Post on 06-Feb-2018
MATERIALES Y MÉTODOS
71
44.. MMAATTEERRIIAALLEESS YY MMÉÉTTOODDOOSS
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
MATERIALES Y MÉTODOS
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, ft3 12.5
Volumen Cámara, ft3 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
MATERIALES Y MÉTODOS
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 m3).
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
MATERIALES Y MÉTODOS
4.3 Construcción de Lecho de secado
El lecho de secado utilizado en el presente trabajo tiene las siguientes
dimensiones:
Ancho: 50 cm
Longitud: 70 cm
Altura: 50 cm
Área: 0.35 m2
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
MATERIALES Y MÉTODOS
4.4 Gravilla y Grava
Se utilizo gravilla #3 y grava para construcción como camas del lecho de
secado,
Figura 4.7 Grava utilizada como base para el lecho de secado
Figura 4.8 Gravilla #3 utilizada para el lecho de secado
75
MATERIALES Y MÉTODOS
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
MATERIALES Y MÉTODOS
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
MATERIALES Y MÉTODOS
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
MATERIALES Y MÉTODOS
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
MATERIALES Y MÉTODOS
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
MATERIALES Y MÉTODOS 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
MATERIALES Y MÉTODOS
82
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:
MATERIALES Y MÉTODOS
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.
10021 xW
WWH −= (Ec. 4.1)
Donde:
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
MATERIALES Y MÉTODOS
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
MATERIALES Y MÉTODOS 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:
osólidokgaguadetotaleskg
WWW
Xs
st ´sec´
´´´=
−= (Ec. 4.2)
Donde:
Xt = Humedad en el tiempo t, kg totales agua/ kg sólido seco
W = peso del sólido húmedo, kg totales de agua
Ws = 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 Xt:
*XXX t −= (Ec. 4.3)
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:
dtdX
AL
R s−= (Ec. 4.4)
85
MATERIALES Y MÉTODOS
86
Donde:
R = velocidad de secado, kg H2O/dia m2
Ls = kg sólido seco usado, kg
A = área superficial expuesta al secado, m2
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 X1 hasta alcanzar un contenido de humedad
X2 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, Rc (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:
MATERIALES Y MÉTODOS
)( 21 XXARL
tc
s −= (Ec. 4.5)
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 X1 y X2, mediante
la ecuación siguiente:
∫=1
2
X
X
s
RdX
AL
t (Ec. 4.6)
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.
87
PPRROOCCEEDDIIMMIIEENNTTOO DDEE C CÁÁLLCCUULLOO DDEE PPOOTTEENNCCIIAA DDEE
BBOOMMBBAA
Determinar el tipo de accesorios así como la
cantidad
Especificar (para succión y descarga)
•Densidad
•Viscosidad •Gravedad específica • Presión de vapor •Diámetro interno
•Flujo
•Altura(-) o columna(+) de succión •Rugosidad absoluta
•Longitud
Calcular
Pérdidas por fricción
MATERIALES Y MÉTODOS
Calcular
Velocidad y Número de Reynolds Calcular factor de fricción f
Calcular
Presión de descarga
Cabeza diferencial total Columna estática total
NPSH disponible
88
Especificar
Eficiencia de bomba
Calcular
Potencia de bomba
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE FILTRO PRENSA
4.16 Diseño de Filtro Prensa
A continuación de muestra un esquema con el procedimiento de diseño del 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
Calcular
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
MATERIALES Y MÉTODOS
Especificar
Volumen de cámara Número de cámaras
Calcular
89
Volumen del filtro prensa Tiempo de ciclo
Número de ciclos por día
Calcular
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
Calcular
Tiempo de llenado del lecho de secado
Calcular
Tiempo de secado requerido Tiempo total (llenado + operación)
Especificar
Flujo de lodo Profundidad de lodo aplicado
Sólidos iniciales Tasa de evaporación
Lluvia por mes Sólidos después de td días Contenido final de sólidos
Longitud, ancho y alto del lecho
Calcular
Área superficial requerida Número de camas
MATERIALES Y MÉTODOS
Calcular
Volumen de aire requerido para evaporar el contenido de humedad del lodo
Calcular
Volumen de arena y grava requerida Tamaño y longitud de tubería
Requerimientos de operación y mantenimiento
90