Tratamiento de aguas residuales mediante Digestión Aneróbica en entornos rurales de países en vías de desarrollo
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El artículo realiza una primera aproximación a la digestión anaeróbica como sistema de tratamiento de aguas residuales de viviendas aisladas en países en vías de desarrollo. La tecnología puede ...

El artículo realiza una primera aproximación a la digestión anaeróbica como sistema de tratamiento de aguas residuales de viviendas aisladas en países en vías de desarrollo. La tecnología puede ser aplicable en proyectos de cooperación en los que se busque dar una solución de saneamiento a viviendas que carecen de este servicio.

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    Tratamiento de aguas residuales mediante Digestión Aneróbica en entornos rurales de países en vías de desarrollo Tratamiento de aguas residuales mediante Digestión Aneróbica en entornos rurales de países en vías de desarrollo Document Transcript

    • LA DIGESTIÓN ANAERÓBICAUna alternativa al tratamiento de aguasresiduales en zonas ruralesMÁSTER UNIVERSITARIO TECNOLOGÍA PARAEL DESARROLLO HUMANO Y LA COOPERACIÓNUNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRIDASIGNATURA E-3CURSO 2012-2013Madrid, Marzo 2013Jaime del Rey Gómez-Morata
    • 1Para una importante proporción de la población rural de los países en vías de desarrollo lasaguas residuales, tanto domésticas como del ganado, carecen de una infraestructura mínimaque permita su recogida y tratamiento.El informe del año 2012 del Programa de Monitoreo Conjunto1afirma que, si bien el Objetivode Desarrollo del Milenio relativo al acceso al agua se cumplió en el año 2010, las perspectivasson mucho menos halagüeñas para el caso del saneamiento. De mantenerse la tendenciaactual, en el año 2015 se habrá logrado dar cobertura con saneamiento básico al 67% de lapoblación mundial, lejos aún de la meta del ODM situada en el 75%. A no ser que el ritmo delprogreso mejore notablemente, la meta del ODM no se obtendría hasta el año 2026.Por otro lado, las disparidades entre el ámbito urbano yel rural en el campo del saneamiento son máspronunciadas aún que en el agua. Mientras que el 79%de la población urbana mundial dispone deinfraestructura de saneamiento mejorada, esteporcentaje cae al 47% en las zonas rurales. En efecto, en las zonas rurales se concentran1.800 millones de personas sin acceso a saneamiento mejorado, lo que supone el 72% de lapoblación total sin esa cobertura.Cobertura de saneamiento en zonas rurales en los distintos países del Mundo. Fuente: Informe 2012 del Programade Monitoreo Conjunto (OMS & UNICEF)1 El Programa de Monitoreo Conjunto (o Joint Monitoring Program, JMP) es una iniciativa de la OMS y UNICEFque se encarga de supervisar los progresos de la de la meta C del Objetivo de Desarrollo del Milenio 7:“Reducir a la mitad, para 2015, la proporción de personas sin acceso sostenible al agua potable y a serviciosbásicos de saneamiento”. Todas las cifras han sido tomadas del informe del JMP del año 2012 descargable enhttp://www.wssinfo.org/fileadmin/user_upload/resources/JMP-report-2012-en.pdfLa digestión anaeróbica, una alternativa a la gestión de aguas residuales en zonas ruralesEl 72% de la población mundialsin acceso al saneamiento básicose encuentra en zonas rurales
    • 2Además de carecer de servicios básicos de saneamiento, muchos hogares situados en zonasrurales no disponen de acceso a fuentes de energía adecuadas, ni de fertilizantes de calidadpara los usos agrícolas. Ante este contexto, la digestión anaeróbica aparece como unasolución de gran interés que permite afrontar de forma simultánea tres importantes problemas: Procesa y estabiliza las aguas residuales de origen humano y animal mediante untratamiento natural que no requiere de fuentes de energía o aditivos. Aporta, como resultado de la descomposición orgánica en ambiente anaeróbico, gasmetano que es recuperado como combustible para uso doméstico, evitando a lapoblación beneficiaria tener que recurrir a la madera2, o a los excrementos secos delganado. Como producto de la digestión, se obtienen lodos con una carga patógena mucho másbaja que las heces iniciales y suficientemente degradados como para que constituyanun fertilizante natural, más ecológico3y económico que las alternativas sintéticas.Una solución con amplio recorrido…La digestión anaeróbica no es una tecnología de tratamiento de aguas residualesespecialmente pionera. La existencia de metano en los gases de descomposición de lospantanos fue descubierta por Alessandro Volta en 1770 en sus experimentos en los marjalesdel lago Maggiore en los Alpes italianos. Hubo que esperar cien años más para que LouisPasteur en 1875 obtuviese biogás a partir de residuos de caballo y propusiese su utilizaciónpara la iluminación de las calles. Finalmente en 1906 se desarrolla en Alemania la primeraplanta de digestión anaeróbica para el tratamiento de aguas residuales. Hoy día hay más de400 plantas agrícolas de biogás funcionando en Alemania.Pero la experimentación y el uso de esta tecnología no se circunscribe al continente europeo,pudiéndose destacar las interesantes experiencias en esta materia en China y la India. EnChina las primeras plantas de biogás se construyeron en 1940 por familias acomodadas, ydesde 1970 la investigación y promoción por parte del gobierno chino impulsó la implantaciónde esta tecnología en zonas rurales. Actualmente en China más de 5 millones de pequeñosdigestores se encuentran en funcionamiento y unos 20 millones de personas utilizan el biogáscomo combustible habitual.En la India el desarrollo de plantas de biogás sencillascomenzó en 1950, y en los años setenta unaimportante campaña apoyada por el gobierno produjoun fuerte crecimiento de las plantas en uso. En laactualidad más de un millón de plantas de biogás estánen funcionamiento en este país4.2 De acuerdo con el informe ICAR (emitido por la el Consejo Indio de Investigación Agrícola de Nueva Delhi)un digestor de 2,8 m3 puede evitar la deforestación de 1.200 m2 de bosque cada año. Más información enhttp://www.icar.org.in/3 La fabricación de fertilizantes sintéticos produce importantes emisiones de CO2, además estos productospresentan altos contenidos de nitritos y nitratos cuya alta solubilidad en el agua hace que sean fácilmentearrastrados por las aguas superficiales provocando a su vez problemas de eutrofización. En cambio, elproducto de la digestión anaeróbica produce un residuo rico en nitrógeno amoniacal menos soluble al agua y,por tanto, con menor propensión a contaminar los acuíferos.Solo en la India y China hay másde 6 millones de digestoresinstalados en zonas rurales
    • 3Las experiencias de China, India y Alemania muestran cómo la tecnología de la digestiónanaeróbica ha logrado importantes avances cuando ha contado con un entorno favorable:mientras que en Alemania, la solución ganó impulso en un contexto de crisis energética ybúsqueda de fuentes alternativas, en la India y China fueron los apoyos gubernamentales losque consiguieron la expansión de esta solución.Qué es el Biogás y cómo se generaEl biogás es generado por colonias de bacterias en su proceso de degradación de la materiaorgánica en un ambiente anaeróbico. La generación natural del biogás es una parte importantedel ciclo biológico del carbono en la que las bacterias metanógenas (que producen metano) seconstituyen como el último eslabón de una cadena de microorganismos que degradan lamateria orgánica hasta convertirla en elementos sencillos que son devueltos al medio.Cada año entre 590 y 880 millones de toneladas de metano se generan en el planeta poractividad microbiana, de los que el 90% provienen de la descomposición de la materiaorgánica, siendo el resto proveniente de procesos relacionados con la fabricación y uso decombustibles fósiles.El biogás es una mezcla de gases que se distribuye como sigue: Metano (CH4): 40-70 % del volumen; Dióxido de carbono (CO2): 30-60 % del volumen; Otros gases ocupando entre 1-5 % del volumen donde se encuentra: Hidrógeno (H2) 0-1% del volumen; sulfuro de hidrógeno (H2S) 0-3% del volumen.Entrando en los detalles técnicos…Para lograr una adecuada digestión anaeróbica debemos contar con un depósitosuficientemente estanco en el que se acumularán los residuos orgánicos para su tratamiento.El depósito ha de contar con un conducto de entrada para los residuos, otro de salida y unaespita en la parte más alta que permita recuperar el biogás para su posterior utilización comocombustible.Los residuos deberán encontrarse en un estado suficientemente acuoso para permitir suprogresión por sus conducciones de entrada-salida y el interior del equipo, y para facilitar lageneración de un ambiente anaeróbico. Esto hace que los residuos más recomendables seanlas aguas residuales domésticas. En instalaciones colocadas en zonas rurales, se añadirántambién las heces de la ganadería (estiércol) que deberán licuarse con agua adicional antesde introducirse en el digestor. Una proporción habitual para esta mezcla suele ser una parte deestiércol por cada dos de agua5.En cuanto a la tipología de los depósitos, estos en esencia se pueden dividir en tres grandestipos:4 Datos tomados de la publicación “Biogas Digest Volume I, Biogas Basics” de la GTZ (Agencia Alemana deCooperación Técnica): http://www.gate-international.org/documents/publications/webdocs/pdfs/biogasdigestvol1.pdf5 Tomado de “Performance evaluation of a biogas stove for cooking in Nigeria” de I N Itodo, G E Agyo y PYusuf, Journal of Energy in Southern Africa, Vol 18 No 3 Agosto 2007
    • 4 Digestores con cubierta flexible. Digestores con cubierta fija. Digestores con cubierta flotante.Las tipologías anteriores con algunas variaciones permiten desplegar las siguientessubtipologías:En el gráfico se muestran las siguientes tipologías de digestores:A. Digestor con cubierta flotanteB. Digestor con cubierta fijaC. Digestor con cubierta fija y acumulador de gas independienteD. Digestor con cubierta flexibleE. Digestor con cubierta flexible bajo techadoFuente “Biogas Plants, L. Sasse, GATE, 1988, p. 14.Las ventajas e inconvenientes de cada una de las tres grandes tipologías son: Digestores con cubierta flexible (generalmente de lona plástica de PVC):Ventajas: facilidad de traslado, temperaturas elevadas del digestor (lo que a su vezfavorece las reacciones bacteriológicas), facilidad de mantenimiento y vaciado.
    • 5Inconvenientes: pueden tener una menor vida útil por el deterioro de la cubierta, norecurren a tanta mano de obra local (la lona no se produce en las zonas en las que seinstala el equipo), posible precio elevado de la cubierta flexible, susceptibles al daño de lacubierta. Digestores con cubierta fija:Ventajas: ausencia de partes móviles y mayor facilidad de construcción. Hace uso de manode obra local para todo el proceso constructivo (cubierta incluida). El depósito quedaenterrado y por tanto se evitan daños y también variaciones térmicas en su interior.Inconvenientes: generalmente se tienen menores temperaturas en el digestor. Es máscomplicada cualquier maniobra de vaciado. Requiere de una ejecución muy cuidadosa,porque cualquier fractura en la cubierta producirá grandes pérdidas de biogás. La presióndel gas varía en función de la cantidad que se encuentre almacenada. Digestores con cubierta flotante:Ventajas: la operación del sistema es muy intuitiva, porque la posición de la cubiertamuestra la cantidad de gas disponible. La construcción es relativamente sencilla ycualquier error en la misma no afecta mayormente al rendimiento del digestor. La presióndel gas es constante.Desventajas: el mayor coste de la cubierta que suele construirse en acero. La tendenciadel acero a la corrosión hace que la vida útil de estos digestores sea menor. Costes demantenimiento continuos debidos a la pintura de la cubierta.Diseño de los DigestoresA la hora de plantearse el diseño de los digestores dos variables son especialmenteimportantes: el tiempo de retención y la temperatura ambiente. Pasamos a estudiarlos deforma diferenciada. El tiempo de retenciónEl tiempo de retención, como en cualquier depósito de tratamiento de aguas residuales,está relacionado con el caudal de las aguas que se reciben y con el volumen útil deldepósito mediante la siguiente fórmula:El valor del caudal irá en función de la dotación fijada para el agua de consumo humano, ala que habrá que añadir la producida por el ganado, si es que sus residuos se estánvertiendo también al digestor. En cuanto a la dotación de consumo humano se puede partirde valores como los 50 litros/persona*día establecidos como la Organización Mundial de laSalud (OMS) como valor mínimo para garantizar una vida digna6.6 Los criterios de la OMS, asumidos por Naciones Unidas, establecen que este Derecho Humano implica teneracceso a agua suficiente, salubre, accesible, asequible y aceptable. La “suficiencia” del agua se establece en unmínimo de 20 litros/habitante*día que debería aumentar a 50 siempre que sea posible. Más información enhttp://www.who.int/water_sanitation_health/es/
    • 6La definición del tiempo de retención depende de la temperatura a la que se encuentre lamezcla en el digestor, así como de las características de los residuos que se esténtratando. Se trata, por tanto, de un valor que puede variar mucho en función de cada caso.Podemos de cualquier forma dar las siguientes estimaciones: Estiércol líquido de ganado bovino: 20-30 días Estiércol líquido de ganado porcino: 15-25 días Estiércol líquido de ganado ovino: 20-40 días Estiércol animal mezclado con restos vegetales: 50-80 díasAnte la ausencia de datos específicos sobre el contenido de las aguas residuales, o en elcaso de tratarse de aguas de consumo humano, podremos estimar un tiempo de retenciónde 15 días en climas cálidos o 25 en climas templados7. La temperatura ambienteEn principio, la tecnología de la digestiónanaeróbica es factible en cualquier tipo decondición climática. Sin embargo, se puedeafirmar que los costes de producción de biogásaumentan a medida que la temperatura ambientedisminuye. Esto se debe a que las bajastemperaturas ralentizan los procesosbacteriológicos, por lo que será necesario unmayor tiempo de retención y consecuentementedepósitos de mayor tamaño. También existe la posibilidad de calentar los depósitos, perola tecnología requerida para esto no es accesible ni recomendable para zonas rurales depaíses en vías de desarrollo.Los digestores que no cuentan con sistema de calentamiento, y no se encuentranespecialmente bien aislados, deberían instalarse en zonas en las que la temperaturamedia es de 15 ºC o superior. A continuación se muestran sombreadas las zonas delMundo en las que la instalación de digestores de este tipo es más recomendable:7 Dato tomado del “Compendio de Sistemas y Tecnologías de Saneamiento”de la Cooperación Suiza(COSUDE), página 75. http://www.alianzaporelagua.org/Compendio/En principio la tecnología de ladigestión es factible en cualquiertipo de condición climática, perolos costes de producción de biogásaumentan a medida que latemperatura ambiente disminuye
    • 7En sombreado las zonas del mundo con temperaturas medias por encima de 15ªC en las que es factible lainstalación de digestores no especialmente bien aislados y sin sistema de calentamiento. Fuente OEKOTOPPero los digestores no son solo sensibles a la temperatura media, sino que tambiénresultan afectados por las variaciones térmicas, como las del día-noche y las inter-estacionales. El diseñador debe garantizar que la producción de biogás es suficiente,incluso en los periodos más desfavorables del año. Los efectos perjudiciales de las bajastemperaturas, o de las oscilaciones térmicas, se pueden compensar ubicando losdepósitos semienterrados.Más allá de la temperatura y del tiempo de retención, para la operación del digestor esesencial tener en cuenta que este funciona como un auténtico sistema vivo conformado poruna ingente cantidad y variedad de bacterias. El mayoro menor rendimiento del digestor estará en relacióndirecta con el cuidado de las variables que afectan alas condiciones de vida de esa colonia bacteriana. Portanto, otro de los aspectos a considerar es la continuaaportación de residuos al digestor, ya que estos son alfin y al cabo el alimento de la colonia. El posible olvidopor parte de los usuarios de la aportación de residuosal digestor, no tiene por qué tener consecuencias en el rendimiento del mismo, siempre queeste no se prolongue durante un periodo de tiempo demasiado largo. Sin embargo, esta inerciaen el funcionamiento del digestor también implica que, si el digestor dejase de funcionar porabandono, tardará unos 10 días en ponerse en marcha de nuevo. Es por tanto esencial formaradecuadamente a los futuros beneficiarios para que no olviden aportar al digestor residuos deforma periódica.Es esencial tener en cuenta que eldigestor funciona como unauténtico sistema vivoconformado por una ingentecantidad y variedad de bacterias
    • 8Principales aplicaciones del biogásEl biogás es un gas pobre que se puede utilizar para los siguientes propósitos: cocinas lámparas calefacciones incubadoras refrigeradoras motoresNos centraremos en su uso en las cocinas y lámparas, por ser los más habituales en el ámbitorural:CocinasLas cocinas que funcionan quemando biogás deben satisfacer varios requisitos básicos: Ser fáciles de usar y limpiar, Ser versátiles y permitir su uso por cacerolas y sartenes de varios tamaños, Ser baratas de mantener, Que presenten una llama estable, Que sean de apariencia atractiva.En general, las características de la cocina de biogás considerada “ideal” por los usuariosvarían ampliamente de una región a otra. Sin embargo, es habitual que las cocinas con dosquemadores presenten una aceptación suficientemente buena, mientras que cocinas de unsolo quemador suelen percibirse por los beneficiarios como soluciones meramente temporales.Cocinas con dos quemadores habitualmente instaladas en las instalaciones de biogás. Fuente OEKOTOPLa instalación implica la recogida del gas desde la parte más alta del digestor y el trasladohasta la cocina. Antes de usarse el quemador deberá ser cuidadosamente ajustado de formaque: Su llama sea compacta y azulada La cacerola deberá ser tocada por el cono exterior de la llama, pero mantenerse fueradel alcance del cono interior. La llama de ser capaz de estabilizarse por sí sola, es decir, las zonas sin llama delquemador deben encenderse en un periodo de dos a tres segundos.La demanda de este combustible en una cocina de biogás se puede estimar en 150-300 litrospor persona y por comida. Otros parámetros que se pueden utilizar para estimar la demanda
    • 9son: entre 30 y 40 litros de biogás para cada litro de agua que utilicemos para cocinar, 120 y140 litros para cada 1/2 kg de arroz y entre 160 y 190 litros para cada 1/2 kg de legumbres.LámparasEn zonas rurales que carecen de conexión eléctrica, disponer de una fuente adecuada de luzes una necesidad básica, a la vez que un símbolo de status. Sin embargo, las lámparas debiogás no se caracterizan por ser especialmente eficientes desde el punto de vista energético.Esto se debe esencialmente a que desprenden luz por el principio de la incandescencia, esdecir, sometiendo a altas temperaturas al tejido o camisa que se coloca sobre el inyector delgas. Las temperaturas alcanzadas por las camisas se sitúan entre 1.000 y 2.000 ºC, por loque, si la lámpara se coloca colgada de un techo, puede causar un incendio con facilidad.En cuanto al rendimiento lumínico de una lámpara de biogás, este se sitúa entre los 400 y 500lúmenes (unidad de medida del flujo lumínico), de forma que su máximo flujo lumínico sepuede comparar al de una bombilla de entre 25 y 75 vatios.Sin embargo, estas lámparas no presentan una gran eficiencia lumínica, ya que si estudiamoslos lúmenes por vatio (es decir, luminosidad producida por potencia) observaremos que esnecesaria mucha más potencia en una lámpara debiogás para lograr la misma luminosidad que obtenemoscon sistemas de iluminación eléctricos convencionales.En efecto, mientras que una lámpara de biogás emiteentre 1,2 y 2 lúmenes por vatio, este valor en unabombilla incandescente asciende a 3-5 y en un tubofluorescente a 10-15 lumen/vatio.En cuanto al consumo, una lámpara de biogás requiereentre 120 y 150 litros al día.En relación con la escasa eficiencia de estos equiposestá el hecho de que su rendimiento está muyrelacionado con la correcta disposición de la camisa y laforma de la llama. Para lograr un adecuadofuncionamiento, es necesario que la camisa sea rodeadapor la parte interior de la llama (la más caliente), con elmínimo consumo de biogás posible. En el momento en elque la camisa sea demasiado grande aparecerán zonas oscuras, y si el tamaño de la llamatambién es excesivo el consumo de gas será muy alto.Modelo de lámpara de biogás de lacompañía “Xunda Science & TechnologyGroup Co.”(China)A la izquierda dibujo esquemático de una lámpara debiogás en el que se observa:a) Inyector de gas y entrada del aireb) Cámara de mezclado de aire y gasc) Camisa y trampa de aire a su alrededor quegarantiza un entorno cálido a la vez que permitela entrada del oxígeno necesario para la correctacombustión.Fuente “Biogas plants” de Ludwing Sasse
    • 10Resulta por tanto complicado diseñar adecuadamente una lámpara de estas características, yla experiencia demuestra que los modelos comerciales no están óptimamente diseñados paralas condiciones particulares de la combustión de biogás (presión baja, o fluctuante y variaciónde la composición del gas). Los inconvenientes más habituales son: boquillas con diámetrosexcesivos, camisas demasiado grandes, imposibilidad de cambiar el inyector, e imposibilidadde controlar la combustión.Como consecuencia de todo lo anterior, las lámparas suelen ofrecer una luminosidaddeficiente con altos consumos de gas.Conclusiones y análisis crítico de la soluciónLas ventajas que presenta la digestión anaeróbica han quedado patentes a lo largo delpresente artículo. Se trata, en efecto, de una tecnología que permite resolver de forma naturaly sostenible una serie de problemas habituales en el entorno rural como son: la falta de untratamiento adecuado de las aguas residuales domésticas y ganaderas, la escasez derecursos energéticos y la falta de fertilizantes de calidad. Por otro lado, aunque el rendimientode los digestores necesita de una temperatura ambiente suficientemente cálida, existe unaclara coincidencia entre las zonas del planeta más cálidas y las que pueden beneficiarse deesta tecnología.Sin embargo, las bondades de la digestión anaeróbica no deben ocultar sus inconvenientes, yaque estos pueden hacer fracasar más de un intento de implementación. Si bien el principio desu funcionamiento resulta sencillo (fermentación de residuos orgánicos), para que losdigestores rindan adecuadamente es imprescindible una construcción realizada con esmero.En los depósitos de cubierta fija se ha de asegurar una correcta estanqueidad, y en los decubierta flexible su fragilidad y elevado coste pueden dar lugar a costes de reposiciónelevados. Del mismo modo, la instalación de recogida y transporte del gas ha de sercorrectamente implementada, para lo que será necesario contar con fontaneros en la zonaexperimentados en la construcción y futuro mantenimiento. Finalmente, los digestoresrequieren de una alimentación de aguas residuales periódica, que deberá ser suficientementefluida por lo que, en el caso de contar con estiércol, este deberá mezclarse con agua antes deverterlo al equipo.En lo que respecta al papel del beneficiario, no se puede obviar que el funcionamiento y laoperación del digestor requieren habitualmente vencer tabúes relacionados con lamanipulación de excrementos y con lautilización como combustible de un productoobtenido de los mismos. Sería poco sensatopensar que la puesta en marcha de estosequipos no va a contar con un algún tipo derechazo por parte de la población,especialmente cuando esta no ha sidopreviamente formada.En resumen, la alternativa de la digestión anaeróbica puede ser muy apropiada y exitosa enentornos rurales con escasos servicios (como ha sido el caso de la India y China), sin embargosu éxito exige de unas condiciones de contorno muy concretas. En el momento en que estascondiciones no se den, la solución puede estar abocada al fracaso en un plazo corto o medio.La alternativa de la digestión anaeróbicapuede ser muy apropiada en entornosrurales con escasos servicios, pero su éxitoexige condiciones de contorno muyconcretas
    • 11Resulta por tanto imprescindible elaborar un análisis detallado del entorno en el que se quiereimplementar esta solución, y solo tendremos garantías de éxito cuando se cumplan lossiguientes requisitos: Existencia de una auténtica necesidad de resolver el tratamiento de aguas residuales,de obtener una fuente de energía segura y de contar con fertilizantes naturales decalidad. Posibilidad de contar con buenos albañiles y fontaneros en la zona de actuación. Posibilidad de neutralizar tabúes sobre la manipulación de aguas residuales de origenhumano y animal y sobre el uso del biogás. Apoyo de las administraciones locales. Disponibilidad asegurada de residuos y de agua para garantizar la suficiente fluidez delos mismos. Disponibilidad de recursos financieros para realizar la inversión inicial y para elmantenimiento futuro.REFERENCIASAdemás de las anotaciones colocadas en los sucesivos pies de página, el contenido generaldel presente artículo ha sido elaborado mediante la traducción y síntesis de la publicación“Biogas Digest Volume I, Biogas Basics” de la GTZ (Agencia Alemana de CooperaciónTécnica):http://www.gate-international.org/documents/publications/webdocs/pdfs/biogasdigestvol1.pdf