1 CARBONIFICACION HIDROTERMICA, A BAJAS PRESIONES Y TEMPERATURAS,
DE LOS LODOS DE LAS PLANTAS DE AGUAS RESIDUALES DE LA EMPRESA DE ACUEDUCTO ALCANTARILLADO Y ASEO DE ZIPAQUIRA
POR
SAN YASER PEDREROS BORRAEZ
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN
PROYECTO CURRICULAR LICENCIATURA EN QUÌMICA BOGOTÁ D.C
2 CARBONIFICACION HIDROTERMICA, A BAJAS PRESIONES Y TEMPERATURAS,
DE LOS LODOS DE LAS PLANTAS DE AGUAS RESIDUALES DE LA EMPRESA DE ACUEDUCTO ALCANTARILLADO Y ASEO DE ZIPAQUIRA
POR
SAN YASER PEDREROS BORRAEZ
DIRECTOR JAVIER PEREZ CUBIDES
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN
PROYECTO CURRICULAR LICENCIATURA EN QUÌMICA BOGOTÁ D.C
3
Contenido
Introducción ... 4 Información de la Empresa ... 5 Objetivos ... 6 Objetivo General ... 6 Objetivos Específicos... 6 Referencias Conceptuales ... 7 Biomasa... 7Metanizacion ... ¡Error! Marcador no definido. Gasificación ... 9
Carbonización Hidrotérmica ... 10
Lignito ... 12
Carbón activado ... 12
Biosólido ... 13
Técnicas de análisis para biosólidos. ... 17
Cronograma... 18
Metodología ... 19
Resultados ... 20
Conclusiones ... 25
4 Resumen
Este trabajo refleja el desarrollo y resultado de la pasantía en la Empresa de Acueducto, Alcantarillado y Aseo de Zipaquirá E.S.P., ésta empresa permite desarrollar procesos de saneamiento básico, relacionando conocimientos del área disciplinar para garantizar el manejo de los residuos en el municipio de Zipaquirá. Dentro de la aplicación de los conocimientos disciplinares se encuentran la preparación de soluciones, manipulación de equipos industriales y determinación de parámetros tanto físicos como químicos aplicados a desechos sólidos y agua potable obtenida del tratamiento realizado en aguas residuales
Introducción
La Empresa de Acueducto, Alcantarillado y Aseo de Zipaquirá E.S.P. tiene como responsabilidad el tratamiento de los desechos resultantes de la actividad humana e industrial en el municipio. En búsqueda de cumplir con ésta responsabilidad, se establecieron parámetros a implementar para usos alternos de estos residuos con el propósito de mejorar el cuerpo de agua, previniendo así el crecimiento en la carga orgánica. En general, los residuos sólidos representan más del 60 % del volumen total de los desechos en Colombia, cifra por la cual la búsqueda de manejos alternativos, en lo que refiere al material orgánico desde un sostenimiento económico, debe hacerse desde la evaluación constante de las variables que puedan afectar sus posibilidades sostenibles y su huella ecológica.
La empresa de Acueducto, Alcantarillado y Aseo de Zipaquirá E.S.P. (EAAAZ) tiene un compromiso con el tratamiento de los desechos y vio la necesidad de explorar procesos donde se involucren estos, buscando nuevas estrategias que disminuyan el impacto en el medio ambiente, se le presentó a la empresa, previa indagación, como propuesta, la oportunidad de usar los lodos
5 residuales utilizándolos como combustible sólido. Para llegar a este combustible se empleó un sistema a presión constante a diferentes intervalos de tiempos y pH, los lodos procesados se evaluaron mediante análisis elemental. La ejecución de esta alternativa ecológica como pasantía, en modalidad de trabajo de grado, se relaciona el perfil profesional del docente investigador del proyecto curricular de Licenciatura en Química de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.
Información de la Empresa
La Empresa de Acueducto, Alcantarillado y Aseo de Zipaquirá E.S.P. se encuentra ubicada en la Carrera 15 #1 sur 11 en el municipio de Zipaquirá, departamento de Cundinamarca, Colombia. Es una empresa industrial y comercial del Estado dentro del orden municipal, prestadora de servicios públicos en lo concerniente al acueducto, alcantarillado, aseo del espacio público y servicios complementarios de saneamiento ambiental en el municipio mencionado. Se caracteriza por la autonomía administrativa, financiera y patrimonio propio e independiente, compuesto por bienes y fondo públicos comunes. Esta entidad se encarga de satisfacer las necesidades de agua potable y saneamiento básico, proponiendo soluciones integrales a la comunidad en la prestación de los servicios bajo el compromiso de brindar altos estándares de calidad.
La misión de la empresa es, “la EAAAZ satisface las necesidades de agua potable y saneamiento básico, proporcionando soluciones integrales a la comunidad en la prestación de los servicios de acueducto, alcantarillado, aseo y complementarios”. [1]
Respecto a la visión, se encuentra que busca “ser modelo sostenible a nivel nacional en la prestación de los servicios de acueducto, alcantarillado, aseo y complementarios, a través de la formulación y ejecución de programas con responsabilidad social y ambiental” [1]
6 En cuanto trata del objetivo de la empresa, EAAAZ se propone alcanzar alta calidad en sus servicios y correlacionarlos con la política, persiguiéndola continuamente y buscar su mejora. [1] Este se estableció en términos medibles y cuantificables. Siendo verificado en plazos definidos para su evaluación. Este objetivo general se cumple de la siguiente manera:
1. Aumentar la satisfacción de los clientes y usuarios cumpliendo con sus necesidades
2. Garantizar la comunidad de Zipaquirá el suministro de agua potable con los estándares de calidad exigidos. La gestión integral del saneamiento básico y el manejo adecuado de los residuos sólidos por medio de programas y proyectos que garanticen la continuidad y cobertura con enfoque social y sostenimiento ambiental
3. Implementar programas y proyectos para el mejoramiento continuo, eficaz, eficiente y efectivo de los procesos de desarrollo administrativo, financiero, técnico y de gestión comercial.
4. Fortalecer las competencias del personal para la óptima prestación de servicio de la empresa. 5. Establecer y comercializar servicios complementarios generando nuevas soluciones a los usuarios y recursos a la empresa.
Objetivos Objetivo General
Explorar la posibilidad de utilizar los lodos de depura de las plantas aguas residuales PTAR del municipio de Zipaquirá, como combustible sólido, como biosólido o carbón activado.
Objetivos Específicos
Producir combustibles sólidos mediante la técnica de carbonización hidrotérmica a diferentes intervalos de tiempo y pH.
Evaluar los productos de la carbonización mediante análisis elemental y calorimetría de combustión para establecer sus posibles aplicaciones.
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Analizar como factores como pH y tiempo de tratamiento, a una presión determinada, afectan el proceso de carbonización hidrotérmica de los lodos de la planta de tratamiento de aguas residuales del municipio de Zipaquirá.
Referencias Conceptuales Biomasa
La biomasa es una de las principales fuentes de energía y proviene de cualquier acción que involucre procesos con los materiales orgánicos que se emplean hoy en día. Este aporte, en lo que se refiere a necesidades de energía, es aproximadamente del 14%. Asimismo, esta atribución se ve reflejada con predominio en los países en vía de desarrollo [1-2]. La manipulación de esta energía se basa en el uso sustancias de desecho, exceptuando metales y plásticos, del cual podemos afirmar que los lodos, al ser resultado del tratamiento de aguas, tienen las propiedades para ser usado como fuente de combustible sólido, en el cual, su descomposición mantiene constante la concentración del dióxido de carbón en la atmosfera.
También es importante mencionar que estos lodos de depura no constituyen una fuente de combustible, sino que pueden emplearse como agregados para otro tipo de combustibles, debido a los procesos industriales que toman en cuenta convenciones químicas de menor impacto con el medio ambiente. En esencia, la importancia de este proceso consiste en el uso alternativo de estos residuos, disminuyendo la emisión de gases contaminantes, como lo son los óxidos ácidos (SO2 y SO3), que, al interactuar con el agua forman ácidos que se condensan en la atmosfera y se precipitan, dando lugar a la lluvia acida. Lo anterior, sin mencionar que los óxidos básicos obtenidos por combustión representan problemas en los procesos de corrosión para cualquier empresa.
8 Se conoce también otro método de aprovechamiento de los lodos residuales producidos por el tratamiento de aguas de desecho, conocido como pirolisis. Este proceso involucra elevar la temperatura entre los 400 y los 1000°C, lo anterior con el fin de romper las moléculas complejas y convertirlas en moléculas sencillas de 3 tipos: a) Sólidos, conocidos como material carbonoso, b) Gases condensables y c) Gases no condensables [2]. Este proceso arroja un residuo sólido de la pirolisis que contiene 75% de cenizas, carbón y metales [3]
Otro usufructo de estos desechos es la obtención de carbón activado. Esto debido a la alta concentración de N y C de los lodos. [4], carbón empleado en la eliminación de agentes contaminantes en el tratamiento de aguas, logrando convertir el agua residual en agua potable y completar un ciclo de utilización, eliminando sedimentos de metales y otros elementos contaminantes.
Con el crecimiento en la población y el crecimiento de las zonas urbanas, se magnifica la producción de lodos en las aguas. De acuerdo a los servicios de alcantarillado [4], en los 1998 municipios de Colombia se produjeron en promedio 26537 toneladas de residuos sólidos en el año 2011. Estos lodos tienen una gran carga de material orgánico y, por esta razón, tienen un gran potencial como fuente de energía.
Los procesos convencionales más empleados en el tratamiento de la biomasa son la metanización, la gasificación y la carbonización hidrotérmica. Como resultado de esta última se pueden obtener combustibles sólidos (lignito), biosólido o carbón activado.
9 Mecanización
Haciendo uso de la digestión anaerobia, más conocida como metanización, se remueven las cargas y se generan sólidos que no tienen uso, esta técnica, está prohibida en muchos países, debido a las dificultades en la manipulación de los gases, ya que se liberan gases de efecto invernadero aumentando los niveles de contaminación.
La mecanización se fundamenta en la digestión de bacterias en ausencia de oxígeno; sin embargo, tiene subproductos que son controlados a nivel industrial por sus olores y su efecto de invernadero, como son los sulfuros o escapes de biogás. En cuanto a los tratamientos de lodos residuales se consideran tres procesos; cuya principal diferencia es la temperatura a la que se realizan la conversión a material reutilizable. Estos procesos son: pirolisis, gasificación y mecanización. No obstante, estas técnicas son ineficientes debido a su alto costo energético, producto de la elevación de la temperatura del agua presente en los residuos, ya que como se mencionó anteriormente en la pirolisis es necesario que la temperatura se eleve como mínimo a 400°C, lo cual conlleva a un alto gasto de energía.
Gasificación
Por otra parte, la gasificación es un mecanismo que busca convertir el carbón obtenido en procesos anteriores en un combustible, principalmente conformado por CO e H2, para ello es necesario llevar a cabo un proceso de oxidación parcial, como consecuencia, usar la gasificación implicaría nuevamente hacer un proceso de pirolisis hasta obtener carbón, y posteriormente separar el carbón de posibles metales presentes por medio de la oxidación parcial. Por último, el proceso de gasificación requiere que los desechos se conviertan por sí mismos en un elemento gaseoso utilizable como los combustibles, pero se considera ineficiente debido al tiempo necesario para
10 que esto ocurra y, además, manipular un volumen tan grande de gas es poco rentable debido a sus elevados costos.
Carbonización Hidrotérmica
Como cuarta técnica, que es la considera en esta investigación, se emplea la carbonización hidrotérmica con presiones entre 15 a 18 atmósferas. Este tipo de proceso involucra reacciones acuosas donde el agua alcanza el punto crítico, en los cuales se empieza a comportar como un sistema anaerobio, logrando la carbonización deseada. Estas características lo hacen ideal en el tratamiento de lodos húmedos, como en nuestro caso. Además, este combustible puede llegar a tener un poder calorífico de 2.5x107 Jul / kg, considerado como un valor medio de energía, del carbón resultante. En este proceso, el agua se ioniza separándose en forma de protones e iones hidroxilo, deshidratando la materia orgánica, aumentando la concentración elemental de carbono, reorganizando el material carbonizado y los elementos solubles en agua tales como el cloro, los cuales se retiran al separar la fase acuosa [5].
Este proceso emplea las siguientes etapas:
a) preparación de la muestra acuosas utilizando catalizadores (medio ácido) para la deshidratación química del material orgánico, logrando una carbonización más rápida, se emplea ácido cítrico o ácido sulfúrico como catalizadores antes de llevar a un reactor de flujo invertido a presiones entre 10 y 15 atmosferas y 200 °C, dando a lugar a la homogenización química de la biomasa
b) Polimerización de la muestra orgánica para dar una muestra carbonizada c) Eliminación de gases y de vapor de agua al interior del reactor
d) Maduración del producto secundario para obtener la biomasa carbonizada ionizando Eliminación de agua mediante secado mecánico.
11 Dentro del proceso de la carbonización hidrotérmica se realizan una serie de conversiones a la biomasa, obteniéndose un producto con características similares a las del lignito, producto del tratamiento térmico, la presión (15 atm aproximadamente), la suspensión acuosa, y la temperatura entre 180 y 220 ºC. El resultado de este proceso es CO2 neutral, que se puede quemar o utilizar en otros procesos propios de la industria donde se utiliza el lignito. El aspecto positivo de este proceso, es que no aumenta las emisiones de CO2 ni metano. Como resultado, se da un biocombustible de alto poder calorífico de 2.5x10^7 Julio/kg. Sin embargo, esta tecnología es demasiado costosa, pero sin duda, para países como Colombia representa una oportunidad en la búsqueda de energías limpias, a largo plazo más rentables y sostenibles. Con el fin realizar un análisis preliminar de factibilidad de utilizar los lodos de las plantas de tratamiento de aguas residuales de Zipaquirá, como materia prima para la producción de un combustible, en el presente trabajo se realiza un proceso a menor presión, 1,2 atm, adicionando ácido nítrico para ajustar el pH en tres valores diferentes, 1, 4 y 7.
En la técnica de carbonización hidrotérmica se obtiene un material cercano a las propiedades del lignito, un combustible de evolución intermedio entre la turba y la hulla. Este tipo carbón se diferencian de carbones más antiguos por su color y por su textura amorfa y fibrosa. (Garreaud et al; 2004). Existen diferentes tipos de lignitos, entre ellos podemos mencionar: Pardo terroso o fibroso próximos a las turbas en aspecto y propiedades de color pardo claro y textura fibrosa. Leñosos o xifoides de color pardo claro y con aspecto leñoso constituido por madera carbonificada cuya estructura se conserva. Carbones pardos amorfos sin reserva de fibras vegetales. Lignitos negros o carbones sub-bituminosos de color pardo oscuro a negro o con brillo sedoso, en ocasiones con bandas brillantes o mate de los carbonos bituminosos (GEA, 2000).
12 Lignito
Dado que el tratamiento hidrotérmico genera materiales similares al lignito, un carbón de origen natural, a continuación, se describe sus características, este es de origen vegetal el cual en grandes cantidades y durante lapsos de tiempos prolongados y condiciones geológicas con humedad idónea permiten la transformación en dos etapas: etapa bioquímica y etapa geoquímica. En los procesos de formación del lignito está presente la humificación, la cual consiste, según Kumada (1987), en un conjunto de procesos que transforman la materia orgánica en compuestos de alta capacidad de absorción de luz visible y altos contenidos de grupos orgánicos carbonilo y carboxilo. [3].
El Carbón de Bajo Rango (CBR) tipo lignito es considerado un residuo de los procesos de extracción carbonífera, se caracteriza por ser normalmente blando y desmenuzable, con una aspecto mate y terroso. Adicionalmente posee altos niveles de humedad (30-45 %), cenizas, y bajo contenido en carbono fijo, por lo que su contenido energético también es bajo. Debido al poco grado de carbonificación estos materiales normalmente presentan alto contenido de sustancias húmicas (SH) (Peña et al., 2005; Giannoulli et al., 2009).
Carbón activado
Otra de las aplicaciones a nivel industrial son los carbones activados que son un tipo de material con similitud respecto a su estructura cristalina reticular y propiedades del grafito. Dichas estructuras dependen del origen y de sus procesos de activación. La forma en la que funciona este material se evidencia en la propiedad de absorción, donde se ve su capacidad de atracción y retención de moléculas de otros compuestos. La importancia de esto se debe a que es un método económico para la eliminación de algún agente indeseado, como metales pesados; estos procesos de absorción se clasifican en dos:
13 Fisiabsorcion: es la más usada debido a que son interacciones físicas y permite que sea un proceso reversible.
Quimiabsorcion: Esta es menos frecuente, este tipo de absorción es irreversible y ocurren cambios químicos entre el carbón activado y la sustancia a eliminar.
Los poros mayores a los de absorción son los que se conocen como los de transporte y varían en su tamaño y se pueden identificar a la vista, estos poros ayudan aumentar la velocidad de interacción pero no implica que estos afecten la capacidad del carbón para retener las sustancias. Para esto existe la siguiente clasificación de la IUPAC;
Micro poros: menores a 2nm
Meso poros: entre 2 y 50 nm
Macro poros: entre 50 y 100,000 nm
Mayores 100,000 nm son las visibles a la vista y se denominan grieta
La absorción se relaciona con las propiedades de la sustancia a la que se quiere retirar de una mezcla por ejemplo en el tamaño del poro debe ser 5 veces mayor que el absorbato, también se requieren propiedades químicas, debido a que si existe repulsiones estos no logran absorberse y no se logra una buena purificación. En el caso de que se requiera retirar un compuesto inorgánico se debe eliminar la ceniza (Ca, K, sales, etc.) del carbón activado, debido a que esto provoca repulsión. Esto se puede lograr sometiendo el carbón a baños ácidos para mejorando su absorción.
Biosólido
Los sólidos provenientes de aguas residuales son catalogados por la agencia de protección ambiental de los Estados Unidos cataloga como biosólido , una técnica para la obtención de estos solidos consiste en dos etapas: una primera consiste en la depuración mediante su decantación en piscinas, y una segunda etapa es la discriminación entre los grumos o floculos formados en el proceso [4]. Estos por su origen tienen posibilidad de utilizarse en la bioremedacion de suelos,
14 aumentando los nutrientes que permiten mejorar los cultivos y técnicas agrícolas, así como también, las biomasas.
Los lodos de primer orden son recirculados para mantener el flujo en el sistema, el resultado extraído de estos recibe el nombre de lodos de segundo orden. Este tipo de técnicas son tradicionales en plantas donde se trabajan los biosólidos, ya que estos pueden modificar sus propiedades físicas y químicas. Estos cambios se ven reflejados en color, pH, humedad, eliminación de metales pesados y estabilización del biosólido, eliminando patógenos para dar cumplimiento a la normatividad establecida por la EPA.
Por su parte, los biosólidos tienen una gran cantidad de humedad y se pueden espesar por métodos como filtración, centrifugación o cualquier sistema físico que permita mayor separación de agua, debido a que esto disminuye el volumen de la operación y los costos de transporte. Las mejoras químicas que se le pueden aplicar a los lodos son variaciones de pH y aditivos que eliminen compuestos sulfurados, principales causas de malos olores. Estas características ya están tipificas y se clasifican en dos clases, A y B. Por un lado, la Clase A corresponde a aquellos biosólidos que son bajos en coliformes, E-Coli y salmonella, representando menos riesgo para la salud humana a nivel biológico, ya que no tienen ninguna restricción en el campo. La clase B refiere a aquellos que no tienen viabilidad para el uso agronómico y requiere posibles tratamientos para su adecuación, como lo evidencia la siguiente tabla:
15 Tabla 1 Valores límites establecidos por EPA para biosólidos
METAL CONCENTRACION EN EL BIOSOLIDO (𝒎𝒈 𝒌𝒈)⁄ APORTE DE CONTAMINANTE (𝒌𝒈 𝒉𝒂/𝒂ñ𝒐 )⁄ Arsénico 75 2.0 Cadmio 85 Cromo 3000 150 Cobre 4300 75 Plomo 840 15 Mercurio 57 0.85 Molibdeno 75 0.9 Níquel 420 21 Selenio 100 5.0 Zinc 7500 140
Una desventaja de los biosólidos es que no se pueden aplicar en lugares con temperaturas bajas, ya que los olores generados representan un problema ambiental con repercusión directa a la población y su entorno, sumado a la inconformidad ante procesos como la limpieza de tanques, filtros y subproductos no reutilizables. Un ejemplo son los desechos de las PTAR en Colombia que producen 274 t/día y son principalmente producidos por tres plantas: el salitre (Bogotá), cañavarejo (Cali) y San Fernando (Itagüí), ya que en Colombia existen políticas para limpiar los cuerpos de agua, pero no se llevan a cabalidad dichas normatividades, los ríos reciben los residuos de estas plantas, así como todos los desechos. [5]
Los efectos de los biosólidos en los suelos pueden cambiar químicamente dependiendo del material orgánico del que proceden, en donde la variable porcentaje de nitrógeno total es el indicativo principal para su uso en el campo agrícola. Otra de las características es la capacidad de intercambio de cationes, el pH y la concentración de sales. Esta última puede ser perjudicial para
16 ciertas plantas que dependiendo de su valor pueden ver perjudicadas su crecimiento y desarrollo. La aplicación de abono por hectárea de terreno se encuentra entre 78 y 224 (kg de nitrógeno/ hectárea cosecha), esto genera un aumento en la concentración de las sales entre 1,4% a 2,6%, lo que como ya se menciono puede llegar a ser perjudicial. Otro de los efectos que se puede manifestar en el pH, como ejemplo una aplicación 10 toneladas de gallinaza por hectárea durante 4 años puede incrementar el pH de 5,4 a 5,8. [5-6]
Tabla 2. Características de tipo de abonos orgánicos
Característica Tipo de abono orgánico Vacuno Gallinazo Vermi
compost Compost Pulpa de café Paja de arroz Humedad (%) 36 30 PH 8 7.6 7.6 7.7 5.8 7.2 Materia orgánica (%) 70 70 89.60 7.7 N (%) 1.5 3.7 1.1 2.1 1.68 0.5 P (%) 0.6 1.8 0.3 1.1 0.35 0.05 K (%) 2.5 1.9 1.1 1.6 0.36 1.38 Ca (%) 3.2 5.6 1.6 6.5 0.5 0.22 Mg (%) 0.8 0.7 0.5 0.6 0.64 0.11 Zn(ppm) 130 575 100 235 Mn(ppm) 264 500 403 265 Fe(ppm) 6354 1125 10625 3000 Relación C/N 16 15 19 15 30.90 9.49 Tasa de mineralización (%/año) 35 90
17 Los abonos afectan los patógenos que posee un suelo; incrementando la capacidad biológica del mismo en la amortiguación de los agentes biológicos peligrosos, la reducción en la población por competencia de los mismos, así como el aumento en el nitrógeno amoniacal en el proceso de mineralización orgánica del abono y rechazo a la proliferación de los patógenos. Esto también beneficia y promueve el crecimiento de raíces y la absorción de nutrientes.
Tabla 3. Cambios en nitrógeno y materia orgánica en suelos después de aplicar abono Tratamiento Materia orgánica (%) Nitrógeno total (%)
Testigo 1.41 0.07
67 ton/ha por de estiércol de bovino en 4 años
2.59 0.13
Testigo 0.91 0.03
Rastrojo y pajas en 14 años 1.06 0.06
Testigo 0.12 0.00
5.6 ton/ha por año de estiércol de bovino en 10 años 1.98 0.10 Testigo 1.79 0.15 Coberteras de kudzu en 3 años 4.08 0.32
Técnicas de análisis para biosólidos.
Una de las formas para determinar la clase de biosólido, A o B, es por espectroscopia de absorción atómica, esta técnica consiste en coger la muestra y llevarla a una llama para romper los enlaces químicos y por ganancia de electrones se lleva a un estado basal, los límites de detección de esta técnica son partes por billón [6-10], esto es una ventajoso ya que requiere poca cantidad de muestra y, adicionalmente, es la rapidez y la selectividad al elemento que se quiere determinar. Otra técnica para cuantificar la composición del biosólido es por medio del análisis elemental, con este podemos determinar la relación de carbono, hidrogeno, nitrógeno y azufre y así ubicar el producto con sus posibles aplicaciones, este tipo de análisis fue el empleado en el presente trabajo.
18 Cronograma
Teniendo en cuenta los horarios de la empresa de EAAAZ, cuyo itinerario es de 8:00am a 6:00 pm con dos horas destinadas a descanso y alimentación y buscando cumplir una jornada diaria de 8 horas de lunes a viernes. Con el fin de completar las horas establecidas en la modalidad de pasantía de acuerdo a lo estipulado en el acuerdo 038 (julio 28 del 2015) capitulo II, articulo 4 donde establece un total de 384 horas. En la siguiente tabla se ve la organización de dichas horas. Tabla 4. Cronograma de la pasantía en E.A.A.A.Z
No. Actividad Inicio Final Semanas laborales
1 Ubicar los conceptos y
procedimientos necesarios para la utilización de lodos, producto del tratamiento de aguas. 21 de Enero 9 de febrero X X X 2 Realizar los procedimientos adecuados para la fabricación de combustibles solidos 11 de febrero 23 de febrero X X X X X X 3 Constatar la viabilidad de este combustible
evaluado por métodos
fisicoquímicos
4 de febrero 8 de febrero
X
4 Concluir su posible
uso como combustible
11 de marzo 15 de marzo
19 y sus posibles aplicaciones 5 Construcción de trabajo, sustentación de pasantía 18 de marzo 30 de marzo X X
Tabla 5. Horas por semana de pasantía
Semana Fecha Dias Horas
1 21 de enero a 25 de enero 5 40 2 28 de enero a 1 de febrero 5 40 3 4 de febrero a 9 de febrero 5 40 4 11 de febrero a 16 de febrero 5 40 5 18 de febrero a 23 de febrero 5 40 6 25 de febrero a 1 de marzo 5 40 7 4 de marzo a 8 de marzo 5 40 8 11 de marzo a 15 de marzo 5 40 9 18 de marzo a 23 de marzo 5 40 10 26 de marzo a 30 de marzo 4 32 392 Metodología
ACTIVIDAD 1. Indagar la bibliografía teniendo en cuenta aspectos como: usos y aplicaciones en la industria su catalogación y estudios realizados en Colombia. Revisando cambios en suelos con estudios con categorización de dichos biosólidos.
20 ACTIVIDAD 2. Diseño de sistema cerrado con medidor de presión analógico para realizar la producción de biosólidos, el equipo consistió en una olla a presión con un medidor de presión de reloj.
ACTIVIDAD 3. Obtener biosólidos a presión cercana a los 18 psi (1,2 atm), el pH se ajustó en 1,4 y 7 utilizando ácido nítrico, y con diferentes periodos de tiempo de proceso (6, 8 y 10 horas) en el equipo diseñado. Una vez completado el tiempo de proceso los sólidos obtenidos se secaron hasta peso constante a 80 °C en una incubadora. En la siguiente tabla se presentan los análisis realizados y el número de tratamiento correspondiente.
Tratamiento Tiempo de tratamiento (horas) pH 1 6 1 2 6 4 3 6 7 4 8 1 5 8 4 6 8 7 7 10 1 8 10 4 9 10 7
ACTIVIDAD 4. Realizar el análisis elemental a los biosólidos obtenidos utilizando el analizador elemental Flash 2000 Organic Elemental Analyzer marca Thermo Scientific.
Resultados
En este trabajo se procesaros los lodos de depura de la planta de tratamiento de aguas residuales 2 del municipio de Zipaquirá, en total se realizaron 9 tratamientos diferentes a los que se efectuó, como ya se mencionó, un análisis elemental. El análisis elemental se realizó por duplicado a todas
21 las muestras, sin embargo no se tienen todos los resultados ya que el equipo reporto error en el análisis. Los resultados se presentan en la tabla 6, en esta tabla también se muestra el análisis de los tres estándares de calibración (std 1, std 2 y std 3), análisis que evidencian la alta reproducibilidad del método. Con este análisis se evidencio que ninguna de las muestras contiene nitrógeno, por otro lado, en el contenido de azufre de los tratamientos 2, 6, 7 y 9 reportan discrepancias entre duplicados, esto probablemente se debe que el material obtenido manifiesta poca homogeneidad, justamente por esta situación fue que se decidió realizar el análisis por duplicado.
Tabla 7.tabla de resultados de análisis elemental
Tratamiento Muestra Nitrógeno% Carbono% Hidrogeno% Azufre%
std 1 6,51 72,53 6,09 7,44 std 2 6,51 72,53 6,09 7,44 std 3 6,51 72,53 6,09 7,44 6 Horas/PH:1 1.1 0 7,455 0,96 0 6 Horas/PH:1 1.2 0 7,145 0,975 0 6 Horas/PH:4 2.1 0 10,93 0,605 8,441 6 Horas/PH:4 2.2 0 8,54 1,038 0 6 Horas/PH:7 3.1 0 8,564 1,293 0 6 Horas/PH:7 3.2 ERROR 8 Horas/PH:1 4.1 0 8,485 1,237 0,765 8 Horas/PH:1 4.2 ERROR 8 Horas/PH:4 5.1 0 7,395 1,038 0 8 Horas/PH:4 5.2 0 6,87 1,068 0 8 Horas/PH:7 6.1 0 5,653 0,815 0,621 8 Horas/PH:7 6.2 0 11,079 1,374 0 10 Horas/PH:1 7.1 0 8,824 1,094 0,664 10 Horas/PH:1 7.2 0 8,971 1,308 0 10 Horas/PH:4 8.1 0 4,242 0,643 0 10 Horas/PH:4 8.2 ERROR 10 Horas/PH:7 9.1 0 9,7 1,436 1,065 10 Horas/PH:7 9.2 0 10,37 1,402 0
22 Dado que entre mayor sea la relación carbono hidrogeno (C/H), en un combustible sólido, el poder calorífico del material es mayor, se calculó esta relación, los resultados se muestran en la tabla 8.
Tabla 8. Relación entre PH y Tiempo con la variable de salida. C/H
Tiempo PH 1 4 7 6 7,455 10,93 8,564 7,145 8,54 Error 8 8,485 7,395 5,653 Error 6,87 11,079 10 8,824 4,242 9,7 8,971 Error 10,37
Los valores de la relación carbono hidrogeno presentados en la tabla 8, son muy bajos y distantes a los reportados en la literatura para combustibles sólidos. Esta relación, para tratamientos hidrotérmicos convencionales generalmente es superior a 20.9, según se reporta en diferentes investigaciones, por lo tanto, el tratamiento planteado no es viable para la obtención de biosólidos combustibles [14], esto probablemente debido a la baja presión utiliza en la presente investigación.
Para determina si existe relación entre el pH y el tiempo de tratamiento en la relación C/H se realizó un análisis de varianza. Los resultados de este análisis, realizados con los valores promedio de cada tratamiento, se reflejan en la tabla 9.
23
Sum Sq Mean Sq F Value Pr(>F)
Tiempo 20,720 10,3639 1,2361 0,3552
Ph 11,244 5,6219 0,6705 0,5460
Tiempo: Ph 32,299 8,0747 0,9631 0,4908
Residuales 50,305 8,3842
El análisis de varianza demuestra que el Pr (>F) es superior a 0,05 (0,3552 y 0,5460 para tiempo y pH respectivamente) revelando que no existe diferencia entre el pH o tiempo de tratamiento sobre la relación C/H.
Para el caso de los fertilizantes, dado que el porcentaje de nitrógeno en las muestras analizadas es nulo, a pesar de la inactivación de todos los patógenos, se puede excluir la aplicación de los materiales obtenidos en la agricultura.
Por otro lado, en cuanto a lo morfológico, se observaron cambios cualitativos de los productos finales las siguientes figuras corresponde a biosólidos obtenidos con 10 horas de tratamiento, pero a pH diferente, se puede observar que a pH más acido el producto final es más compacto.
24 Visualmente también se observa que dependiendo del pH existen cambios en el color, las muestras a pH 7 tiene colores grises más claros y las de pH 1 colores más oscuro. Esto pudo ocurrir porque a pH más acido se promueven las reacciones de deshidratación permitiendo la formación de materiales más compactos y coloración más oscura.
Finalmente, dado que los lodos tienen origen orgánico estos tienen posibilidad de tener aplicación como carbón activado por lo que se sugiere evaluar su funcionalidad purificadora determinando su capacidad de absorción. La literatura reporta que el carbón activado se obtiene a condiciones acidas y con activación química en presencia, condiciones similares a las utilizadas en este trabajo.
A cuando hay cambio morfológico el porcentaje de carbono en las muestras es bajo, posiblemente porque la temperatura y las presiones alcanzadas no fueron lo suficientemente altas. En este trabajo se intentó elevar la temperatura de operación mediante el incremento de la presión, utilizando una olla a presión, sin embargo, se puede observar pequeñas transformaciones morfológicas lo que sugiere que a temperaturas y presiones bajas también se puede trasmutar este tipo de materiales mediante la modificación del pH.
25 Conclusiones
Se logo un proceso de carbonización hidrotérmica con presiones y temperaturas bajas a los lodos provenientes de la planta de tratamiento de aguas residuales.
Pesé a la realización de los procesos de carbonización no se obtuvo un combustible sólido ya que el material tratado presenta una relación de carbono e hidrógeno con parámetros inferiores a lo esperado de una biomasa. Por otro lado, estadísticamente no existe relación entre pH y la relación carbono e hidrogeno, sin embargo, morfológicamente se evidencia un cambio con la variación del pH.
Se evaluaron los productos de la carbonificazion hidrotérmica encontrado que los porcentajes de nitrógeno son nulos y la relación carbono e hidrogeno son bajos para todas las muestras, y la homogeneidad de la muestra no es la esperada y esto se ve reflejado en el porcentaje de azufre difiere en los duplicados de la muestra.
Estadísticamente los factores empleados pH y tiempo de tratamiento no están relacionados, pero por otro lado se evidencian transformaciones visuales.
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