Secado Solar de Lodos_tesis

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Tesis de Licenciatura donde se compara el secado solar de lodos tipo invernadero con secado a la intemperie

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Secado Solar de Lodos_tesis

  1. 1. UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE YUCATÁNFACULTAD DE INGENIERÍATesis presentada por:Br. Rodrigo Manuel López Ávila
  2. 2.  Conforme el paso del tiempo la población de Yucatán ha idoincrementándose en gran medida. Las aguas residuales irán acarreando más sólidos hacia las plantasde tratamiento. La contaminación no solo se da por la mala disposición de las aguasservidas, sino que en múltiples ocasiones los lodos son desechadosal medio ambiente sin ningún manejo previo a su disposición final.
  3. 3.  Turovskiy y Mathai (2006), señalan que el manejo de los residuosproducidos por estos complejos sistemas representa un 40 o 50%del costo del tratamiento total. Actualmente el procedimiento típico en la región es el secado al airelibre, sin embargo desde 1994 el secado solar en invernaderos seha aplicado satisfactoriamente en Europa. Se propone comparar la eficiencia del secado solar de lodos entre elmétodo tradicional a la intemperie y el secador solar tipoinvernadero. Se espera que los lodos alcancen una humedad de hasta un50%, en aproximadamente 21 días.
  4. 4.  Se recurre a la planta de tratamiento de aguas residuales delfraccionamiento “Paseos de Opichén” en la ciudad deMérida, Yucatán. Se seleccionan dos lechos de secado, a uno de ellos se le adaptauna estructura metálica cubierta con plástico tipo invernadero. Se desarrollaron tres experimentos, en cada uno de ellos semonitoreó la temperatura ambiental del interior y delexterior, humedad y lluvia, se muestreó el lodo durante el tiempo desecado para conocer el comportamiento de sus propiedades físicas(sólidos totales y solidos volátiles totales).
  5. 5.  Objetivo general. Comparar la eficiencia de un secador solar de lodos tipo invernadero y unsecador solar de lodos expuesto a la intemperie, mediante el análisis delclima y las características físicas del lodo, a través del proceso de secadoen ambos sistemas. Objetivos específicos.1. Conocer y comparar la velocidad de secado de los lodos en amboslechos.2. Medir la cantidad de sólidos totales y sólidos volátiles totales en loslodos de ambos secadores solares durante el proceso de secado.3. Medir la temperatura y humedad relativa dentro del secador solar delodos tipo invernadero y compararla con el clima de la intemperie.
  6. 6.  El secado de lodos solar tipo invernadero surge en Europa debido ala problemática del clima, transporte y disposición final de los lodosresiduales. Otros métodos como el secado en hornos especializados o pormedios puramente mecánicos requieren de altas cantidades deenergía. Las empresas pioneras de esta tecnología son tres:Thermo-System TM, Huber´s Kult TM y IST´s WendeWolf TM.
  7. 7.  De las tres, Thermo-SystemTM, es la que posee mayor prestigio.Cuenta con 26 plantas de secado alrededor de Europa y más de120 alrededor del mundo. El proyecto “Thermo-System” surgió en la Universidad deHohenheim, Alemania, y los principales objetivos fueron:a) La reducción de la masa de lodos de aguas residualesb) Estabilización de los lodos de aguas residualesc) Medir la cantidad de energía consumida para el secado y estabilizaciónd) Demostrar, en parámetros económicos, la factibilidad del uso de la energíasolar.
  8. 8.  Según esta empresa, son cinco los factores decisivos para unsecado efectivo del lodo:1. La temperatura del aire que circula en el invernadero.2. La humedad del aire que circula en el invernadero.3. La velocidad del flujo que circula sobre el lodo.4. La estructura de la superficie del lodo a secar.5. La temperatura del lodo.
  9. 9. Para cubrir estos factores de manera satisfactoria, sus sistemas cuentancon las siguientes características:1. Cubierta2. Ventilación interior3. Ventanas4. Extractores de aire5. Piso con drenaje6. Movimiento de lodos
  10. 10.  La segunda empresa mas importante es ist’s WendeWolf TM. El diseño de sus invernaderos cuenta con un techo que puedeabrirse y ventanas laterales.
  11. 11.  Para el diseño de sus secadores esta empresa toma en cuenta lossiguientes factores: El área expuesta a la radiación solar. La diferencia de humedad entre el exterior y el interior. La velocidad con la que el viento circula sobre la superficie del lodo.• La característica principal es una máquina instalada en cadacompartimiento, la cual ocupa todo el ancho y es capaz de removertodo el lodo.
  12. 12.  En nuestro país la ing. Nathalia Valencia B. realizó su tesis (2008)“Secado solar de lodos residuales municipales”. Concluye que el secado tipo invernadero no es conveniente enzonas húmedas a menos que se tenga un sistema de circulación deaire.
  13. 13.  Los sólidos removidos de las aguas residuales son conocidos comolodos. Las características de los lodos dependen del origen de las aguasdonde se extrajeron. Se podría decir que existen tantos tipos de lodos como distintasclases de aguas residuales.
  14. 14. LodosPorcentaje deconcentración desólidosCaracterísticasCrudos primarios 4 -- 8 Mal olor, alto porcentaje de agua, color café, difícilde secar con lechos filtrantes, es posible secarlopor medios mecánicos.Desecho de lodosactivados0.5 -- 1.5 Poco olor, color café amarillento, esponjoso, conmucha actividad biológica, difícil de secar.De filtro de humus 3 -- 4 Esponjoso, color café y en ocasiones negro.Digeridosaeróbicamente 1 -- 3Poco olor, color café amarillento, en algunasocasiones difícil de secar, con actividad biológicamoderadaDesechos dealuminio 0.5 -- 1.5Color amarillo grisáceo, sin olor, muy difícil desecar.Tabla 1. Tipos de lodos y sus características.(Fuente: Vesilind, 1975)
  15. 15.  Características físicas y químicas del lodo. Características químicas:o Son de suma importancia para poder aclarar el efecto de ladisposición final en el medio ambiente o en la consideración de lasposibles alternativas de reutilización. Características físicas:o Se le ha dado más importancia a los aspectos biológicos dellodo, que a los físicos.o Sin embargo el problema económico que se tiene con el manejo ydisposición de los lodos es debido a sus características físicas.o A continuación se presentan las características físicas másrelevantes divididas en tres secciones: Concentración desólidos, sedimentación y distribución de la humedad.
  16. 16. Concentración de sólidos. Gravedad específica. Sólidos totales. Sólidos disueltos. Sólidos suspendidos totales.Sedimentación. Volumen de lodo sedimentado. Zona de sedimentación. Índice de volumen de lodos.Distribución de la humedad.
  17. 17.  Sólidos totales: Se refiere a la suma de la materia sólida suspendida ydisuelta en el lodo residual. Sólidos disueltos: Los sólidos suspendidos son una fracción de los sólidostotales y son identificados porque es la porción del aguaresidual que es capaz de atravesar un filtro estándar (conaberturas de 2nm o menores) Sólidos suspendidos totales: Los sólidos suspendidos son una fracción de los sólidos totales yson identificados porque es la porción del agua residual que no escapaz de atravesar un filtro estándar (con aberturas de 2nm omenores).
  18. 18. Volumen de lodo sedimentado: Esta prueba se utiliza para determinar la tasa del flujo de retorno enlodos y para saber cuándo desecharlo. Consiste en una prueba deprecipitación que se realiza en un cilindro graduado de un litro, serevuelve la muestra y se deja estática durante 30 min.Índice de volumen de lodos: El índice de volumen de lodos se refiere a la cantidad de volumende lodo ocupado por un gramo de sólidos. Para poder obtener este índice es necesario haber realizado dosmediciones previas, el volumen de lodo sedimentado y el peso delos sólidos suspendidos totales.
  19. 19.  Diferentes fuerzas de retención resultan entre los sólidos y el aguaen el lodo. El agua interna del lodo está incluida en las partículas individuales.Ésta solo puede ser removida rompiendo la membrana de laspartículas . El agua externa es la que se encuentra en las capas exteriores delas partículas (adsorción) y la que se encuentra entre las partículas(capilaridad intersticial).
  20. 20. Categoría Volumen ocupado (%)Agua libre 75Agua en los flóculos 20Agua de capilaridad 2Agua en partículas 2.5Sólidos 0.5Total: 100Tabla 4. Distribución del agua en lodos digeridos.(Fuente: Vesilind, 1975)
  21. 21. Tratamiento de lodos. Digestión.• Degradación de la materia orgánica hasta detener reacciones químicas ybioquímicas. Acondicionamiento.• Tratamientos para mejorar eficiencia en espesamiento y deshidratación. Espesamiento.• Concentración de sólidos, hasta un 15%. Deshidratación.• Remoción de humedad por medios artificiales. Secado.
  22. 22.  Remoción de humedad por medios naturales. Se basa en el uso de lechos de secado. La remoción de humedad en éstos depende defactores internos y externos. Factores externos: temperatura, humedad relativa, velocidad del aire yrelación entre substancia a secar y las corrientes de aire
  23. 23.  Comportamiento general de los lodos residuales durante elproceso de secado (bajo condiciones constantes).Humedad El proceso cuenta con un período constante y otro que va en decremento. La razón de secado constante concluye cuando el lodo obtiene un 75% dehumedad y el primer decremento termina cuando el lodo tieneaproximadamente 50%; los factores externos intervienen en estos lapsos.
  24. 24.  A partir del segundo punto crítico, la llegada del agua a la superficie esmenor que la tasa de evaporación. Los factores que afectan al grado de secado en este periodo son los que afectanal movimiento de la humedad dentro del material, como la naturaleza física yquímica del lodo. El primer punto crítico nos indica la cantidad de agua que puedeescurrir, el agua libre. El agua entre ambos puntos críticos representa el agua intersticial,adherida por fuerzas capilares. Debajo del segundo punto crítico se encuentra el agua interna.
  25. 25.  Los métodos tradicionales para la disposición final de lodos sonlos rellenos sanitarios, composteo e incineración. Rellenos sanitarios y composteo: métodos menos estrictos paradisposición final de lodos (aceptan lodo con menos del 60% de humedad)*. Wang y col. (2009) indican que el decremento de consumo deenergía necesaria para deshidratar el lodo a un 50% dehumedad, ha sido la clave para una disposición final segura yeconómica.*Según estándares nacionales chinos.(Ministerio de Vivienda y Departamento Urbano-Rural en China, 2009)
  26. 26. Mes Mínima MáximaDías conlluviaPrecipitación(mm)Enero 17°C 31°C 4 38Febrero 17°C 32°C 3 32Marzo 18°C 34°C 3 25Abril 20°C 35°C 2 25Mayo 21°C 36°C 5 72Junio 21°C 35°C 10 143Julio 21°C 35°C 13 171Agosto 21°C 35°C 13 139Septiembre 21°C 34°C 14 174Octubre 21°C 33°C 10 123Noviembre 19°C 32°C 6 61Diciembre 17°C 31°C 5 4888 1051Fuente: Servicio Meteorológico Nacional, México.Datos registrados en el periodo 1971–2000Los días asoleados son : 277 días
  27. 27.  Planta de lodos activados (aeración extendida). Criba gruesa. Canal de desarenación. Criba fina. Zona anóxica. Tanque de aireación. Tanque sedimentador. Tanque de contacto de cloro. Tanque digestor (aerobio) de lodos. Lechos de secado.
  28. 28.  Equipo para monitoreo de datos meteorológicos. Digi-Sense 12-channel scanning thermocouple thermometer, ColeParmer. USB-502-LCD, humidity and temperature data logger. Datos proporcionados por la CONAGUA.
  29. 29.  Caracterización física del lodo utilizado para losexperimentos. Prueba de sedimentabilidad. Índice de volumen de lodos.
  30. 30. Experimento 1 Dos ventiladores interiores Un extractor (1550 rpm, 1/40 HP, 930 m3/hora) Ventana
  31. 31. • Factores que intervinieron en el experimento 1
  32. 32.  Los ventiladores y extractor fueron controlados por uninterruptor programable. (Legrand, modelo MaxiRex 4QTB)
  33. 33. Horario ConfiguraciónDe 10:00am a 2:00pmEncendido y apagado enintervalos de 30 minutosDe 2:00pm a 3:00pmEncendido sininterrupción.De 3:00pm a 5:00pmEncendido y apagado enintervalos de 30 minutosDe 5:00pm a 10:00am ApagadoConfiguración en los primeros 5 días (11 – 16 Mayo del 2012)Configuración en los siguientes 15 días (17 Mayo – 1 Junio del 2012)Horario ConfiguraciónDe 10:00am a 7:00pmEncendido durante 10 minutosy apagado de 20 minutosDe 7:00pm a 3:00amEncendido durante 10 minutosy apagado de 30 minutos
  34. 34. Configuración en los últimos 20 días (1 Junio – 20 Junio del 2012)Horario ConfiguraciónDe 8:00am a 6:00pmEncendido y apagado enintervalos de 10 minutosDe 6:00pm a 11:00pmEncendido durante 20 minutos yapagado de 10 minutosDe 11:00pm a 2:00amEncendido durante 10 minutos yapagado de 20 minutosDe 2:00am a 5:00am ApagadoDe 5:00am a 8:00amEncendido durante 10 minutos yapagado de 20 minutosEl experimento llega a su fin cuando el lodo de ambos lechos alcanza unaapariencia y consistencia sólida (50% - 60% de humedad)
  35. 35. Experimento 2o Cambios respecto al experimento 1:1. Sustitución de la ventana por extractor.2. Cambio en la granulometría de los filtros paraescurrimiento.
  36. 36. • Factores que intervinieron en el experimento 2
  37. 37. Configuración del interruptor durante el experimento 2 (1 Agosto – 22Agosto del 2012)Horario ConfiguraciónDe 5:00am a 6:00pm Encendido y apagado en intervalosde 30 minutosDe 6:00pm a 8:00pm ApagadoDe 8:00pm a 1:00am Encendido durante 30 minutos ydescanso de 50 minutosDe 1:00am a 5:00am Apagado
  38. 38. Experimento 3o El experimento 3 fue realizado con las mismascaracterísticas que el experimento 2.
  39. 39. a) Muestreo previo al vertido de lodos en cadaexperimento.b) Muestreo de lodo líquido.c) Muestreo de lodo semi-sólido.d) Muestreo de lodo sólido.
  40. 40.  Se efectuaron mediciones de sólidos totales ysólidos volátiles totales tres veces por semanadurante la duración de los experimentos.
  41. 41.  Los datos meteorológicos registrados setabularon y graficaron en Microsoft Excel. Con los datos obtenidos en laboratorio se aplicaronlas fórmulas correspondientes y se obtuvieron losvalores de Sólidos Totales y Sólidos VolátilesTotales, se tabularon y graficaron.
  42. 42. Experimento No.Sólidostotales(mg/L)Lodosedimentado(ml/L)Índice devolumen delodo(SVI)Experimento 1 6930 805 116.16Experimento 2 9410 940 99.89Experimento 3 9475 930 98.15Resultados de la caracterización de lodos previo a cada experimento.Para conocer la eficiencia de secado se tabularon los datos de Sólidostotales, Sólidos volátiles totales y porcentaje de humedad con respecto altiempo.Para que el experimento se considere satisfactorio se tomaron comoparámetros los valores indicados por los estándares chinos.
  43. 43. TiempoLecho abierto Lecho cerradoConcentración (%) Humedadcontenida(%)Concentración (%) Humedadcontenida(%)Mes Fecha DíaST-L.A.-g/kgSVT-L.A.-g/kgST-L.C.-g/kgSVT-L.C.-g/kgMayo14-may 0 0.8% 0.3% 99.2% 0.7% 0.3% 99.3%16-may 2 1.3% 0.5% 98.7% 0.9% 0.3% 99.1%18-may 4 1.1% 0.4% 98.9% 1.1% 0.4% 98.9%21-may 7 1.0% 0.4% 99.0% 1.2% 0.3% 98.8%28-may 14 1.9% 0.7% 98.1% 2.8% 0.9% 97.2%30-may 16 3.7% 1.1% 96.3% 3.3% 1.1% 96.7%Junio01-jun 18 3.0% 1.1% 97.0% 3.6% 1.1% 96.4%05-jun 22 4.0% 2.6% 96.0% 2.6% 1.3% 97.4%08-jun 25 5.8% 4.2% 94.2% 4.5% 3.0% 95.5%11-jun 28 13.3% 11.1% 86.7% 11.8% 9.6% 88.2%13-jun 30 10.9% 9.0% 89.1% 24.1% 20.7% 75.9%15-jun 32 27.7% 5.4% 72.3% 8.0% 5.3% 92.0%18-jun 35 27.9% 16.6% 72.1% 18.9% 12.5% 81.1%20-jun 37 22.2% 13.7% 77.8% 22.8% 14.2% 77.2%26-jun 43 22.9% 14.0% 77.1% 32.7% 19.5% 67.3%29-jun 46 66.3% 35.0% 33.7% 89.4% 47.2% 10.6%
  44. 44. TiempoLecho abierto Lecho cerradoConcentración (%)Contenidodehumedad(%)Concentración (%)Contenidodehumedad(%)Mes Fecha DíaST-L.A-g/kgSVT-L.A.-g/kgST-L.C.-g/kgSVT-L.C.-g/kgAgosto06-ene 1 1.0% 0.3% 99.00% 1.0% 0.3% 99.00%10-ene 5 2.7% 0.9% 97.30% 4.7% 1.2% 95.30%14-ene 9 4.5% 1.3% 95.60% 10.6% 1.6% 89.40%17-ene 12 3.1% 0.9% 97.00% 6.7% 1.5% 93.30%20-ene 15 6.6% 1.8% 93.50% 9.0% 2.6% 91.00%22-ene 17 22.8% 3.0% 77.20% 21.3% 3.5% 78.80%24-ene 19 22.4% 4.1% 77.60% 27.4% 4.8% 72.60%27-ene 22 38.2% 13.2% 61.80% 51.2% 20.3% 48.80%
  45. 45. TiempoLecho abierto Lecho cerradoConcentración (%) Contenidodehumedad(%)Concentración (%)Contenidodehumedad(%)Mes Fecha DíaST-L.A.-g/kgSVT-L.A.-g/kgST-L.C.-g/kgSVT-L.C.-g/kgSeptiembre04-sep 0 1.0% 0.3% 99.0% 0.99% 0.3% 99.0%06-sep 2 2.1% 0.6% 97.9% 5.1% 1.1% 94.9%10-sep 6 3.7% 1.1% 96.3% 7.5% 2.2% 92.4%12-sep 8 5.1% 1.3% 94.9% 7.37% 2.1% 92.6%14-sep 10 6.6% 1.7% 93.4% 9.1% 2.7% 91.0%18-sep 14 18.1% 2.4% 81.9% 20.8% 3.4% 79.2%21-sep 17 21.3% 3.7% 78.7% 27.3% 4.6% 72.7%24-sep 20 27.9% 10.5% 72.1% 46.1% 18.9% 53.9%26-sep 22 29.4% 11.5% 71.0% 49.8% 20.8% 50.2%28-sep 24 28.1% 11.4% 71.9% 54.6% 21.1% 45.3%Octubre02-oct 28 30.2% 11.6% 69.9% 59.3% 29% 40.7%03-oct 30 - - - 76.9% 45.1% 23.1%22-oct 49 84.6% 46.4% 15.4% 89.4% 48.5% 10.6%
  46. 46. 0.00000.10000.20000.30000.40000.50000.60000.70000.80000.90001.00000 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48STL.A.gr/KgSVTL.A,gr/KgSTL.C.gr/KgSVTL.C,gr/KgEXPERIMENTO 1
  47. 47. 0.00000.10000.20000.30000.40000.50000.60000.70000.80000.90001.00000 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48STL.A.gr/KgSVTL.A,gr/KgSTL.C.gr/KgSVTL.C,gr/Kg
  48. 48. 0.00000.10000.20000.30000.40000.50000.60000.70000.80000.90001.00000 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48STL.A.gr/KgSVTL.A,gr/KgSTL.C.gr/KgSVTL.C,gr/Kg
  49. 49. 0.00000.10000.20000.30000.40000.50000.60000.70000.80000.90001.00000 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48STL.A.gr/KgSVTL.A,gr/KgSTL.C.gr/KgSVTL.C,gr/Kg
  50. 50. 0.00000.10000.20000.30000.40000.50000.60000.70000.80000.90001.00000 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48STL.A.gr/KgSVTL.A,gr/KgSTL.C.gr/KgSVTL.C,gr/KgEXPERIMENTO 1
  51. 51. 0.00000.10000.20000.30000.40000.50000.60000.70000.80000 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26STL.A.gr/KgSVTL.A,gr/KgSTL.C.gr/KgSVTL.C,gr/KgEXPERIMENTO 2
  52. 52. 0.00000.10000.20000.30000.40000.50000.60000.70000.80000 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26STL.A.gr/KgSVTL.A,gr/KgSTL.C.gr/KgSVTL.C,gr/KgEXPERIMENTO 2
  53. 53. 0.00000.10000.20000.30000.40000.50000.60000.70000.80000 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26STL.A.gr/KgSVTL.A,gr/KgSTL.C.gr/KgSVTL.C,gr/KgEXPERIMENTO 2
  54. 54. 0.00000.10000.20000.30000.40000.50000.60000.70000.80000 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26STL.A.gr/KgSVTL.A,gr/KgSTL.C.gr/KgSVTL.C,gr/KgEXPERIMENTO 2
  55. 55. 0.00000.10000.20000.30000.40000.50000.60000.70000.80000 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26STL.A.gr/KgSVTL.A,gr/KgSTL.C.gr/KgSVTL.C,gr/KgEXPERIMENTO 2
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  57. 57. 0.00000.10000.20000.30000.40000.50000.60000.70000.80000.90001.00000 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32STL.A.gr/KgSVTL.A,gr/KgSTL.C.gr/KgSVTL.C,gr/KgEXPERIMENTO 3
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