonda.cubadebate.cu/mesa-redonda/2018/09/20/focos-contaminantes-y-la-seguridad-ambiental-de-la-naccion-video/, [ Consulta: 13 de noviembre de 2020] .).

En la provincia Mayabeque, la más pequeña del país, con una extensión de 3 743,8 km² y a pesar de ello la más industrializada, se ubica el municipio San José de las Lajas que concentra la mayor cantidad de industrias y empresas del territorio (78% del sector económico) según ONEI-Cuba (2019)ONEI-CUBA: Oficina Nacional de Estadística e Información, [en línea], Inst. Oficina Nacional de Estadística e Información, La Habana, Cuba, 2019, Disponible en:http://www.one.cu/., consideradas fuentes de contaminación ambiental y de posible repercusión en la seguridad alimentaria del municipio (Valdés et al., 2018VALDÉS, C.R.; CRUZ, L.P.O.; BALBÍN, A.M.I.; GURIDI, I.F.; MORALES, M.A.R.; MESA, M.A.; MILANÉS, A.F.; KAEMMERER, M.; SÁNCHEZ, J.M.: “Fitogestión (FITOG-MP): tecnología para recuperar áreas contaminadas con metales pesados”, Anuario Ciencia en la UNAH, 15(1), 2018.).

En el trabajo se presenta una posible solución que contribuye a la disminución de la carga contaminante que se expulsa al exterior desde la empresa Cerámica Blanca SANVING S.A., aunque es una fuente económica está considerada un foco de contaminación ambiental. El objetivo del trabajo es: Valorar la posibilidad de reciclaje de los residuales sólidos (Lodo residual) de la empresa Cerámica Blanca ubicada en el municipio San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, mediante su reutilización durante el proceso productivo, para lograr producciones limpias y reducir la carga de residuales que se expulsa al medio.

MATERIALES Y MÉTODOS

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Ubicación geográfica del sitio de estudio

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La fuente de contaminación seleccionada para el estudio es la empresa Mixta de Cerámica Blanca Cuba-Vietnam SANVIG, S.A., ubicada en los 22º97' latitud norte y los 82º17' longitud oeste según sistema de coordenadas Cuba Norte, cita en el reparto Jamaica, del municipio San José de las Lajas, provincia Mayabeque, Cuba.

Determinación de las propiedades físico-mecánicas de los residuales sedimentales del proceso productivo de la Empresa Cerámica

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El estudio de las propiedades físico-mecánicas de los residuales sediméntales se realizó a partir la confección de nueve barras de ensayo de dimensiones 200 x 20 x10 mm obtenidas de mezclas combinadas de 15%, 30% y 40% del lodo residual con la pasta (material empleado en el proceso productivo). El secado de las barras se realizó en una estufa durante 24 h a 110±5 ºC, calcinándose a una temperatura de 1 060 ºC en un horno eléctrico estándar Sacmi, seguido pasó a un proceso de cocción según lo establecido para los productos sanitarios.

En cada corrida de producción, se analizó y determinó las siguientes propiedades, según la Norma Técnica Ecuatoriana 652:2000 (NTE INEN, 2000) y la Norma Alemana DIN 51061 (2003) citadas por Diedel & Link, (2006)DIEDEL, R.; LINK, S.: “Módulo de ruptura de las arcillas y pastas crudas. Preparación de las muestras y método de ensayo. Resultados prácticos de un ensayo interlaboratorio”, [en línea] , En: Actas del IX Congreso Mundial de la Calidad del Azulejo y Pavimento Cerámico QUALICER, Alemania, FGK Forschungsinstitut fur Anorganische, 2006, Disponible en: https://www.qualicer.org.:

Densidad: Se determinó con la utilización del agitador mecánico, el picnómetro de 100 mL y la balanza analítica de 120 g con precisión de 0,1 mg.

Tixiotropía: se empleó el viscosímetro Gallenkamp.

Espesor y viscosidad al instante: Las muestras se tomaron del disolutor y de los reactores, se colocaron en el diluidor variable de velocidad, para agitar y homogenizar hasta velocidad de 765 rpm, durante 5 min; luego se dejó reposar durante un minuto para continuar con una breve agitación.

Módulo de rotura después del secado (N cm^-2): se aplicó la fórmula $M O R = \frac{3 * P * L}{2 * h^{2} * b}$ :

M O R = \frac{3 * P * L}{2 * h^{2} * b}

(1)

donde:

P: Valor de la fuerza (N) leída en la escala del dinamómetro

L: Distancia entre las dos cuchillas que sujetan la barra de ensayo (cm).

h: Espesor de la muestra (1 cm).

b: Longitud de la barra de ensayo (2 cm).

Módulo de rotura después de la cocción: Se efectuó el mismo procedimiento descrito anteriormente.

Contracción de secado: Se midió la longitud (L2) de las barras recién desmoldadas con un calibre centesimal, de precisión 0,05 mm; posteriormente se secaron 12 horas a temperatura ambiente y durante 24 horas en secadero con cámara ventilada a la temperatura de 110 ºC y se determinó (L1) después de secada. Aplicando la siguiente fórmula $C . C . = \frac{L 1 - L 2}{L 1} * 100$ se obtienen los resultados.

C . C . = \frac{L 1 - L 2}{L 1} * 100

(2)

Contracción de cocción: Se empleó el calibre centesimal. La muestra se midió inicialmente (L1), luego fue secada (L2) y con apoyo de la fórmula $C . S . = \frac{L 2 - L 1}{L 2} * 100$ se obtuvieron los resultados.

C . S . = \frac{L 2 - L 1}{L 2} * 100

(3)

Absorción de agua: Las muestras, cocidas a las distintas temperaturas, se pesaron mediante balanza analítica de 120 g con precisión de 0,1 mg para el peso seco (P1). Se dejaron en ebullición en un contenedor durante tres horas y luego se enfriaron a temperatura ambiente durante 20 horas. Las muestras, una vez sacadas del agua, se enjuagaron con un paño húmedo y se volvieron a pesar (P2). El porcentaje de agua absorbida se obtiene de la fórmula $A = \frac{P 2 - P 1}{P 1}$ siguiente:

A = \frac{P 2 - P 1}{P 1}

(4)

Análisis del impacto por contaminación con metales pesados del reciclaje del lodo residual

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Por la importancia que tiene la acción de minimizar el impacto ambiental provocado por los desechos sólidos que pueden ser reutilizables, se realizó un análisis económico en el proceso productivo de la empresa, estimando el valor en términos monetarios, a partir de las informaciones obtenidas, que reportan 549 piezas promedios por día con un peso promedio de 15 kg, el costo unitario de los productos y la transportación de los componentes por día de producción.

Análisis estadístico

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La organización y procesamiento de la información se realizó en el programa Excel de Microsoft office 2010 y como software estadístico el STATGRAPHICS Plus versión 5.1. Se utilizó la prueba de ANOVA simple para lo cual se estableció un nivel de significación de 0,05 para un 95% de intervalo de confianza y se realizaron las dócimas de comparación por Duncan para determinar entre cuales niveles se estableció la diferencia significativa, y para aquellos valores medios que presentaron diferencias significativas, les fueron asignadas letras distintas.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

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Caracterización y evaluación de la fuente contaminante: Empresa SANVING S. A.

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En el proceso de producción de la empresa, se generan contaminantes, y diferentes tipos de efluentes sólidos, como el barro de esmalte de los procesos de: molienda, esmaltación o preparación de esmaltes. Estos barros, que en general, si bien son técnicamente recuperables, no lo son desde el punto de vista operativo, constituyendo contaminantes potenciales cuando son arrojados a lugares inseguros y mal manejados en su vertimiento (Goya & Rodríguez, 2020GOYA, H.A.A.C.; RODRÍGUEZ, M.J.P.: “Tendencias metodológicas en la evaluación del grado de contaminación y de riesgos por metales pesados presentes en sedimentos viales urbanos”, Revista UIS Ingenierías, 19(4): 133-148, 2020, DOI: http://revistas.uis.edu.co/index.php/revistauisingenierias.).

La empresa Cerámica Blanca, fuente de contaminación objeto de estudio de la investigación, está dividida en dos secciones para su proceso productivo.

La que ocupa, identificada como Subdivisión 1 tiene una antigüedad de 62 años en funcionamiento ininterrumpido y su producción está orientada a la elaboración de muebles sanitarios blancos o cerámica blanca, sin empleo de colorantes, con un caudal de vertimiento de residuales líquidos de 0,2 L s^-1, llegando a acumular un volumen de 17 000 L al día, según Informe Técnico CAM San José (2017) y en su interior tiene una trampa para colectar mezclas de lodo, que provienen del inicio del proceso productivo.

La Figura 1 presenta un esquema del formato de la empresa respecto a sus trampas de residuales exteriores.

FIGURA 1. Esquema del sistema de trampas para residuales de la empresa.

La primera trampa está dividida en tres secciones, donde se observa la presencia abundante de residuos líquidos y lodos compuestos por petróleo, aceite y sedimentos, provenientes de las calderas y la cocina (trampa 1). Los residuales líquidos y sólidos se desechan hacia una trampa 2, que acumula sedimentos y aguas residuales que viajan cruzando la carretera central por un canal.

Este canal de desagüe se ha destruido hacia su final permitiendo el cauce descontrolado de las aguas residuales, hacia terrenos que colindan con patios del poblado, que emplean estas aguas para el riego agrícola de cultivos con importancia económica y alimenticia, en su mayoría hortalizas, capaces de acumular en sus tejidos elevados volúmenes de metales pesados, tóxicos para la mayoría de las plantas según Guzmán et al. (2021)GUZMÁN, M.A.R.; ORIOL, V.P.; CRUZ, L.P.O.; VALDÉS, C.R.; VALDÉS, H.P.A.: “Fitotecnología para la recuperación de agroecosistemas contaminados con metales pesados por desechos industriales”, Centro Agrícola, 48(3): 43-52, 2021, ISSN: 0253-5785., sin mostrar síntomas de toxicidad, lo que según Berazaín (2017)BERAZAÍN, R.: Métodos de inventario de plantas, Inst. Diversidad biológica de Cuba: métodos de inventario, monitoreo y colecciones, informe técnico, La Habana, Cuba, 60-85 p., 2017. es característico en zonas contaminadas con metales pesados.

Según la inspección visual realizada, el funcionamiento de las trampas es ineficiente pues no se filtran adecuadamente los residuales expulsados a partir del proceso productivo. Se pudo comprobar la acumulación excesiva de sedimentos al principio del área de vertimiento, este lodo blanco (mezcla de aguas residuales y sedimentos) consta de una mezcla de caolín y otras materias primas, además de una pequeña cantidad de yeso, que son el resultado de artículos rotos durante el proceso y que pudieran reciclarse también según lo planteado por Bünemann et al. (2018)BÜNEMANN, E.K.; BONGIORNO, G.; BAI, Z.; CREAMER, R.E.; DE DEYN, G.; DE GOEDE, R.; FLESKENS, L.; GEISSEN, V.; KUYPER, T.W.; MÄDER, P.: “Soil quality-A critical review”, Soil Biology and Biochemistry, 120: 105-125, 2018, ISSN: 0038-0717..

Evaluación de las propiedades físico-mecánicas de los residuales sedimentales

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En la Tabla 1 se presentan los resultados del análisis químico de las diferentes mezclas con lodo residual para su reutilización en el proceso productivo de la empresa.

Se puede apreciar que a medida que se aumenta la dosificación de lodo residual en las mezclas, las pérdidas por ignición (LOI) aumentan, lo que se atribuye a una posible contaminación orgánica de la misma. Los demás parámetros se encuentran dentro de los límites permisibles en este tipo de fabricación, ya que los rangos del patrón que se emplea, coinciden con Arias et al. (2018ARIAS, L.T.; GIRALT, O.G.; GUERRERO, H.J.R.; HERNÁNDEZ, A.J.; ESPINOSA, P.A.: “Propuesta de tratamiento para residuales de la fábrica de marmolosa en Santiago de Cuba”, Tecnología Química, 38(3): 588-597, 2018, ISSN: 2224-6185, Disponible en: http://scielo.sld.cu/pdf/rtq/v38n3/rtq13318.pdf.).

Por encontrarse los porcentajes de químicos de la mezcla en niveles aceptables, se midieron los parámetros que definen la calidad de la pasta a emplear en el proceso productivo (Tabla 2).

TABLA 1. Composición química de las mezclas con diferentes porcientos de lodo residual

Compuestos analizados	Patrón	Lodo residual reciclado
	Patrón	15	30	40
	%
LOI	5,5	6,3	6,9	7,2
SiO₂	67,6	65,3	63,5	62,6
Al₂O₃	20,3	22	23,3	24
TiO₂	0,5	0,6	0,7	0,7
Fe₂O₃	0,9	0,9	1,0	1
CaO	0,4	0,3	0,3	0,3
MgO	0,3	0,4	0,3	0,3
K₂O	2,9	2,6	2,3	2,6
Na₂O	1,6	1,5	1,7	1,3
Total	100	100	100,0	100

TABLA 2. Resultado de los ensayos físico-mecánicos con diferentes porcentajes de residuales sedimentales mezclados con la pasta para la producción de piezas cerámicas

Parámetros	Valores Estándar	Pasta sin lodo residual	Muestra con 15% de lodo residual	Muestra con 30% de lodo residual	Muestra con 40% de lodo residual
Densidad (kg L^-1)	1,79-1,83	1,81 a	1,81 a	1,81 a	1,76 b
Viscosidad (kg m^-1 S^-1)	310-330	323 a	311 ab	310 b	300 c
Espesor después de 60 min (mm)	8,5-10	8,7 a	8 ab	7,4 b	5 c
Tixotropía (°G) después de 1 min	18-23	23 ab	22 abc	25 a	19 c
Tixotropía (°G) después de 6 min	55-90	83 a	75 a	83 a	55 b
Módulo de rotura después del secado (N cm^-2)	≥ 235,2	294 b	321,44 a	245 c	176,4 d
Módulo de rotura después de la cocción (N cm^-2)	≥ 3 920	6 468 a	5 782 b	3 136 c	1 470 d
Contracción de secado (%)	2-3	2,6 a	2,5 a	1,86 ab	1,05 b
Contracción de cocción (%)	9,5-12	11,5 a	10,03 ab	8,6 b	7,5 c
Absorción de agua (%)	≤ 0,5	0,2 b	0,45 b	0,90 a	0,85 a

Letras desiguales difieren significativamente con p<0,05 según dócima de Duncan

Se puede observar que en la mayoría de los indicadores evaluados, excepto el Módulo de rotura después del secado, Módulo de rotura después de la cocción y absorción de agua, se encontraron diferencias estadísticamente significativas para un 95% de probabilidad entre las muestras con 15 y 30% de lodo residual respecto a la muestra con 40% de lodo residual, coincidiendo estas diferencias respecto a la pasta sin lodo residual, resultando ser la muestra con 15% de lodo residual, la que ha obtenido los mejores valores en sus indicadores, debido a que se encuentran entre los estándares recomendados todas las propiedades estudiadas, según lo indicado por Arias et al. (2018)ARIAS, L.T.; GIRALT, O.G.; GUERRERO, H.J.R.; HERNÁNDEZ, A.J.; ESPINOSA, P.A.: “Propuesta de tratamiento para residuales de la fábrica de marmolosa en Santiago de Cuba”, Tecnología Química, 38(3): 588-597, 2018, ISSN: 2224-6185, Disponible en: http://scielo.sld.cu/pdf/rtq/v38n3/rtq13318.pdf..

La barbotina obtenida con la mezcla citada, cumple con el ciclo de cocción estándar y la absorción de agua requerida para las pastas, atribuyéndosele a esta los mejores resultados para su utilización en la puesta en marcha de la producción, teniendo en cuenta que Arias et al. (2018)ARIAS, L.T.; GIRALT, O.G.; GUERRERO, H.J.R.; HERNÁNDEZ, A.J.; ESPINOSA, P.A.: “Propuesta de tratamiento para residuales de la fábrica de marmolosa en Santiago de Cuba”, Tecnología Química, 38(3): 588-597, 2018, ISSN: 2224-6185, Disponible en: http://scielo.sld.cu/pdf/rtq/v38n3/rtq13318.pdf. plantea que parte de los materiales perdidos durante todo el proceso de fabricación pueden reutilizarse dentro de la instalación, de acuerdo con las especificaciones de los productos o los requisitos del proceso.

No ocurre de igual forma para la muestra con 30% de lodo residual, donde se observó que la pasta no alcanza la gresificación adecuada (absorción de agua mayor del 0,5%), ya que el caolín gris (se emplea para la elaboración de los productos de cerámica) reduce la tendencia de la pasta a gresificar, lo cual según plantea Arias et al. (2018)ARIAS, L.T.; GIRALT, O.G.; GUERRERO, H.J.R.; HERNÁNDEZ, A.J.; ESPINOSA, P.A.: “Propuesta de tratamiento para residuales de la fábrica de marmolosa en Santiago de Cuba”, Tecnología Química, 38(3): 588-597, 2018, ISSN: 2224-6185, Disponible en: http://scielo.sld.cu/pdf/rtq/v38n3/rtq13318.pdf. se caracteriza por la alta porosidad y la fase vidriosa que se desarrolla durante la cocción, no es suficiente para cerrar la porosidad presente.

En el caso de la muestra con 40% de lodo residual, la mezcla obtenida no es adecuada para la fabricación de las piezas de cerámicas, debido a que la viscosidad está por debajo de la requerida por lo que se hace necesario aumentar la cantidad de defloculante, como explican López & Ramírez (2019)LÓPEZ, G.M.; RAMÍREZ, P.M.C.: “Propuesta de procedimiento para tratamiento de residuales líquidos de planta piloto del Centro de Investigaciones del Níquel en Moa”, Revista de Innovación Social y Desarrollo, 4(2): 99-107, 2019, ISSN: 2664-1240.. El módulo de rotura después del secado ha resultado excesivamente bajo (pasta ligera) debido a la cantidad de lodo residual utilizado y se observa además una gran diferencia respecto al grado de gresificacion óptimo (absorción de agua elevada), con respecto al valor estándar recomendado.

Valoración económica. Impacto de la reutilización del lodo residual en el proceso productivo de la empresa

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Un análisis económico de esta investigación se deriva de la importancia que existe cuando se trata de minimizar el impacto ambiental provocado por desechos sólidos que pueden ser reutilizables.

En la Tabla 3 se presenta la comparación de los costos de producción del proceso sin la reutilización de los residuos sólidos y después de esta, donde se puede observar una disminución en la misma.

TABLA 3. Costo de producción en la Empresa empleando 15% de residual en el proceso productivo

Tipo de producción	*Costo de Producción t^-1	Costo de producción para 549 piezas día^-1
Tipo de producción	$ t^-1	$ día^-1
Barbotina sin lodo residual	243,87	2 289,45
Barbotina con 15% de lodo residual	211,24	1 983,10

*Costo de Producción: $/Tonelada de producto Terminado

La reutilización en la empresa de una parte de este residuo sólido (15%) es un posible ahorro; evita la necesidad de transportarlos de una empresa a otra, se beneficia porque no paga para deshacerse de ellos y es económicamente factible, pues se obtiene una ganancia de 306,35 $ dia^-1, lo que representa en el año una ganancia de $ 111 817,75.

Además de estos resultados obtenidos, Bünemann et al. (2018)BÜNEMANN, E.K.; BONGIORNO, G.; BAI, Z.; CREAMER, R.E.; DE DEYN, G.; DE GOEDE, R.; FLESKENS, L.; GEISSEN, V.; KUYPER, T.W.; MÄDER, P.: “Soil quality-A critical review”, Soil Biology and Biochemistry, 120: 105-125, 2018, ISSN: 0038-0717. plantean que puede reducirse la expulsión de residuos sólidos al exterior a partir de la combinación de diferentes técnicas como: Regeneración de materias primas no mezcladas; Regeneración de artículos rotos en el proceso de fabricación; Utilización de las pérdidas sólidas del proceso en otras industrias; Aplicación de parámetros optimizados.

CONCLUSIONES

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Los resultados obtenidos avalan que la producción de una pasta incluyendo lodo residual de la industria, con características óptimas para su reutilización en el proceso productivo, se obtiene cuando se combina la mezcla con un 15% de dicho lodo, lo que permite disminuir el costo económico de los componentes a emplear en la mezcla para la fabricación de los productos cerámicos, la carga contaminante que se expulsa al medio ambiente, y a su vez constituye una solución viable y sostenible para la obtención de producciones más limpias.

La implantación de este proceso de reutilización permite que disminuyan los problemas medioambientales y sin dudas contribuye a un mejor desempeño productivo de la entidad; con el consecuente efecto positivo sobre las áreas agrícolas que colindan con la empresa.