4. MATERIALES Y MÉTODOS 4.1 Materia prima En este proyecto se utilizaron los lodos provenientes de la digestión anaerobia de la planta de tratamiento de agua residual de la Maltera de la empresa Cuauhtémoc Moctezuma, ubica en el municipio de Rafael Lara Grajales, en el estado de Puebla. Figura 4.1 Lodo proveniente de la PTAR de la Maltera de la empresa Cuauhtémoc Moctezuma, ubicado en el municipio de Rafael Lara Grajales. Figura 4.2 Lodo obtenido del proceso de filtración mecánica 71
4.2 Proceso de filtración en Filtro Prensa Se realizó a cabo la filtración del efluente de la PTAR de la Maltera de la empresa Cuauhtémoc Moctezuma, ubicada en el municipio de Rafael Lara Grajales. El filtro prensa utilizado se muestra en las figuras 4.3 y 4.4, las características de dicho filtro se enumeran a continuación: Tabla 4.1 Características del Filtro Prensa utilizado Tipo de Filtro Prensa Placas y marcos Volumen Total, ft 3 12.5 Volumen Cámara, ft 3 0.5 Número de placas 25 Longitud total, ft 11.35 Altura total, ft 4.42 Tamaño de placa, in 31.5 x 31.5 Material de cámara Polipropileno Tipo de cierre Hidraúlico-manual Presión de operación, psig 100 Figura 4.3 Filtro Prensa utilizado durante el presente trabajo 72
Figura 4.4 Vista frontal del filtro prensa utilizado La filtración se realizó en las instalaciones de la empresa. El proceso de filtración tuvo una duración aproximada de 15-20 minutos con un flujo de 25 gpm y posteriormente se llevo a cabo la recolección de la muestra de lodo (0.021 m 3 ). Figura 4.5 Remoción y recolección de la torta de filtración Después de haber recolectado la muestra de lodo, se procedió a su traslado a las instalaciones del laboratorio de Ingeniería Ambiental de la Universidad de las Américas-Puebla (UDLAP), donde se llevo a cabo el proceso de secado. 73
4.3 Construcción de Lecho de secado dimensiones: El lecho de secado utilizado en el presente trabajo tiene las siguientes Ancho: 50 cm Longitud: 70 cm Altura: 50 cm Área: 0.35 m 2 Figura 4.6 Lecho de secado utilizado en le presente trabajo Cabe mencionar que el lecho de secado estaba provisto de dos perforaciones a los extremos con el fin de fungir como salida para el líquido producido por el desaguado. Dicho lecho fue construido con una pendiente aproximada de 30 para permitir que el líquido de desaguado fluyese con mayor facilidad. 74
4.4 Gravilla y Grava secado, Se utilizo gravilla #3 y grava para construcción como camas del lecho de Figura 4.7 Grava utilizada como base para el lecho de secado Figura 4.8 Gravilla #3 utilizada para el lecho de secado 75
4.5 Tratamiento de gravilla y grava Para disminuir la suciedad tanto de la gravilla como de la grava y evitar suciedad indeseable en el filtrado, se realizaron tres lavados sucesivos a cada material con agua corriente. Figura 4.9 Lavado de gravilla Figura 4.10 Lavado de grava 76
Figura 4.11 Vista de gravilla después del lavado con agua 4.6 Construcción de bastidor para base del lecho Se llevo a cabo la construcción de un bastidor para la base del lecho con el objetivo de facilitar el flujo del filtrado. Dicho bastidor fui construido con malla metálica y bases de madera, el cual fue colocado en la base como se aprecia en la Figura 4.12. Figura 4.12 Bastidor utilizado en la base del lecho de secado 77
Figura 4.13 Colocación del bastidor sobre la base del lecho de secado 4.7 Sistema de desaguado Para obtener una recolección adecuada del filtrado producto del desaguado, se colocaron pequeñas mangueras de plástico a ambos extremos del lecho de secado. El espacio sobrante entre las mangueras y el vidrio del lecho de secado fue sellado con silicón. Figura 4.14 Sistema de desaguado para el lecho de secado 78
Figura 4.15 Sistema de desaguado del lecho de secado 4.8 Disposición de capas de gravilla y grava en el lecho de secado Una vez colocado el bastidor y después de concluir el lavado y secado rápido de la grava y gravilla, se procedió a la colación de las capas de grava y gravilla en el lecho de secado. La primera capa fue la correspondiente a la grava, dicha capa tuvo una altura de 6 cm. Figura 4.16 Colocación de la capa de grava en el lecho de secado 79
Posteriormente se llevo a cabo la colocación de la capa de gravilla sobre la capa de grava anteriormente colocada. Figura 4.17 Capas de grava y gravilla en el lecho de secado 4.9 Capa de lodo Después de la colocación de las capas de grava y gravilla, se procedió a colocar la capa de lodo, la cual tuvo una altura de 6 cm. Figura 4.18 Capa de lodo dispuesta en el lecho de secado 80
4.10 Cuadrícula para muestreo Para llevar un mejor control del muestreo de lodo se procedió a realizar una cuadrícula sobre la capa de lodo. Las dimensiones de dicha cuadrícula fueron de 5 cm x 5cm. Figura 4.19 Cuadrícula utilizada para el sistema de muestreo 4.11 Muestreador para lodo Las muestras de lodo fueron obtenidas con un muestreador de aluminio, el cual se muestra en la Figura 4.20. Figura 4. 20 Muestreador de lodo 81
4.12 Determinación del Porcentaje de Humedad La determinación de la humedad del lodo se lleva a cabo mediante la evaporación del agua contenida en un muestra representativa, de acuerdo a la técnica establecida en la NMX-AA-016-1984, la cual se describe a continuación. Material Balanza analítica con sensibilidad de 0.001 g Espátula para balanza Estufa con temperatura 423K (150 C) con sensibilidad 1.5K (1.5 C) capaz de mantener una temperatura constante Crisoles de porcelana Guantes de asbesto Desecador con deshidratante Procedimiento 1. Se colocan los crisoles dentro de la estufa a 393K (120 C) durante dos horas. Transcurrido ese tiempo, inmediatamente se pasan al desecador durante dos horas como mínimo o hasta obtener peso constante. 2. Se vierte la muestra hasta un 50% del volumen del crisol 3. Se pesa el crisol con la muestra y se introduce a la estufa a 333K (60 C) durante 2 horas, se deja enfriar y se pesa nuevamente. Se repita esta operación las veces que sea necesario hasta obtener un peso constante (se considera peso constante cuando entre dos pesadas consecutivas la diferencia es menor al 0.01%). 4. Para obtener los resultados se realizan los siguientes cálculos: 82
El porcentaje de humedad se calcula con la siguiente fórmula, teniendo en cuenta que para obtener W1 y W2 se debe restar el peso del crisol. Donde: H W1 W 2 = x100 (Ec. 4.1) W H = humedad, % W1 = Peso de la muestra húmeda en g W2 = Peso de la muestra seca en g Figura 4. 21 Secado de muestras para la determinación de % de humedad Figura 4.22 Crisol utilizado para el secado de muestras 83
Figura 4.23 Desecador utilizado para enfriamiento de muestras Es importante mencionar que durante todo el proceso de secado se llevo un registro de temperatura y humedad ambiente, los cuales fueron obtenidos con la ayuda del instrumento mostrado en la Figura 4.24. Figura 4.24 Aparato empleado para determinar temperatura y humedad ambiente 84
4.13 Determinación de curvas de secado Las curvas de velocidad de secado se obtuvieron de forma experimental. Los datos de dicho experimento se expresan como peso total W del sólido húmedo (sólido seco más humedad) a diferentes tiempos en el periodo de secado. Dichos valores se convierten a datos de velocidad de secado utilizando la mitología descrita por Geankoplis. Primero se recalculan los datos para obtener la humedad a un tiempo t, con la siguiente ecuación: X t W Ws kg totales de agua = = (Ec. 4.2) W kg sólido seco s Donde: X t = Humedad en el tiempo t, kg totales agua/ kg sólido seco W = peso del sólido húmedo, kg totales de agua W s = peso del sólido seco, kg sólido seco A continuación se determina el contenido de humedad de equilibrio, X*, kg humedad/kg sólido seco, con ayuda de la carta psicrométrica y con este dato se realiza el cálculo del contenido de humedad libre X en kg agua libre/kg sólido seco, para cada valor de X t : X = X X * (Ec. 4.3) t Con la datos calculados en la Ec.4.3, se grafica el contenido de humedad libre X en función del tiempo t en días. Ahora se puede calcular la velocidad de secado a partir de dicha curva, midiendo las pendientes de las tangentes a dicha curva, con lo cual se obtendrán valores de dx/dt para ciertos valores de t, y la velocidad de secado se calcula con la siguiente ecuación: Ls dx R = (Ec. 4.4) A dt 85
Donde: R = velocidad de secado, kg H 2 O/dia m 2 Ls = kg sólido seco usado, kg A = área superficial expuesta al secado, m 2 Cabe mencionar que para la obtención de las velocidades de secado se consideran tres intervalos de tiempo: el primero corresponde al periodo de tiempo de 2 a 8 días, el segundo de 15 a 19 días y finalmente el intervalo de 25 a 29 días. Lo anterior se realizo para observar el cambio de la velocidad de secado en los tres periodos significados mencionados. 4.14 Determinación del tiempo de secado a partir de la curva de velocidad de secado Se puede determinar la duración de tiempo requerido para secar un material a partir de un contenido de humedad libre inicial X 1 hasta alcanzar un contenido de humedad X 2 deseado. 4.14.1 Periodo de velocidad constante Para el periodo de velocidad constante, es posible estimar directamente el tiempo necesario mediante las curvas de secado obtenidas experimentalmente. Primero se debe determinar el contenido de humedad libre inicial X1 y el contenido de humedad libre final deseado X2. Se debe tener cuidado que de el periodo corresponda al periodo de velocidad constante así como en la determinación del contenido de humedad crítica, R c (dicho valor es el punto donde comienza el periodo de velocidad decreciente, éste puede obtenerse leyendo de la grafica). Con la siguiente ecuación se puede calcular el tiempo necesario: 86
Ls t = ( X ) 1 X 2 (Ec. 4.5) AR c 4.14.2 Periodo de velocidad decreciente Para el periodo de velocidad decreciente, el cálculo de tiempo de secado se puede realizar mediante integración gráfica para cualquier región entre X 1 y X 2, mediante la ecuación siguiente: L X1 s dx t = (Ec. 4.6) A X 2 R La Ec.4.6 puede integrase para cualquier forma de curva de secado de velocidad decreciente, trazando una gráfica de 1/R en función de X y determinando el área bajo la curva. 4.15 Diseño de bomba de alimentación A continuación se muestra el procedimiento empleado para el cálculo de la potencia de la bomba. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO DE POTENCIA DE BOMBA Especificar (para succión y descarga) Densidad Viscosidad Gravedad específica Presión de vapor Diámetro interno Flujo Altura(-) o columna(+) de succión Rugosidad absoluta Longitud Determinar el tipo de accesorios así como la cantidad Pérdidas por fricción 87
Velocidad y Número de Reynolds factor de fricción f Presión de descarga Cabeza diferencial total Columna estática total NPSH disponible Especificar Eficiencia de bomba Potencia de bomba 4.16 Diseño de Filtro Prensa A continuación de muestra un esquema con el procedimiento de diseño del filtro prensa. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE FILTRO PRENSA Especificar Flujo promedio de agua residual de la PTAR Densidad de líquido alimentado Densidad de lodo seco % Sólidos suspendidos (SS) al filtro prensa Horario de operación Gravedad específica del lodo % del flujo de PTAR alimentado al filtro prensa Flujo real del filtro prensa a 24 horas Flujo volumétrico de lodo Flujo de lodo al % de SS Flujo de lodo filtrado a 8 horas 88
Especificar Volumen de cámara Número de cámaras Volumen del filtro prensa Tiempo de ciclo Número de ciclos por día Masa de lodo obtenido por ciclo Masa de lodo total obtenido por día 4.17 Diseño de Lecho de Secado A continuación de muestra un esquema con el procedimiento de diseño del lecho se secado. PROCEDIMIENTO PARA DISEÑO DE LECHO DE SECADO Especificar Flujo de lodo Profundidad de lodo aplicado Sólidos iniciales Tasa de evaporación Lluvia por mes Sólidos después de t d días Contenido final de sólidos Longitud, ancho y alto del lecho Tiempo de llenado del lecho de secado Tiempo de secado requerido Tiempo total (llenado + operación) Área superficial requerida Número de camas 89
Volumen de aire requerido para evaporar el contenido de humedad del lodo Volumen de arena y grava requerida Tamaño y longitud de tubería Requerimientos de operación y mantenimiento 90