Secado Solar de Lodos_tesis

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE YUCATÁN
FACULTAD DE INGENIERÍA
Tesis presentada por:
Br. Rodrigo Manuel López Ávila

 Conforme el paso del tiempo la población de Yucatán ha ido
incrementándose en gran medida.
 Las aguas residuales irán acarreando más sólidos hacia las plantas
de tratamiento.
 La contaminación no solo se da por la mala disposición de las aguas
servidas, sino que en múltiples ocasiones los lodos son desechados
al medio ambiente sin ningún manejo previo a su disposición final.

 Turovskiy y Mathai (2006), señalan que el manejo de los residuos
producidos 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 aire
libre, sin embargo desde 1994 el secado solar en invernaderos se
ha aplicado satisfactoriamente en Europa.
 Se propone comparar la eficiencia del secado solar de lodos entre el
método tradicional a la intemperie y el secador solar tipo
invernadero.
 Se espera que los lodos alcancen una humedad de hasta un
50%, en aproximadamente 21 días.

 Se recurre a la planta de tratamiento de aguas residuales del
fraccionamiento “Paseos de Opichén” en la ciudad de
Mérida, Yucatán.
 Se seleccionan dos lechos de secado, a uno de ellos se le adapta
una estructura metálica cubierta con plástico tipo invernadero.
 Se desarrollaron tres experimentos, en cada uno de ellos se
monitoreó la temperatura ambiental del interior y del
exterior, humedad y lluvia, se muestreó el lodo durante el tiempo de
secado para conocer el comportamiento de sus propiedades físicas
(sólidos totales y solidos volátiles totales).

 Objetivo general.
 Comparar la eficiencia de un secador solar de lodos tipo invernadero y un
secador solar de lodos expuesto a la intemperie, mediante el análisis del
clima y las características físicas del lodo, a través del proceso de secado
en ambos sistemas.
 Objetivos específicos.
1. Conocer y comparar la velocidad de secado de los lodos en ambos
lechos.
2. Medir la cantidad de sólidos totales y sólidos volátiles totales en los
lodos de ambos secadores solares durante el proceso de secado.
3. Medir la temperatura y humedad relativa dentro del secador solar de
lodos tipo invernadero y compararla con el clima de la intemperie.

 El secado de lodos solar tipo invernadero surge en Europa debido a
la problemática del clima, transporte y disposición final de los lodos
residuales.
 Otros métodos como el secado en hornos especializados o por
medios puramente mecánicos requieren de altas cantidades de
energía.
 Las empresas pioneras de esta tecnología son tres:
Thermo-System TM, Huber´s Kult TM y IST´s WendeWolf TM.

 De las tres, Thermo-SystemTM, es la que posee mayor prestigio.
Cuenta con 26 plantas de secado alrededor de Europa y más de
120 alrededor del mundo.
 El proyecto “Thermo-System” surgió en la Universidad de
Hohenheim, Alemania, y los principales objetivos fueron:
a) La reducción de la masa de lodos de aguas residuales
b) Estabilización de los lodos de aguas residuales
c) Medir la cantidad de energía consumida para el secado y estabilización
d) Demostrar, en parámetros económicos, la factibilidad del uso de la energía
solar.

 Según esta empresa, son cinco los factores decisivos para un
secado 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.

Para cubrir estos factores de manera satisfactoria, sus sistemas cuentan
con las siguientes características:
1. Cubierta
2. Ventilación interior
3. Ventanas
4. Extractores de aire
5. Piso con drenaje
6. Movimiento de lodos

 La segunda empresa mas importante es ist’s WendeWolf TM.
 El diseño de sus invernaderos cuenta con un techo que puede
abrirse y ventanas laterales.

 Para el diseño de sus secadores esta empresa toma en cuenta los
siguientes 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 cada
compartimiento, la cual ocupa todo el ancho y es capaz de remover
todo el lodo.

 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 en
zonas húmedas a menos que se tenga un sistema de circulación de
aire.

 Los sólidos removidos de las aguas residuales son conocidos como
lodos.
 Las características de los lodos dependen del origen de las aguas
donde se extrajeron.
 Se podría decir que existen tantos tipos de lodos como distintas
clases de aguas residuales.

Lodos
Porcentaje de
concentración de
sólidos
Características
Crudos primarios 4 -- 8 Mal olor, alto porcentaje de agua, color café, difícil
de secar con lechos filtrantes, es posible secarlo
por medios mecánicos.
Desecho de lodos
activados
0.5 -- 1.5 Poco olor, color café amarillento, esponjoso, con
mucha actividad biológica, difícil de secar.
De filtro de humus 3 -- 4 Esponjoso, color café y en ocasiones negro.
Digeridos
aeróbicamente 1 -- 3
Poco olor, color café amarillento, en algunas
ocasiones difícil de secar, con actividad biológica
moderada
Desechos de
aluminio 0.5 -- 1.5
Color amarillo grisáceo, sin olor, muy difícil de
secar.
Tabla 1. Tipos de lodos y sus características.
(Fuente: Vesilind, 1975)

 Características físicas y químicas del lodo.
 Características químicas:
o Son de suma importancia para poder aclarar el efecto de la
disposición final en el medio ambiente o en la consideración de las
posibles alternativas de reutilización.
 Características físicas:
o Se le ha dado más importancia a los aspectos biológicos del
lodo, que a los físicos.
o Sin embargo el problema económico que se tiene con el manejo y
disposición de los lodos es debido a sus características físicas.
o A continuación se presentan las características físicas más
relevantes divididas en tres secciones: Concentración de
sólidos, sedimentación y distribución de la humedad.

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.

 Sólidos totales:
 Se refiere a la suma de la materia sólida suspendida y
disuelta en el lodo residual.
 Sólidos disueltos:
 Los sólidos suspendidos son una fracción de los sólidos
totales y son identificados porque es la porción del agua
residual que es capaz de atravesar un filtro estándar (con
aberturas de 2nm o menores)
 Sólidos suspendidos totales:
 Los sólidos suspendidos son una fracción de los sólidos totales y
son identificados porque es la porción del agua residual que no es
capaz de atravesar un filtro estándar (con aberturas de 2nm o
menores).

Volumen de lodo sedimentado:
 Esta prueba se utiliza para determinar la tasa del flujo de retorno en
lodos y para saber cuándo desecharlo. Consiste en una prueba de
precipitación que se realiza en un cilindro graduado de un litro, se
revuelve 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 volumen
de lodo ocupado por un gramo de sólidos.
 Para poder obtener este índice es necesario haber realizado dos
mediciones previas, el volumen de lodo sedimentado y el peso de
los sólidos suspendidos totales.

 Diferentes fuerzas de retención resultan entre los sólidos y el agua
en el lodo.
 El agua interna del lodo está incluida en las partículas individuales.
Ésta solo puede ser removida rompiendo la membrana de las
partículas .
 El agua externa es la que se encuentra en las capas exteriores de
las partículas (adsorción) y la que se encuentra entre las partículas
(capilaridad intersticial).

Categoría Volumen ocupado (%)
Agua libre 75
Agua en los flóculos 20
Agua de capilaridad 2
Agua en partículas 2.5
Sólidos 0.5
Total: 100
Tabla 4. Distribución del agua en lodos digeridos.
(Fuente: Vesilind, 1975)

Tratamiento de lodos.
 Digestión.
• Degradación de la materia orgánica hasta detener reacciones químicas y
bioquímicas.
 Acondicionamiento.
• Tratamientos para mejorar eficiencia en espesamiento y deshidratación.
 Espesamiento.
• Concentración de sólidos, hasta un 15%.
 Deshidratación.
• Remoción de humedad por medios artificiales.
 Secado.

 Remoción de humedad por medios naturales.
 Se basa en el uso de lechos de secado.
 La remoción de humedad en éstos depende de
factores internos y externos.
 Factores externos: temperatura, humedad relativa, velocidad del aire y
relación entre substancia a secar y las corrientes de aire

 Comportamiento general de los lodos residuales durante el
proceso 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% de
humedad y el primer decremento termina cuando el lodo tiene
aproximadamente 50%; los factores externos intervienen en estos lapsos.

 A partir del segundo punto crítico, la llegada del agua a la superficie es
menor que la tasa de evaporación.
 Los factores que afectan al grado de secado en este periodo son los que afectan
al movimiento de la humedad dentro del material, como la naturaleza física y
química del lodo.
 El primer punto crítico nos indica la cantidad de agua que puede
escurrir, 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.

 Los métodos tradicionales para la disposición final de lodos son
los rellenos sanitarios, composteo e incineración.
 Rellenos sanitarios y composteo: métodos menos estrictos para
disposición final de lodos (aceptan lodo con menos del 60% de humedad)*.
 Wang y col. (2009) indican que el decremento de consumo de
energía necesaria para deshidratar el lodo a un 50% de
humedad, ha sido la clave para una disposición final segura y
económica.
*Según estándares nacionales chinos.
(Ministerio de Vivienda y Departamento Urbano-Rural en China, 2009)

Mes Mínima Máxima
Días con
lluvia
Precipitación
(mm)
Enero 17°C 31°C 4 38
Febrero 17°C 32°C 3 32
Marzo 18°C 34°C 3 25
Abril 20°C 35°C 2 25
Mayo 21°C 36°C 5 72
Junio 21°C 35°C 10 143
Julio 21°C 35°C 13 171
Agosto 21°C 35°C 13 139
Septiembre 21°C 34°C 14 174
Octubre 21°C 33°C 10 123
Noviembre 19°C 32°C 6 61
Diciembre 17°C 31°C 5 48
88 1051
Fuente: Servicio Meteorológico Nacional, México.
Datos registrados en el periodo 1971–2000
Los días asoleados son : 277 días

 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.

 Equipo para monitoreo de datos meteorológicos.
 Digi-Sense 12-channel scanning thermocouple thermometer, Cole
Parmer.
 USB-502-LCD, humidity and temperature data logger.
 Datos proporcionados por la CONAGUA.

 Caracterización física del lodo utilizado para los
experimentos.
 Prueba de sedimentabilidad.
 Índice de volumen de lodos.

Experimento 1
 Dos ventiladores interiores
 Un extractor (1550 rpm, 1/40 HP, 930 m3/hora)
 Ventana


• Factores que intervinieron en el experimento 1

 Los ventiladores y extractor fueron controlados por un
interruptor programable. (Legrand, modelo MaxiRex 4QTB)

Horario Configuración
De 10:00am a 2:00pm
Encendido y apagado en
intervalos de 30 minutos
De 2:00pm a 3:00pm
Encendido sin
interrupción.
De 3:00pm a 5:00pm
De 5:00pm a 10:00am Apagado
Configuración en los primeros 5 días (11 – 16 Mayo del 2012)
Configuración en los siguientes 15 días (17 Mayo – 1 Junio del 2012)
De 10:00am a 7:00pm
Encendido durante 10 minutos
y apagado de 20 minutos
De 7:00pm a 3:00am
Encendido durante 10 minutos
y apagado de 30 minutos

Configuración en los últimos 20 días (1 Junio – 20 Junio del 2012)
De 8:00am a 6:00pm
De 6:00pm a 11:00pm
Encendido durante 20 minutos y
apagado de 10 minutos
De 11:00pm a 2:00am
De 2:00am a 5:00am Apagado
De 5:00am a 8:00am
El experimento llega a su fin cuando el lodo de ambos lechos alcanza una
apariencia y consistencia sólida (50% - 60% de humedad)

Experimento 2
o Cambios respecto al experimento 1:
1. Sustitución de la ventana por extractor.
2. Cambio en la granulometría de los filtros para
escurrimiento.

• Factores que intervinieron en el experimento 2

Configuración del interruptor durante el experimento 2 (1 Agosto – 22
Agosto del 2012)
De 5:00am a 6:00pm Encendido y apagado en intervalos
de 30 minutos
De 6:00pm a 8:00pm Apagado
De 8:00pm a 1:00am Encendido durante 30 minutos y
descanso de 50 minutos
De 1:00am a 5:00am Apagado

Experimento 3
o El experimento 3 fue realizado con las mismas
características que el experimento 2.

a) Muestreo previo al vertido de lodos en cada
experimento.
b) Muestreo de lodo líquido.
c) Muestreo de lodo semi-sólido.
d) Muestreo de lodo sólido.

 Se efectuaron mediciones de sólidos totales y
sólidos volátiles totales tres veces por semana
durante la duración de los experimentos.

 Los datos meteorológicos registrados se
tabularon y graficaron en Microsoft Excel.
 Con los datos obtenidos en laboratorio se aplicaron
las fórmulas correspondientes y se obtuvieron los
valores de Sólidos Totales y Sólidos Volátiles
Totales, se tabularon y graficaron.

Experimento No.
Sólidos
totales
(mg/L)
Lodo
sedimentado
(ml/L)
Índice de
volumen de
lodo
(SVI)
Experimento 1 6930 805 116.16
Experimento 2 9410 940 99.89
Experimento 3 9475 930 98.15
Resultados de la caracterización de lodos previo a cada experimento.
Para conocer la eficiencia de secado se tabularon los datos de Sólidos
totales, Sólidos volátiles totales y porcentaje de humedad con respecto al
tiempo.
Para que el experimento se considere satisfactorio se tomaron como
parámetros los valores indicados por los estándares chinos.

Tiempo
Lecho abierto Lecho cerrado
Concentración (%) Humedad
contenida
(%)
Concentración (%) Humedad
contenida
(%)Mes Fecha Día
ST-L.A.-
g/kg
SVT-L.A.-
g/kg
ST-L.C.-
g/kg
SVT-L.C.-
g/kg
Mayo
14-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%
Junio
01-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%

Tiempo
Concentración (%)
Contenido
de
humedad
(%)
Concentración (%)
Contenido
de
humedad
(%)
Mes Fecha Día
ST-L.A-
g/kg
SVT-L.A.-
g/kg
ST-L.C.-
g/kg
SVT-L.C.-
g/kg
Agosto
06-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%

Tiempo
Concentración (%) Contenido
de
humedad
(%)
Concentración (%)
Contenido
de
humedad
(%)
Mes Fecha Día
ST-L.A.-
g/kg
SVT-L.A.-
g/kg
ST-L.C.-
g/kg
SVT-L.C.-
g/kg
Septiembre
04-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%
Octubre
02-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%

0.0000
0.1000
0.2000
0.3000
0.4000
0.5000
0.6000
0.7000
0.8000
0.9000
1.0000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48
ST
L.A.
gr/Kg
SVT
L.A,
gr/Kg
ST
L.C.
gr/Kg
SVT
L.C,
gr/Kg
EXPERIMENTO 1

0.0000
0.1000
0.2000
0.3000
0.4000
0.5000
0.6000
0.7000
0.8000
0.9000
1.0000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48
ST
L.A.
gr/Kg
SVT
L.A,
gr/Kg
ST
L.C.
gr/Kg
SVT
L.C,
gr/Kg

0.0000
0.1000
0.2000
0.3000
0.4000
0.5000
0.6000
0.7000
0.8000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
ST
L.A.
gr/Kg
SVT
L.A,
gr/Kg
ST
L.C.
gr/Kg
SVT
L.C,
gr/Kg
EXPERIMENTO 2

0.0000
0.1000
0.2000
0.3000
0.4000
0.5000
0.6000
0.7000
0.8000
0.9000
1.0000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
ST
L.A.
gr/Kg
SVT
L.A,
gr/Kg
ST
L.C.
gr/Kg
SVT
L.C,
gr/Kg
EXPERIMENTO 3

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