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MATERIALES Y MÉTODOS

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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


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

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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.

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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.

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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:


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

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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

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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)

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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:


)( 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.

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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


Calcular

Velocidad y Número de Reynolds Calcular factor de fricción f

Calcular

Presión de descarga

Cabeza diferencial total Columna estática total

NPSH disponible

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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


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


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

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