5. METODOLOGÍA LODOS PROVENIENTES DEL SEDIMENTADOR PRIMARIO EN LA EMPACADORA SAN MARCOS ADICIÓN DE ZANAHORIA

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1 36 5. METODOLOGÍA LODOS PROVENIENTES DEL SEDIMENTADOR PRIMARIO EN LA EMPACADORA SAN MARCOS SIN ADICIÓN DE SUSTANCIAS EXTRA ADICIÓN DE ZANAHORIA ADICIÓN DE CAL MEDICIONES VISCOSIDAD SÓLIDOS TOTALES ph FLUJO DE GAS TEMPERATURA ANÁLISIS DE TENDENCIAS EXPERIMENTACIÓN CON IMPLEMENTACIONES (control de ph) BIOGAS SÓLIDOS ESTABILIZADOS

2 Métodos y técnicas La metodología que se siguió para el análisis experimental de la digestión anaerobia se describe a continuación. Se planeó hacer una simulación experimental, esto es, se implementó el diseño a escala del digestor que se tiene en planta de tratamiento de la Empacadora San Marcos. Se construyeron dos tanques cúbicos de acrílico de 24.5 x x 37.2 cm, con 8 orificios, tres en la parte superior de la cara anterior para la alimentación, tres en la parte inferior de la cara posterior para la salida de recirculación del sistema de bombeo, y dos en la cara superior para la salida de gas y medición de temperatura. La capacidad total de cada biorreactor fue de 22.3 litros; se llenó con el lodo primario a digerir dejando un espacio libre del 20% para precaver posible formación de espuma debido a los gases resultantes de la digestión. También se utilizó un tercer tanque cilíndrico, de 22 litros de capacidad, con una entrada y una salida. En el tanque cilíndrico, se observó el proceso de digestión de los lodos tal cual llegan de la planta, únicamente recirculándolos para una agitación por bombeo utilizando una bomba de desplazamiento positivo Milton Roy. Este flujo no fue suficiente para que los lodos se mantuvieran homogéneos, por lo que se necesitó añadir agitación mecánica extra, con una varilla. La agitación se aplicó manualmente durante el muestreo para garantizar una homogeneidad en los lodos al tomar las muestras. Este digestor se tomó como blanco para poder observar y

3 38 comparar el efecto que las variables mezclado, alcalinidad y adición de nutrientes, tuvieron en el proceso. Una de las variables, fue la agitación por bombeo. Se observó que no fue suficiente para mantener la homogeneidad en los lodos. Como se puede observar en la figura 5.1, al segundo día de haber cargado el tanque se formaron dos capas, una de los sólidos en la capa superficial y otra de líquido, al cuarto día, se observaron 3 capas, una nata en la superficie formada por sólidos y espuma, una intermedia de líquido, que fue lo que se recirculó por medio del bombeo y una última capa de sólidos precipitados. En el lodo de la capa superficial se observó la formación de canales por donde pasaba el agua.

4 39 Figura 5.1 Falta de homogeneidad en lodos aplicando sólo recirculación por bombeo La caracterización del lodo de alimentación no se pudo considerar constante, ya que cambia sus cualidades según lo que se esté trabajando en la empacadora, ya sea el enlatado de chiles, o el enlatado de fruta. Esto hace que se presenten problemas para el bombeo. El principal fue el bloqueo de las válvulas check de la bomba. Inicialmente la válvula se obstruyó con semillas de chile, éstas no eran esperadas en la etapa del proceso de donde se obtuvieron los lodos; esto se solucionó poniendo una red a la entrada de la manguera de alimentación. Después se trabajó con otra muestra de lodo, que se comportó de manera distinta. Ahora las válvulas check se bloquearon con residuos del lodo con una consistencia muy viscosa, pastosa y pegajosa, el bloqueo se presentó con mayor

5 40 frecuencia, haciendo muy engorroso el llenado de los tanques y por tanto también el bombeo para la recirculación. Estos residuos se deben a que los lodos tienen un alto contenido de grasa, que durante los proceso anteriores a la digestión, reacciona con cal, formando una especie de cochambre. Esto se puede observar en la figura 5.2. Figura 5.2 Bloqueo de la bomba por el lodo Debido a esto, se procedió a rediseñar el modelo de la experimentación. Los tanques fueron llenados con ayuda de un embudo, se omitió la agitación por bombeo, implementando un sistema de mezclado mecánico, con una varilla en forma de L, movida por un sistema para prueba de jarras Phipps and Bird, colocada de manera que la propela quedara a mitad del tanque. Se probaron varias velocidades de giro, la que mantuvo más homogéneos los lodos fue a 100rpm, aunque con el avance de la digestión, se pudo disminuir la velocidad a 75rpm. Esto se puede observar en la figura 5.3

6 41 Figura 5.3 Agitación mecánica de tanques Uno de los tanques cúbicos, se llenó con lodo adicionado con nutrientes. Se le añadió un 10% en volumen de zanahoria cocida molida. El otro tanque se llenó con el lodo adicionado cal en la cantidad sugerida para la digestión alcalina g de cal / kg de sólidos (Metcalf & Eddy, 2004). En la caracterización inicial del lodo se tuvo un porcentaje de sólidos totales del 9.18%, se aproximó la densidad del lodo a la del agua, por estar conformado en su mayoría de ésta, calculando así 1.64 kg de sólidos en los litros de lodo, requiriendo 410 g de cal. Debido a que en el proceso de tratamiento de las aguas residuales de la planta, pasa por un tratamiento con cal, al adicionar la cantidad calculada de cal, la alcalinidad de los lodos aumentó en exceso, se llegó a un ph de 14, provocando la muerte de las bacterias por las condiciones inadecuadas para la proliferación de los microorganismos, interrumpiendo el proceso de digestión, y provocando por lo tanto una estabilización alcalina del lodo.

7 42 Luego de observar el comportamiento del digestor con y sin adición de sustancias, se sugirió la hipótesis de que la producción de gas está relacionada directamente con el ph de los lodos, ya que el consorcio bacteriológico es muy sensible a los cambios tanto de acidez como de alcalinidad, sobre todo las bacterias formadoras de biogas. De esta manera se corrió el experimento con la implementación de adición de cal, para mantener la capacidad amortiguadora del lodo conservando un ph de 7, puesto que la producción de gas se maximizó entre un ph de 6.5 y 7.5. Esto se logró adicionando 0.3 gramos de cal por litro de lodo. También se realizó un último experimento pero a escala menor, en 8 matraces de 600 ml, con 350 ml de lodo se siguió el proceso de digestión controlando el ph a 7 mediante la adición de 0.15 gramos de cal diariamente. Se analizaron sólidos totales y su fracción volátil durante 9 días, para estudiar y corroborar la tendencia de los datos en el digestor grande, La medición de biogas no pudo hacerse debido a la inconstancia en la producción del mismo. Las grasas actúan como un inhibidor del proceso de digestión. El proceso para la cuantificación de la misma si realizó a través del método de extracción Soxhlet, el cuál es un método que requiere de atención por tratar con un solvente altamente inflamable, además de que el proceso requiere de mínimo 4 horas de observación continua por lo que no se consideró como prueba para monitorear el proceso, solo para caracterizar inicialmente a los lodos.

8 43 Por otro lado, se propuso un pretratamiento en la fase del tratamiento primario en la que se separa la grasa emulsificada del agua, ya que hay pérdidas importantes de ese material. Para poder reutilizar la grasa, se pensó en realizar una saponificación. Se adicionó una solución de hidróxido de sodio al 40% en diferentes proporciones, y posteriormente se sometió a centrifugación para analizar la separación de sólidos.

9 Mediciones Medición de temperatura La medición de temperatura se realizó utilizando termopares tipo t ubicados en dos puntos de cada tanque para también revisar la homogeneidad en el digestor. En la mayoría de las mediciones se obtuvo el mismo valor de temperatura, o en su defecto una pequeña variación de 0.1 a 0.4ºC. También se utilizó un termómetro de mercurio para corroborar mediciones Medición de ph Normalmente para una medición precisa de ph se utiliza un medidor electrónico de ph, pero debido a que analizaron lodos, los sólidos de los mismos podrían dañar la membrana del aparato. Por esto que se usó papel ph para cada medición, los resultados fueron suficientemente claros para tener un valor aproximado del ph. Los valores estuvieron en un intervalo de 6 a 8.

10 Medición de producción de gas Para esta medición, se implementó un burbujómetro adaptado al experimento en cuestión. Como se puede observar en la figura 5.4 un segmento de tubo de vidrio del viscosímetro Canon-Fenske se llenó con una solución jabonosa concentrada, y se conectó al tanque con una manguera de caucho, de forma que el gas produjera burbujas. Estando el tanque cerrado herméticamente, se esperó tiempo suficiente para que la formación de gas venciera la presión ejercida por el líquido jabonoso, y de ahí también se esperó a que el flujo se estabilizara. Para tomar las mediciones, se tomaron dos puntos en el tubo, y se contó el tiempo en que tardaba cada burbuja en pasar entre dichos puntos. Conociendo el diámetro del tubo, y la distancia entre los puntos, se calculó el volumen, que fue una constante y con la medición de el tiempo, se pudo calcular el flujo de gas, es decir el volumen por unidad de tiempo producido. Los resultados obtenidos fueron satisfactorios. Figura 5.4 Burbujómetro

11 Medición de viscosidad En la primera fase del proceso de digestión sucede el rompimiento de las moléculas complejas grandes, a moléculas de cadena más corta. Esto se puede relacionar con la viscosidad, que es la resistencia de la sustancia para fluir; así las moléculas más grandes al principio del proceso pondrán más resistencia que las más pequeñas después de la hidrólisis, esperando así una disminución en la viscosidad. El lodo se puede caracterizar como líquido, cuando éste fluye bajo la influencia de la gravedad (Vesilind,1986). Primeramente se utilizó el viscosímetro de Brookfield, pero las mediciones fluctuaban mucho, por lo que quedó descartado este aparato. Entonces se implementó un viscosímetro con el que se midiera el tiempo de escurrimiento entre dos distancias, utilizando un embudo de 60º, utilizando así una correlación para calcular la viscosidad del lodo, a partir del tiempo de escurrimiento de un fluido con viscosidad conocida. En este caso el fluido con el que se calibró, fue agua destilada, la correlación utilizada se presenta en la figura 5.5.

12 47 Figura 5.5 Correlación para cálculo de viscosidad t escurrimiento t µ agua escurrimiento agua = t µ lodo escurrimiento lodo Medición de sólidos totales y volátiles El método descrito se aplica para la determinación de sólidos totales y su fracción fija y volátil de muestras sólidas y semisólidas como sedimentos de ríos y lagos, lodos separados del agua y de los procesos de tratamiento agua residual. Las interferencias se pueden presentar debido a pérdidas de carbonato de amonio y materia orgánica durante el secado. También después del secado y la ignición, los residuos son altamente higroscópicos, y absorben humedad del aire.

13 48 El procedimiento consta de poner a peso constante los crisoles, a 105ºC si se van a hacer sólidos totales y a 550ºC si se van a analizar sólidos volátiles. Se enfría en el desecador y se pesa. Para muestras fluidas, se debe tomar una muestra homogénea, y pesar junto con el crisol, evaporar una hora, enfriar en el desecador y pesar de nuevo, repitiendo este paso hasta que el cambio en el peso sea menor a un 4%. Para la medición de sólidos volátiles, el residuo de los sólidos totales, se somete a una temperatura de 550ºC en una mufla por una hora, se deja enfriar en un desecador, se pesa y se repite la ignición por 30 minutos, se deja enfriar y se pesa así asta que el cambio en el peso sea menor al 4% El cálculo se hace de la siguiente manera: % de sólidos totales = ( A B) 100 C B % de sólidos volátiles = ( A D) 100 C B en donde: A = peso de residuo sólido después de la evaporación + crisol (mg) B = peso del crisol (mg) C = peso de la muestra de lodo + crisol (mg) D = peso del residuo + el crisol después de la ignición (mg)