EVALUACIÓN DE LA RESISTENCIA ESPECÍFICA A LA FILTRACIÓN Y PORCIENTO DE HUMEDAD EN LA DESHIDRATABILIDAD DE LODOS DE PLANTAS POTABILIZADORAS Laura Olivia Olivia Sánchez Guzmán, Luciano Sandoval Yoval, Martín Piña Soberanis y Leticia Leti cia Montellano Palacios Instituto Mexicano de Tecnología del Agua Paseo Cuauhnáhuac No. 8532, Col. Progreso. Jiutepec, Morelos. C.P. 62550 Tel. (73) 19-42-99, (73) 19-40-00 ext. 433, fax (73) 19-43-81 E-mail:
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RESUMEN La deshidratación de lodos de plantas potabilizadoras mediante lechos de secado de arena (LSA) ocurre a través de dos mecanismos: filtración y evaporación del agua. Para estudiar estos mecanismos se trabajó con dos parámetros: resistencia específica a la filtración (REF) y porcentaje de humedad (% H). Estos parámetros se evaluaron en lodos provenientes de diferentes tratamientos en donde se obtienen las siguientes muestras: lodo homogéneo espesado (LHE); lodo homogéneo espesado acondicionado (LHEA), en este tratamiento se utilizaron tres polímeros (aniónico, catiónico y no iónico) y lodo homogéneo espesado acondicionado acidificado (LHEAA), con la finalidad de seleccionar un tratamiento previo antes de deshidratar el lodo. La REF fue más baja en el LHEA, pero la evaporación más lenta, por lo tanto, es conveniente deshidratar el lodo mediante LSA; sin embargo, si el objetivo es recuperar el coagulante, entonces la evaporación del lodo será más rápida y la filtrabilidad más lenta.
1. INTRODUCCIÓN 1.1 Factores que caracterizan las propiedades del lodo Es necesario conocer para su tratamiento posterior, las características que definirán la capacidad de deshidratación y filtración de los lodos. Existen varios parámetros que
influyen en la deshidratabilidad, éstos se han clasificado en características físicas y químicas, a continuación se detallan cada una de éstas. 1.1.1 Características físicas
Algunas pruebas que definen las características del lodo pueden ser usadas como ayuda en la selección de un proceso de deshidratación y para determinar las dosis de acondicionamiento. Las dos pruebas principales son: la resistencia específica a la filtración y el tiempo a la filtración. 1.1.1.1 Resistencia específica a la filtración (REF) Es la resistencia que opone a la filtración una cantidad de lodo depositada en un área de la superficie filtrante. Esta prueba tiene gran utilidad para comparar las características de filtración de distintos lodos provenientes de plantas potabilizadoras y determinar las necesidades de tratamiento para producir una torta que ofrezca mínima resistencia y optimizar el funcionamiento de la deshidratabilidad del lodo. En el laboratorio, la prueba consiste en la filtración de un volumen (V) dado de lodo bajo una presión de vacío hasta que la torta es formada y no se puede filtrar más, posteriormente se quiebra como resultado de una caída de presión (∆P). Un aparato sencillo de embudo Büchner es el método más utilizado para determinar la REF. La REF tiene ventajas sobre otras pruebas, una de ellas es la independencia de la concentración de los sólidos en el lodo y otra es la facilidad de aplicación a cualquier tipo de lodo. El cálculo de la REF está dada por la siguiente ecuación: 2
r =
2PA b µc
(1.1)
donde: r = Resistencia específica a la filtración (cm/g)
P = Presión de vacío aplicada (dinas/cm 2 = g/cm s2) A = Área del filtro (cm2) 6 b = Pendiente (s/cm ) µ = Viscosidad del filtrado (poise = g/cm s) 3 c = Concentración de sólidos totales por volumen de filtrado (g/cm ), ver ecuación 2.3. 1.1.1.2 Tiempo a la filtración (tF) Una simplificación de la prueba de REF es el tiempo a la filtración, éste se realiza con el mismo equipo utilizado en la REF. Los únicos datos que se registran son el volumen inicial y el tiempo requerido para que se filtre la mitad del volumen utilizado.
Aunque es similar a la REF, la prueba de tF es superior en simplicidad, rapidez y facilidad de realización, sin embargo, la concentración de sólidos totales en el lodo tiene un efecto significante en los resultados. En la evaluación de lodos acondicionados, los datos son comparables cuando las concentraciones iniciales de sólidos son semejantes. No obstante, se puede realizar una corrección aproximada para concentraciones diferentes dividiendo el valor del tiempo de filtrado por la concentración de sólidos correspondientes. 1.1.2 Características químicas
El mayor constituyente de cualquier lodo de aluminio es el agua (99% aproximadamente), las cantidades del agua influyen en los requerimientos de energía específica para la separación de sólidos. Por lo anterior, es importante conocer las diferentes formas en las que se encuentra constituida el agua. El contenido de humedad en un lodo es dividida en dos categorías: humedad libre (no asociada con los sólidos), eliminable con bastante facilidad y humedad ligada. Tsang y Vesilind (1990) distinguen tres tipos de humedad ligada: intersticial, superficial y químicamente ligada. La proporción de humedad libre y ligada es determinante en la deshidratación de un lodo. Coackley y Allos (1962) estudiaron las características de secado de algunos lodos mediante curvas termogravimétricas (Figura 1.1), éstas se establecen mediante la pérdida de peso de agua, a temperatura constante. A partir de estas curvas se observó que el secado sigue tres etapas: una de periodo de velocidad constante de humedad con respecto al tiempo y posteriormente se observan dos periodos de disminución a velocidades de deshidratación diferentes.
n ó i c a r o p ) a r v h e 2 e m d / g d ( a d i c o l e V
s o d i l ó S
0
a d a g i l e t n e m a c i m í u q d a d e m u H
l a i c i f r e p u s
d a d e m u H
l a i c i t s r e t n i d a d e m u H
e r b i l d a d e m u H
Peso de la muestra
Figura 1.1 Curva de secado para identificar los tipos de humedad en el lodo
1.1.2.1 Humedad libre Representa la mayor parte del lodo y termodinámicamente se comporta como agua pura, se define como la cantidad de agua removida durante el periodo de velocidad constante. Esta humedad no está asociada a las partículas sólidas e incluye agua que no es afectada por fuerzas de capilaridad. Puede ser eliminada por espesamiento, acondicionamiento o por aplicación de una tensión mecánica frágil. 1.1.2.2 Humedad ligada Generalmente representa una pequeña proporción del agua total contenida en el lodo (menos de la tercera parte), sin embargo, en términos de masa es más grande que la fase sólida. En un lodo, la humedad ligada no se comporta como agua pura. a) Humedad instersticial Es la humedad removida durante el primer periodo de disminución de velocidad. El agua está ligada dentro de la estructura del flóculo y puede convertirse en humedad libre si éste es destruido. El ligamento se da por tensión superficial y fuerzas atractivas, el lodo está en suspensión y existe el fenómeno de capilaridad cuando la torta se forma. Esta humedad es removida por compactación y deformación de los flóculos. b) Humedad superficial Es la humedad removida durante el segundo periodo de disminución de velocidad. Múltiples capas de moléculas de agua están sujetas a la superficie de la partícula por adsorción y adhesión y puede ser removida por deshidratación mecánica. La mayor diferencia entre la humedad superficial y la intersticial es que la última es libre de moverse cuando el confinamiento físico es eliminado, mientras que la primera no está libre de moverse porque se adhiere a la superficie de la partícula sólida. c) Humedad químicamente ligada Esta humedad se fija a los sólidos por ligamentos químicos. Para su liberación se necesita una energía bastante fuerte, por ello, solo puede separarse por medios térmicos potentes tales como acondicionamiento, secado o incineración.
2. METODOLOGIA Se propuso una combinación de los siguientes tratamientos: espesamiento, acondicionamiento y acidificación (ver Figura 2.1); con la finalidad de evaluar la influencia del tipo de tratamiento y del polímero en las características de deshidratación del lodo mediante el empleo de los parámetros de resistencia específica a la filtración y porciento
de humedad, Los polímeros empleados en las pruebas (se realizaron dos muestreos, el 10/09/99 y el 11/10/99) fueron el aniónico, catiónico y no iónico. Se trabajó con el lodo homogéneo (LH) proveniente de la planta potabilizadora “Los Berros”, del sistema Cutzamala, Edo. de México. Lodo homogéneo (LH)
Lodo espesado (LHE)
Lodo acondicionado (LHEA)
Acidificación
Espesamiento
Acondicionamiento Solución recuperada (SR)
Agua Lodo espesado (LHE)
Agua
A) Espesamiento
Lodo acondicionado (LHEA)
B) Acondicionamiento
Lodo acidificado (LHEAA)
C) Acidificación
Figura 2.1 Tratamientos propuestos Las muestras obtenidas de los diferentes tratamientos fueron las siguientes: Tratamiento A: LHE Tratamiento B: LHEA (polímero aniónico), LHEA (polímero catiónico) y LHEA (polímero no iónico) • Tratamiento C: LHEAA (polímero aniónico), LHEAA (polímero catiónico) y LHEAA (polímero no iónico) • •
a cada una de las cuales (incluyendo el LH) se les determinaron los parámetros que a continuación se describen.
2.1 Resistencia específica a la filtración y porciento de humedad Para estudiar los mecanismos de deshidratación en los diferentes lodos a través de lechos de secado de arena, se seleccionó la REF, el tF y el % H para conocer la filtrabilidad y evaporación del agua retenida en el lodo. A continuación se presenta la metodología utilizada para la medición de estos parámetros. 2.1.1 Resistencia específica a la filtración
2.1.1.1 Equipo y material a) Aparato
de REF montado como se muestra en la Figura 2.2. Consta principalmente de un embudo Büchner de 9 cm de diámetro y una probeta graduada de 250 mL b) Bomba de vacío
c) d)
Papel filtro de celulosa (Whatman No. 1 o equivalente), con una retención de 8 µm Cronómetro Papel filtro
Embudo Buchner
Bomba de vacío Adaptador 250 230 210
Conexión para vacío
190 170 150
Probeta graduada de 250 ml
Indicador de presión
130 110 90 70 50 30
Figura 2.2 Dispositivo para determinar la REF 2.1.1.2 Procedimiento a) b)
Se determinaron los sólidos totales (ST) de la muestra inicial de lodo. Se determinó el porciento de humedad del lodo ( c i ) a partir de la siguiente ecuación: % de humedad del lodo (c i )= [(1000-ST)/1000]*100
(2.1)
Se pesó el papel filtro que se utilizó para cada prueba. Se colocó el papel filtro dentro del embudo Büchner y se humedeció. Se ajustó la presión de la bomba vacío entre 400 a 500 mm de Hg. Se midió un volumen dado de lodo (generalmente 100 mL) y se vació cuidadosamente al embudo Büchner, al mismo tiempo se inició el registro del tiempo de filtración utilizando un cronómetro. g) Se registró el tiempo a volúmenes de filtrado prefijados y la presión aplicada hasta observar que la torta empezó a agrietarse. h) Se realizó un gráfico con los resultados obtenidos de la relación tiempo/volumen de filtrado (t /V) en función del volumen de filtrado y se obtuvo la pendiente (b ). i) Se determinó el porciento de humedad (c f ) de los sólidos retenidos en el papel filtro (torta) con la siguiente ecuación: c) d) e) f)
% humedad de la torta ( c f )= [(STH-STS)/STH]*100 donde: STH = Sólidos en la torta húmeda STS = Sólidos en la torta seca
(2.2)
j) Se calculó el parámetro c mediante la siguiente ecuación: c=
k)
1 ci 100 − ci
c
− 100 f − c f
(2.3)
Se calculó r a partir de los datos anteriores utilizando la ecuación 1.1.
2.1.2 Porcentaje de humedad
2.1.2.1 Equipo y material a) Balanza de humedad b) Platillo de aluminio 2.1.2.2 Procedimiento Se colocó el platillo de aluminio dentro de la balanza y se taró a cero gramos. Se colocó en el platillo una muestra de lodo (15 a 20 g). La muestra se secó a temperatura constante (103 a 105 °C) durante tres horas. Se registró el peso del lodo a intervalos de 10 minutos hasta evaporar toda el agua. Al tiempo en que no hay pérdida de agua se le define como tiempo de secado. e) Se calculó el porcentaje de humedad a partir de la siguiente ecuación: a) b) c) d)
%H = (P i -Pt)/Pi * 100
(2.4)
donde: %H = Porciento de humedad Pi = Peso inicial de la muestra de lodo Pt= Peso del lodo a cada intervalo de tiempo f) Se realizó un gráfico de % de humedad versus tiempo de secado.
3. RESULTADOS 3.1 Resistencia específica a la filtración y porciento de humedad 3.1.1 Resistencia específica a la filtración
En las Tablas 3.1 y 3.2 se muestran los resultados de la resistencia específica a la filtración obtenidos por los cuatro tipos de lodos y los tres polímeros.
Tabla 3.1 Resultados de la resistencia específica a la filtración del 10/09/99 Muestra
ST (g/L) 1.315 15.140 23.730 32.120 29.175 49.605 66.445 46.825
LH LHE LHEA (Aniónico) LHEA (Catiónico) LHEA (No iónico) LHEAA (Aniónico) LHEAA (Catiónico) LHEAA (No iónico)
% hum. lodo % hum. torta c i
c f
99.869 98.486 97.627 96.788 97.083 95.040 93.356 95.318
84.459 64.815 66.150 66.613 65.199 49.444 45.296 60.002
c
0.00133 0.01582 0.02552 0.03554 0.03184 0.05500 0.07563 0.05303
Pendiente
r
0.0085 0.0440 0.0058 0.0051 0.0042 0.1107 0.5217 0.0438
(cm/g) 2.77E+12 1.26E+12 1.20E+11 7.81E+10 6.92E+10 1.11E+12 3.25E+12 4.05E+11
tF (s) 36 144 29 23 27 275 1028 132
Relación tF/ST 27.376 9.511 1.222 0.716 0.925 5.544 15.471 2.819
Tabla 3.2 Resultados de la resistencia específica a la filtración del 11/10/99 Muestra
ST (g/L) 2.995 30.585 40.845 56.000 56.495 104.350 98.970 88.050
LH LHE LHEA (Aniónico) LHEA (Catiónico) LHEA (No iónico) LHEAA (Aniónico) LHEAA (Catiónico) LHEAA (No iónico)
% hum. lodo % hum. torta c i
c f
99.701 96.942 95.916 94.400 94.351 89.565 90.103 91.195
79.118 62.853 63.311 65.579 57.808 45.817 52.484 50.012
c
0.00304 0.03333 0.04596 0.06688 0.06523 0.12924 0.12501 0.10688
Pendiente
r
0.0105 0.0607 0.0219 0.0520 0.0083 0.1795 0.1646 0.1465
(cm/g) 1.83E+12 9.92E+11 2.51E+11 4.27E+11 7.12E+10 7.77E+11 7.10E+11 7.26E+11
tF (s) 49 191 80 127 33 530 400 362
Relación tF/ST 16.361 6.245 1.959 2.268 0.584 5.079 4.042 4.111
Se realizaron en total 16 análisis de REF; dos de LH, dos de LHE, seis de LHEA y seis de LHEAA, los valores promedio de la REF en estos lodos fueron: 2.30E+12, 1.13E+12, 1.69E+11 y 1.16E+12 cm/g respectivamente. Por consiguiente, el intervalo de valores de REF en un lodo al cual no se le aplicó ningún tratamiento químico fue de 1.0E+12 a 3.0E+12, para un lodo acondicionado con polímero la REF estará dentro de 7.0E+10 a 4.3E+11 y en un lodo acidificado será de 4.0E+11 a 3.3E+12. 3.5E+12
) 9 0 / 0 1 ( H L
3.0E+12
2.5E+12
2.0E+12
) g / m c ( F E 1.5E+12 R
1.0E+12
o c i n ó i o N ) 9 0 / 0 1 (
5.0E+11
A E H L
o c i n ó i o N ) 0 1 / 1 1 (
o c i n ó i t a C ) 9 0 / 0 1 (
A E H L
A E H L
o c i n ó i n A ) 9 0 / 0 1 ( A E H L
o c i n ó i n A ) 0 1 / 1 1 ( A E H L
o c i n ó i o N ) 9 0 / 0 1 ( A A E H L
o c i n ó i t a C ) 0 1 / 1 1 (
o c i n ó i t a C ) 0 1 / 1 1 ( A E H L
A A E H L
o c i n ó i o N ) 0 1 / 1 1 ( A A E H L
o c i n ó i n A ) 0 1 / 1 1 ( A A E H L
) 0 1 / 1 1 ( E H L
o c i n ó i t a C ) 9 0 / 0 1 ( A A E H L
) 0 1 / 1 1 (
o c i n ó i n A ) 9 0 / 0 1 (
) 9 0 / 0 1 (
A A E H L
H L
E H L
0.0E+00 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
MUESTRAS
Gráfica 3.1 Resultados específica a la filtración
de
resistencia
En la Gráfica 3.1 se presentan los resultados de REF de tal manera que se pueden observar las muestras de menor a mayor resistencia a la filtración. A partir de ésta se establece que valores no mayores a 1.0E+11 de REF se pueden considerar como excelentes en un LHEA para ser aplicados en un LSA, mientras que para un LHEAA el valor de REF no deberá estar por arriba de 4.0E+11. Estos datos son válidos solo para el lodo proveniente de la planta potabilizadora de “Los Berros”.
Lo anterior sugiere que si se utiliza un lecho de secado de arena para deshidratar el lodo, es conveniente que éste solo se acondicione con polímero ya que presenta una menor resistencia a la filtración. Sin embargo, una desventaja es que se requerirá una mayor área de lechos de secado ya que el volumen de lodo a deshidratar será mayor en comparación con un lodo acidificado. De los tres polímeros analizados, el no iónico fue el que proporcionó las menores REF´s, en lodos acondicionados y acidificados, por lo que se considera como el polímero más adecuado a utilizar en el tratamiento de los lodos. Para facilitar el entendimiento de los resultados de REF, se realizó un análisis con respecto a las siguientes variables: relación tiempo a la filtración/sólidos totales y relación tiempo/volumen filtrado. 3.1.1.1 Relación tiempo a la filtración/sólidos totales (tF/ST) Cuando se utilizan los resultados del tF para evaluar las características de deshidratabilidad de los lodos, no se considera la concentración de ST con la que están constituidos los lodos, esto nos llevaría a comparar únicamente aquellos lodos que presenten concentraciones similares de ST. Sin embargo, mediante la utilización de la relación tF/ST se puede establecer una comparación sin ninguna restricción entre los lodos con y sin tratamiento. 3.5E+12
En la Gráfica 3.2 se observa que la relación tF/ST presenta la misma tendencia que la REF para los diferentes lodos, a excepción de dos muestras, por lo que esta relación puede ser empleada para conocer si un lodo es fácilmente deshidratable por filtración, además de facilitar el trabajo de laboratorio y los cálculos.
o c i n ó i t a C ) 9 0 / 0 1 (
) 9 0 / 0 1 (
3.0E+12
H L
A A E H L
2.5E+12
) g / m c ( F E R
o c i n ó i n A ) 9 0 / 0 1 (
2.0E+12
1.5E+12
o c i n ó i
1.0E+12
o N ) 9 0 / 0 1 ( A E H L
5.0E+11
o N ) 0 1 / 1 1 (
o c i n ó i t a C ) 9 0 / 0 1 (
A E H L
A E H L
o c i n ó i
o c i n ó i
o c i n ó i n A ) 0 1 / 1 1 ( A E H L
o c i n ó i n A ) 9 0 / 0 1 ( A E H L
o c i n ó i t a C ) 0 1 / 1 1 ( A E H L
o N ) 9 0 / 0 1 ( A A E H L
o c i n ó i
o c i n ó i t a C ) 0 1 / 1 1 (
o c i n ó i n A ) 0 1 / 1 1 (
o N ) 0 1 / 1 1 (
A A E H L
A A E H L
A A E H L
) 0 1 / 1 1 ( E H L
A A E H L
30
25
20
) 0 1 / 1 1 ( H L
) 9 0 / 0 1 ( E H L
15
T S / F t
n ó i c a l e R
10
5
0.0E+00
0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
MUESTRAS
Gráfica 3.2 Relación entre la REF y tF/ST Al igual que los resultados de REF, en la relación tF/ST también se observó que el polímero no iónico es excelente en el tratamiento de lodos. 3.1.1.2 Relación tiempo de filtración/volumen filtrado ( t /V) Cuando se realizaron los gráficos de t /V versus V para calcular la pendiente (la cual se utiliza en la ecuación 1.1 para calcular la REF), se observó que en la mayoría de los lodos solo se eliminó del 70 al 80% del agua por filtración, este valor fue determinado a partir del
cambio de pendiente en la curva. En la Tabla 3.3 se presentan los tiempos obtenidos al filtrar un volumen de lodo establecido. Tabla 3.3 Tiempos de filtración para los cuatro tipos de lodo LH
LHE
t (s) 77 126
V (mL) 80 90
t (s) 332 418
V (mL) 80 76
375
78
Promedio 102
85
Aniónico t (s) V (mL) 49 70 143 70
LHEA Catiónico t (s) V (mL) 42 70 248 70
96
145
70
70
No iónico Aniónico t (s) V (mL) t (s) V (mL) 46 70 584 70 58 70 530 50 Promedio 52 70 557 60
LHEAA Catiónico t (s) V (mL) 2900 80 940 70
No iónico t (s) V (mL) 185 60 876 78
1920
531
75
69
Utilizando los valores promedio de tiempo y volumen de filtración obtenidos de la tabla anterior se calculó el tiempo requerido para filtrar el volumen obtenido de lodo en cada tratamiento, considerando un volumen inicial de 100 mL como se muestra en la Tabla 3.4. Tabla 3.4 Tiempo requerido para filtrar cada tipo de lodo Parámetro
LH
LHE
Vinicial LH (mL) Vfinal por tratamiento (mL) Vfiltrado (mL) tF (s)
100 100
100 8.1
85 102
6.3 30.4
LHEA LHEAA Aniónico Catiónico No iónico Aniónico Catiónico No iónico 100 100 100 100 100 100 4.7 4.7 4.4 2.5 1.9 2.8 3.3 4.5
3.3 6.8
3.1 2.3
1.5 13.9
1.4 36.5
1.9 14.9
A partir de estos resultados se observó que es conveniente realizar un acondicionamiento con polímero, ya que el tiempo de filtración fue menor (4.5 segundos en promedio) con respecto a los otros tratamientos. Sin embargo, cuando se llevó a cabo la recuperación del coagulante (acidificación) como una ventaja adicional, el tiempo de filtración aumentó en un 400% aproximadamente (21.8 segundos en promedio), pero el volumen de lodo a disponer será menor. Dentro de los lodos acondicionados nuevamente el empleo del polímero no iónico fue el que proporcionó el menor tiempo de filtración. 3.1.2 Porcentaje de humedad
Se analizó el porciento de humedad a los mismos cuatro tipos de lodo con la finalidad de poder establecer que tratamiento es el adecuado antes de su deshidratación en lechos de secado de arena. Los resultados obtenidos se presentan en la Tabla 3.5.
Tabla 3.5 Resultados de las pruebas de humedad LH Fecha t (min) v (g/m2 min) 10/09/99 90 23.3 11/10/99 100 25.3 t (min) v (g/m2 min) t (min) LHEA Aniónico 10/09/99 90 19.7 90 11/10/99 110 20.0 90 LHEAA Aniónico 10/09/99 80 21.5 80 11/10/99 80 28.2 90 t = Tiempo de evaporación (minutos) v = Velocidad de evaporación (g/m2 min)
LHE Fecha t (min) v (g/m2 min) 10/09/99 90 20.5 11/10/99 90 26.5 v (g/m2 min) t (min) v (g/m2 min) Catiónico No iónico 19.5 90 19.4 24.7 90 25.8 Catiónico No iónico 20.6 70 23.6 25.2 80 29.5
De los tres polímeros utilizados el no iónico fue el que proporcionó las mayores velocidades de evaporación en un lodo acondicionado y acidificado (promedio 22.6 y 26.6 g/m2 min, respectivamente), lo que favoreció que la pérdida de agua se realizará en tiempos cortos (promedio 90 y 75 segundos, respectivamente). Para facilitar el entendimiento de los resultados de humedad, se realizó un análisis a partir de la velocidad y el tiempo de evaporación de la humedad libre y su distribución en el lodo. 3.1.2.1 Velocidad de evaporación A partir de los resultados anteriores se obtuvieron los promedios de velocidad y tiempo de evaporación para cada tipo de lodo con los que se elaboraron las siguientes gráficas. 95
25.0 24.5
) s ( N Ó I C A R O P A V E E D O P M E I T
N Ó 24.0 I C A 23.5 R O ) 23.0 n P i A m V 2 22.5 E 22.0 E m c D / g 21.5 D ( A D 21.0 I C O 20.5 L E 20.0 V
90
85
80
75
70
19.5 LH
LHE
LHEA
LHEAA
MUESTRA
Gráfica 3.3 Velocidad de evaporación
LH
LHE
LHEA
LHEAA
MUESTRA
Gráfica 3.4 Tiempo de evaporación
En la Gráfica 3.3 se observó que existe una tendencia de disminución de la velocidad conforme el lodo pierde agua a través de los diferentes tratamientos, sin embargo, cuando se realizó una acidificación, la velocidad de evaporación aumentó debido a que el agua intersticial atrapada en el flóculo (Al(OH)3-XH2O) fue liberada pasando a formar parte de la humedad libre.
3.1.2.2 Tiempo de evaporación En el LH a medida que aumentó el tiempo de evaporación se incrementó su velocidad. Sin embargo, cuando se aplicó un tratamiento de espesamiento y acondicionamiento con polímero se requirió más tiempo de secado a velocidades menores. En la acidificación la tendencia fue inversa, es decir, a menor tiempo se obtuvieron velocidades mayores (Gráfica 3.4). Utilizando los valores promedio de velocidad de evaporación obtenidos de la Tabla 3.5, se calculó el tiempo que se requiere para secar la cantidad final de lodo obtenido en cada tratamiento, considerando un peso inicial de 100 g de LH. Los resultados se muestran en la Tabla 3.6. Tabla 3.6 Tiempo requerido para secar cada tipo de lodo Parámetro
LH
LHE
Peso inicial LH (g) 100 Peso final por tratamiento (g) 100 Velocidad de evaporación 24.3 (g/m2 min) Tiempo de secado (min) 619.8 Nota. El área de secado fue de 6.64E-3 m2
Aniónico
LHEA Catiónico
100 8.1 23.5
100 4.7 19.9
100 4.7 22.1
51.9
35.6
32.0
No iónico Aniónic o 100 100 4.4 2.5 22.6 24.9 29.3
15.1
LHEAA Catiónico No iónico 100 1.9 22.9
100 2.8 26.5
12.5
15.9
El tiempo requerido para secar una muestra de 100 g de lodo homogéneo fue de 620 segundos, por ello es conveniente darle un tratamiento al lodo mediante una acidificación, ya que éste disminuyó 43 veces el tiempo requerido con respecto al lodo homogéneo para deshidratar el lodo en lechos de secado de arena. 3.1.2.3 Distribución de humedad En la Tabla 3.7 se presentan los resultados del porciento de distribución de humedad presentes en los cuatro tipos de lodos. Tabla 3.7 Resultados del porciento de distribución de humedad Fecha
10/09/99 11/10/99 LHEA 10/09/99 11/10/99 LHEAA 10/09/99 11/10/99
LH Humedad Humedad libre intersticial (H.L) (H.I.) 92.68 6.52 83.81 12.24 Aniónico H. L. H. I. H. S. 78.44 14.11 4.79 72.84 16.53 6.34 Aniónico 75.80 13.66 4.84 74.71 7.90 7.79
Humedad superficial (H.S.) 0.67 3.65
Humedad Q. ligada (H.Q.L) 0.13 0.30
H. Q. L. 2.66 4.29
H. L. 77.36 73.70
5.70 9.60
72.64 75.26
Fecha
10/09/99 11/10/99 Catiónico H. I. H. S. 13.59 6.85 15.15 5.10 Catiónico 13.25 7.79 12.95 2.49
LHE Humedad Humedad libre intersticial (H.L.) (H.I.) 81.10 13.53 79.07 14.64 H. Q. L. 2.20 6.05
H. L. 76.94 76.90
6.32 9.30
72.82 78.17
Humedad superficial (H.S.) 3.53 3.34 No iónico H. I. H. S. 14.22 6.91 15.05 2.55 No iónico 16.42 6.24 10.14 3.30
Humedad Q. ligada (H.Q.L.) 1.99 2.95 H. Q. L. 1.93 5.50 4.52 8.39
A partir de esta tabla se obtuvieron los promedios de cada humedad, los cuales se representan en las siguientes gráficas. 90
16 L 14 A I C 12 I T S R 10 E T N 8 I D A 6 D E M 4 U H % 2
85
E R B I L 80 D A D E M 75 U H %
70
65 LH
LHE
LHEA
0
LHEAA
LH
MUESTRAS
LHE
LHEA
LHEAA
MUESTRAS
Gráfica 3.5 Humedad libre
Gráfica 3.6 Humedad intersticial
6
8
A 5 I C I F R 4 E P U S 3 D A D E 2 M U H 1 %
T 7 N E M 6 A C I 5 M A Í U D Q A 4 G D I A L 3 D E 2 M U H 1 %
0
0 LH
LHE
LHEA
LHEAA
MUESTRAS
Gráfica 3.7 Humedad superficial
LH
LHE
LHEA
LHEAA
MUESTRAS
Gráfica 3.8 Humedad químicamente ligada
El agua libre al no estar ligada de ninguna forma a los flóculos es fácilmente eliminada, además, si al lodo se le da un tratamiento que involucre dos o más procesos se incrementará la pérdida de este tipo de agua (Gráfica 3.5). El porcentaje de humedad intersticial, superficial y químicamente ligada aumenta conforme el agua libre es eliminada durante un espesamiento o acondicionamiento con polímero. Sin embargo, la acidificación libera agua intersticial y superficial adherida a las estructuras sólidas como consecuencia de una agitación vigorosa y de la adición del ácido sulfúrico, disminuyendo el porcentaje de éstas en el lodo (Gráficas 3.6 y 3.7). La humedad químicamente ligada no fue removida por ninguno de los tratamientos propuestos, reflejándose en un aumento como se muestra en la Gráfica 3.8. Cuando se utiliza un polímero para 77.0 LHEA LHEAA 76.5 acondicionar el lodo se espera que 76.0 éste proporcione la mayor eliminación E R 75.5 B I de agua libre. Por lo anterior, y de L 75.0 D A 74.5 acuerdo a la Gráfica 3.9 se observó D E M 74.0 que al aplicar el polímero catiónico se U H 73.5 % obtuvieron los menores porcentajes 73.0 de humedad libre en el LHEA y 72.5 72.0 LHEAA. Aniónico Catiónico No iónico MUESTRAS
Gráfica 3.9 Comparación de los tres polímeros
En lechos de secado de arena la humedad libre presente en el lodo será eliminada por los mecanismos de filtración y evaporación. Por lo anterior, se realizó una comparación de la cantidad de humedad que puede ser eliminada por ambos mecanismos (Gráfica 3.10). Se observó que ésta disminuyó conforme se aplicó un tratamiento al lodo y aunque la pérdida por filtración fue más rápida, la cantidad de agua eliminada a través de la evaporación fue mayor
90
Agua evaporada Agua filtrada
80
A U G A E D S E J A T N E C R O P
70 60 50 40 30 20 10 0 LH
LHE
LHEA
LHEAA
MUESTRAS
Gráfica 3.10 Porcentajes de agua eliminada por evaporación y filtración
4. CONCLUSIONES •
El acondicionamiento del lodo con polímero facilita la pérdida de agua por filtración, al obtener las menores REF´s.
•
Existe una tendencia similar entre los valores obtenidos de la resistencia específica a la filtración y la relación tiempo a la filtración/sólidos totales, por lo que ésta última puede emplearse para determinar la factibilidad del lodo para ser filtrado.
•
Un tratamiento que incluya la adición del polímero no iónico y ácido sulfúrico mejorará las características de deshidratabilidad del lodo por filtración y evaporación.
•
La acidificación proporciona la mayor pérdida de humedad libre.
•
Existe una correlación entre la humedad libre y el volumen de agua que puede ser eliminada por filtración.
5. BIBLIOGRAFÍA Christensen, G. L. y Dick, R. I. (1985). Specific Resistance Measurements: Methods and Procedures. Journal of Environmental Engineering. Vol. III, No. 3, pp. 258-271. Coackley, P. y Jones, B. R. S. (1956). Vacuum Sludge Filtration. I. Interpretation of Results by the Concept of Specific Resistance. Sewage and Indusrial Wastes. Vol. 28, No. 8, pp. 963-975.
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