Uso de lodos generados en los decantadores de una planta de tratamiento de agua potable como materia prima para la elaboración de ladrillos de construcción

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(1)Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA FACULTAD DE INGENIERÍA DE PROCESOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA. “USO DE LODOS GENERADOS EN LOS DECANTADORES DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE COMO MATERIA PRIMA PARA LA ELABORACIÓN DE LADRILLOS DE CONSTRUCCIÓN”. TESIS. PRESENTADA. POR. LOS. BACHILLERES: CHIRE SALAZAR, YANIRA PAOLA RONDÁN GUTIERREZ, GIANFRANCO BRYAN. PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE: INGENIEROS QUÍMICOS. AREQUIPA – PERÚ 2014.

(2) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. DEDICATORIA A mis padres Ivonee y Agustín, a mis hermanos Karla y Juan, a mi familia, amigos y. a. todas. aquellas. personas. que. contribuyeron a cumplir con mis metas y objetivos, Además de su apoyo incondicional brindado a lo largo de toda mi vida.. Yanira Paola Chire Salazar.

(3) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. DEDICATORIA Dedico esta tesis a mis padres René y Maritza, mi hermano Jean Carlos, abuelos, tías, tíos y primos; para ellos que siempre han estado ahí apoyándome cuando más los necesitaba a lo largo de mi vida, porque aunque logre trabajar, y graduarme, ellos me siguen brindando su apoyo en diferentes formas.. Gianfranco Bryan Rondan Gutiérrez.

(4) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. AGRADECIMIENTO Agradecemos en primer lugar a Dios por el don de la vida, por habernos permitido cumplir con nuestras metas y objetivos, por haber. puesto en nuestro. camino a personas que nos brindaron su apoyo a lo largo de nuestra formación Académica. Agradecemos a nuestros padres que en todo momento. estuvieron. a. nuestro. lado,. aconsejándonos y porque su esfuerzo es el sacrificio de grandes logros. Agradecemos a nuestros hermanos y amigos que con su apoyo incondicional nos motivaron a seguir siempre adelante. Un. Agradecimiento. especial. A. la. Escuela. Profesional de Ingeniería Química, por darnos la oportunidad de realizar ensayos dentro de sus instalaciones..

(5) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. ÍNDICE DEDICATORIA AGRADECIMIENTO CAPITULO I GENERALIDAES 1.1.. Antecedentes. 1. 1.2.. Definición del problema. 2. 1.3.. Objetivos. 3. 1.3.1. Objetivo general. 3. 1.3.2. Objetivos específicos. 4. 1.4.. Hipótesis. 4. 1.5.. Variables. 5. 1.6.. Justificación. 6. 1.7.. Alcances. 8. 1.8.. Restricciones. 8 CAPITULO II MARCO TEÓRICO. 2.1.. Lodo como subproducto del tratamiento de agua potable. 9. 2.2.. Lodos. 9. 2.2.1. Características generales de los lodos. 10. 2.2.2. Tipos de lodos. 12. 2.2.3. Fuentes de generación de lodos - decantadores. 12. 2.3.. Tratamiento de lodos. 2.3.1 concentración de lodos o espesado. 13 13. 2.3.1.1.Definición. 13. 2.3.1.2.Ventajas del espesamiento. 13. 2.3.1.3.Inconvenientes del espesamiento. 14. 2.3.1.4.Procesos del espesamiento. 14.

(6) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 2.3.1.4.1. Fundamentos de la sedimentación-espesamiento. 15. 2.3.1.4.2. Sedimentación zonal o ensayo de fitch. 16. 2.3.2. Deshidratacion de lodos. 20. 2.3.2.1 definición:. 20. 2.3.2.2. Métodos de deshidratación de lodos. 20. 2.3.2.2.1. Mecanismos de secado de lodos en lechos de arena 21 2.3.2.2.2. Diseño para la construcción de lechos de secado. 23. 2.3.2.2.3. Método racional de swanwick y nebicker. 24. 2.4.. Lodos como materia prima para la construcción. 24. 2.5.. Materiales cerámicos. 24. 2.5.1. Materias primas 2.5.1.1. Tipos de materias primas 2.6.. Ladrillos:. 25 25 27. 2.6.1. Componentes. 27. 2.6.2. Descripción de la actividad ladrillera. 28. 2.7.. 2.6.2.1.Extracción de arcilla y tierras. 30. 2.6.2.2.Mezcla. 31. 2.6.2.3.Moldeo o labranza. 32. 2.6.2.4.Secado. 33. 2.6.2.5.Carga del horno. 33. 2.6.2.6.Cocción. 34. 2.6.2.7.Descarga del horno. 35. 2.6.2.8.Clasificación y despacho. 36. Norma técnica peruana E070 albañilería. 36. 2.7.1. Clasificación. 36. 2.7.2. Requisitos. 37. 2.7.2.1.Determinación de la resistencia a la compresión. 37. 2.7.2.2.Determinación de la absorción del ladrillo. 38.

(7) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. CAPITULO III DESARROLLO EXPERIMENTAL 3.1. Lugar de ejecución. 40. 3.2.. 40. Planificacion de la experimentacion. 3.2.1. Estudio de la materia prima “lodos”. 40. a). Titulo del experimento. 40. b). Objetivo. 40. f). Algoritmo para el estudio de la muestra. 43. 3.2.2. Para el diseño del tanque espesador. 44. a). Título del experimento. 44. b). Objetivos. 44. c). Variables. 44. d). Materiales y Equipos. 45. e). Metodología. 45. f). Resultados esperados. 50. g). Diseño experimental. 51. h). Diseño estadístico aplicado. 52. i). Algoritmo para el diseño del tanque espesador. 53. 3.2.3. Para las eras de secado. 53. a). Título del experimento. 53. b). Objetivos. 53. c). Variables. 54. d). Materiales y equipos. 54. e). Metodología. 54. e.7) Determinación del área del lecho de secado. 59. e.8) Diseño del lecho de secado. 59. f). Resultados Esperados. 60. g). Diseño experimental. 60. h). Diseño estadístico aplicado. 62. i). Algoritmo para el diseño de la era de secado. 62.

(8) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 3.3.3. Para la elaboración de ladrillos con lodos 3.3.3.1. Determinación de metales y metales pesados. 64 64. a) Título Del Experimento. 64. b) Objetivos. 64. c) Materiales Y Equipos. 64. d) Metodología. 64. e) Diseño Experimental. 65. f). 65. Algoritmo de Evaluación. 3.3.3.2. Ensayo de determinación de ph. 66. a) Título Del Experimento. 66. b) Objetivos. 66. c) Materiales Y Equipos. 66. d) Metodología. 66. e) Resultados Esperados. 67. f). 67. Diseño Experimental. g) Algoritmo Para Determinar El Ph En El Lodo. 68. 3.3.3.3. Evaluación de textura. 68. a) Título del Experimento. 68. b) Objetivo. 68. c) Materiales y Equipos. 68. d) Metodología. 69. e) Resultados Esperados. 70. f). 71. Diseño Experimental. g) Algoritmo para Determinar la Textura del Lodo 3.3.3.4. Elaboración de ladrillos. 73 73. a) Título del Experimento. 73. b) Objetivos. 73. c) Variables. 73. d) Materiales y Equipos. 74. e) Metodología. 74. f). 75. Resultados Esperados.

(9) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. g) Diseño Experimental. 75. h) Algoritmo para la Elaboración de Ladrillos. 76. 3.3.3.5. Evaluación de la calidad de los ladrillos. 77. 3.3.3.5.1. Ensayo de resistencia a la compresión. 77. a) Título del experimento. 77. b) Objetivos. 77. c) Variables. 77. d) Materiales y equipos. 77. e) Metodología. 77. f) Resultados esperados. 79. g) Diseño experimental. 79. h) Diseño estadístico aplicado. 80. i) Algoritmo para evaluar la resistencia a la compresión. 81. 3.3.3.5.2. Ensayo de absorción de agua. 82. a) Título del experimento. 82. b) Objetivos. 82. c) Variables. 82. d) Materiales, reactivos y equipos. 82. e) Metodología. 82. f) Resultados esperados. 84. g) Diseño experimental. 84. h) Diseño estadístico aplicado. 86. i) Algoritmo para determinar la absorción de agua. 86. CAPITULO IV ANÁLISIS Y RESULTADOS 4.1. Generalidades. 87. 4.2. Presentación y discusión de resultados. 87. 4.2.1 estudio de la materia prima “lodos”. 87. 4.2.2 resultados para el diseño del tanque espesador. 88. a). Medición de caudales. 88.

(10) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. b). Velocidad de sedimentación y carga superficial. 91. c). Determinación de la velocidad de sedimentación crítica. 94. d). Determinación de sólidos totales (st), sólidos totales suspendidos (tss), sólidos sedimentables (ss) y volumen de las zonas de sedimentación. 94. e). Determinación del área del espesador. 95. f). Determinación el periodo de detención y profundidad. 96. g). Determinación del volumen del espesador (vesp). 97. h). Diseño del tanque espesador. 98. i). Análisis de resultados para determinar el volumen del espesador y el periodo de detención mediante un diseño de regresión múltiple. i.1) Modelo matemático para determinar el volumen de detención i.2) Modelo matemático para determinar el tiempo de detención. 4.2.3 Resultados para el diseño de la era de secado. 98 98 102. 106. a) Carga de Trabajo. 106. b) Determinación de la Humedad. 107. c) Determinación de la Cantidad de Agua Evaporada. 110. d) Determinación del tiempo total de Evaporación. 111. e) Diseño de la era de secado. 116. f) Análisis de resultados para determinar el tiempo de secado 116 4.2.4 resultados para la elaboración de ladrillos con lodo. 120. a) Determinación de metales y metales pesados. 120. b) Determinación de potencial de hidrógeno. 122. c) Determinación de textura. 122. d) Determinación de ladrillos de construcción. 127. e) Análisis de resultados para Determinar la Resistencia a la Compresión. 130. f) Análisis de resultados para Determinar la Absorción de agua 135 4.11 Validación de Hipótesis. 139.

(11) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. CAPITULO V EVALUACIÓN ECONÓMICA 5.1. Generalidades. 140. 5.2. Inversiones Efectuadas. 140. 5.2.1. Materiales Utilizados. 140. 5.2.2. Alquiler de Equipos. 141. 5.2.3. Pago de Servicios. 141. 5.2.4. Inversión Total de la Experimentación. 141. CONCLUSIONES. 143. BIBLIOGRAFÍA. 146. ANEXOS.

(12) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. ÍNDICE DE TABLAS. Tabla 1.. Clasificacion De Variables. Tabla 2. Características De Los Lodos Generados En Las Plantas De Tratamiento De Agua Potable:. Tabla 3. 5. 10. Concentración De Metales Presentes En La Fase Sólida De Los Lodos De Plantas De Tratamiento De Agua Potable En Estudio:. Tabla 4. 11. Características De Los Lodos Generados Por Decantadores Dentro De Una Planta De Tratamiento De Aguas Residuales:. 11. Tabla 5.. Relación De Carga Superficial Con La Profundidad. 18. Tabla 6.. Clase De Unidad De Albañilería Para Fines Estructurales. 37. Tabla 7.. Valores Promedio De Parámetros Fisicoquímicos/Metales De Los Lodos Evaluados En Estudio. Tabla 8.. Valores Teoricos Típicos De Lodos Generados En Plantas De Tratamiento De Agua Potable. Tabla 9.. 42. 43. Identificación De Variables Dependientes E Independientes Para El Modelo Matemático Que Determina El Volumen. 44. Tabla 10. Identificación De Variables Dependientes E Independientes Para El Modelo Matemático Que Determina El Periodo De Detención Tabla 11. Lectura De Los Caudales Obtenidos Experimentalmente. 44 46. Tabla 12. Valores Promedio De Parámetros Fisicoquímicos De Los Lodos Evaluados En Estudio. 47. Tabla 13. Datos De Sólidos Totales, Sólidos Sedimentados Finales, Sólidos Suspendidos Y Sólidos Suspendidos En El Clarificado. 48. Tabla 14. Datos Del Área Para Cada Prueba Evaluada. 49. Tabla 15. Datos Del Periodo De Detención Para Cada Prueba Evaluada. 49. Tabla 16. Datos Del Periodo De Detención Para Cada Prueba Evaluada. 50. Tabla 17. Matriz De Resultados Del Volumen Del Sedimentador. 51.

(13) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Tabla 18. Matriz De Resultados Del Periodo De. Detención - Diseño De. Regresión Múltiple. 51. Tabla 19. Determinación Del Porcentaje De Error Entre El Valor Teórico Y Experimental. 52. Tabla 20. Determinación Del Porcentaje De Error Entre El Valor Teórico Y Experimental. 52. Tabla 21. Confiabilidad Del Modelo Matemático Determinando El F Estadístico. 52. Tabla 22. Identificación De Variables De Investigacion Para Determinar El Tiempo De Secado. 54. Tabla 23. Identificación De Variables De Operación Para Determinar El Tiempo De Secado. 54. Tabla 24. Resultados De Carga De Trabajo. 55. Tabla 25. Resultados De Humedad Para Cada Intervalo De Tiempo. 56. Tabla 26. Resultados De Humedad Para Cada Periodo De Tiempo. 57. Tabla 27. Evaporación Media Y Precipitación Para La Región Arequipa. 58. Tabla 28. Resultados De Evaporación Media Y Tiempo De Secado. 59. Tabla 29. Espesor De Arena Y Grava En Una Era De Secado Ordinaria. 60. Tabla 30. Matriz De Resultados Del Tiempo De Secado Por Medio De Regresión Lineal. 60. Tabla 31. Matriz De Resultados Del Tiempo De Secado Por Medio De Regresión Lineal Codificada. 61. Tabla 32. Determinación Del Porcentaje De Error Entre El Valor Teórico Y Experimental. 61. Tabla 33. Confiabilidad Del Modelo Matemático Determinando El F Estadístico. 62. Tabla 34. Resultados De Metales Y Metales Pesados. 65. Tabla 35. Resultados De Ph Obtenidos En Las 7 Pruebas. 67. Tabla 36. Clasificacion Del Departamento De Agricultura De Los Estados Unidos Tabla 37. Datos Para La Determinación De Textura En El Lodo. 71 71.

(14) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Tabla 38. Resultados De % De Arcilla, % De Limo Y % De Arena En El Lodo Espesado. 72. Tabla 39. Condiciones De Elaboración De Los Diferentes Tipos De Ladrillos Tabla 40. Variables De Operacion. 76 77. Tabla 41. Certificado De Ensayos De Resistencia A La Compresión De Los Diferentes Tipos De Ladrillos. 78. Tabla 42. Niveles De Las Variables Para El Diseño Factorial Con Puntos Centrales. 79. Tabla 43. Matriz De Resultados De Ensayos De Resistencia A La Compresión. 80. Tabla 44. Análisis De Variables Significativas Mediante El Análisis De Varianza. 80. Tabla 45. Análisis De Residuos. 81. Tabla 46. Variables De Operacion. 82. Tabla 47. Certificado De Ensayos De Absorción De Agua De Los Diferentes Tipos De Ladrillos. 84. Tabla 48. Niveles De Las Variables Para El Diseño Factorial Con Puntos Centrales Tabla 49. Matriz De Resultados De Ensayos De Absorción De Agua. 85 85. Tabla 50. Análisis De Variables Significativas Mediante El Análisis De Varianza Tabla 51. Análisis De Residuos. 85 86. Tabla 52. Valores Promedio De Parámetros Fisicoquímicos De Los Lodos Evaluados En Estudio Tabla 53. Lectura De Los Caudales Obtenidos Experimentalmente. 88 89. Tabla 54. Lectura De Los Caudales Promedios Obtenidos Experimentalmente Durante El Año 2013. 90. Tabla 55. Determinación Del Porcentaje De Variación Para El Caudal Del Mes De Julio. 90.

(15) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Tabla 56. Datos De Altura De Sedimentación Medidos A Diferentes Tiempos. 91. Tabla 57. Datos De Velocidad De Sedimentación Evaluados A Diferentes Tiempos Tabla 58. Datos De Velocidad De Sedimentación Crítica. 93 94. Tabla 59. Datos De Sólidos Totales, Sólidos Sedimentables Finales, Sólidos Suspendidos Y Sólidos Suspendidos En El Clarificado. 94. Tabla 60. Datos De Caudal Correspondientes Al Mes De Febrero (Caudal Más Elevado). 96. Tabla 61. Datos Del Área Obtenido Para Cada Prueba Evaluada. 96. Tabla 62. Datos Del Periodo De Detención Para Cada Prueba Evaluada. 97. Tabla 63. Datos Del Periodo De Detención Para Cada Prueba Evaluada. 97. Tabla 64. Datos De Volumen Para Cada Prueba Evaluada. 97. Tabla 65. Matriz De Resultados Del Volumen Del Espesador Por Medio De Regresión Lineal Tabla 66. Coeficientse De Regresion Lineal Multiple. 99 99. Tabla 67. Determinación Del Porcentaje De Error Entre El Valor Teórico Y Experimental. 101. Tabla 68. Confiabilidad Del Modelo Matemático Determinando El F Estadístico. 102. Tabla 69. Matriz De Resultados Para El Periodo De Detención Mediante El Diseño De Regresión Lineal. 103. Tabla 70. Coeficientes De Regresión Para Un Modelo De Regresión Lineal Con 3 Variables. 103. Tabla 71. Determinación Del Porcentaje De Error Entre El Valor Teórico Y Experimental. 105. Tabla 72. Confiabilidad Del Modelo Matemático Determinando El F Estadístico. 106. Tabla 73. Resultados De Carga De Trabajo. 107. Tabla 74. Resultados De Humedad En Cada Periodo De Tiempo. 107. Tabla 75. Resultados De Agua Evaporada Evaluada A Cada Muestra. 110.

(16) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Tabla 76. Resultados De Evaporación Media Y Tiempo De Secado Para La Prueba P4. 112. Tabla 77. Resultados De Evaporación Media Y Tiempo De Secado Para La Prueba P5. 113. Tabla 78. Resultados De Evaporación Media Y Tiempo De Secado Para La Prueba P6. 114. Tabla 79. Resultados De Evaporación Media Y Tiempo De Secado Para La Prueba P7. 115. Tabla 80. Matriz De Resultados Del Tiempo De Secado Por Medio De Regresión Lineal. 116. Tabla 81. Matriz De Resultados Del Tiempo De Secado Por Medio De Regresión Lineal Codificada. 117. Tabla 82. Coeficientes De Regresión Para Un Modelo De Regresión Lineal Con 4 Variables Codificado. 117. Tabla 83. Determinación Del Porcentaje De Error Entre El Valor Teórico Y Experimental. 119. Tabla 84. Resultados De Metales Y Metales Pesados. 121. Tabla 85. Resultados De Ph Obtenidos En Las 7 Pruebas. 122. Tabla 86. Datos Para La Determinación De Textura En El Lodo. 123. Tabla 87. Resultados De % De Arcilla, % De Limo Y % De Arena En El Lodo Espesado. 123. Tabla 88. Resultados De Ensayos Para El Tipo De Tierra Usado En Cada Ladrillera. 125. Tabla 89. Comparacion Del Lodo Con Las Ladrilleras. 126. Tabla 90. Resultados De Ensayos A Las Ladrilleras. 126. Tabla 91. Materia Prima De La Ladrillera Morazan. 126. Tabla 92. Resultados De Ensayos Para El Barro Negro Usado En Cada Ladrillera. 127. Tabla 93. Resultados De Ensayos De Resistencia A La Compresión De Los Diferentes Tipos De Ladrillos. 128. Tabla 94. Comparacion De Rseltados De Resistencia. 129.

(17) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Tabla 95. Resultados De Ensayos De Absorcion De. 130. Tabla 96. Niveles De Las Variables Para El Diseño Factorial Con Puntos Centrales. 130. Tabla 97. Matriz De Resultados De Ensayos De Resistencia A La Compresión. 131. Tabla 98. Análisis De Variables Significativas Mediante El Análisis De Varianza Tabla 99 Análisis De Residuos. 132 134. Tabla 100. Niveles De Las Variables Para El Diseño Factorial Con Puntos Centrales. 135. Tabla 101. Matriz De Resultados De Ensayos De Absorción De Agua De Las Diferentes Pruebas. 136. Tabla 102. Análisis De Variables Significativas Mediante El Análisis De Varianza. 136. Tabla 103. Analisis De Residuos. 138. Tabla 104. Materiales Utilizados:. 140. Tabla 105. Alquiler De Equipos:. 141. Tabla 106. Pago De Servicios. 141. Tabla 107. Gastos De Inversion En La Experimentacion. 141.

(18) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. ÍNDICE DE GRÁFICOS. Grafica 1. Comportamiento Del Descenso De Las Partículas Expresado Como Altura (Cm) En Diferentes Tiempos.. 92. Grafica 2. Velocidad De Sedimentación Respecto Al Tiempo. 93. Grafica 3. Comportamiento Del Descenso De Las Particulas Expresado Como Altura (Cm) En Diferentes Tiempo. 95. Grafica 4. Área Y Volumen Obtenido Por Prueba. 98. Grafica 5. Volumen = F(Vsc, Q). 100. Grafica 6. Volumen = F(Tb, Q). 101. Grafica 7. Tiempo De Detención = F(Tb, Q). 104. Grafica 8. Tiempo De Detención = F(Tb, Vsc). 105. Grafica 9. % De Humedad Y % De Obtenido En La Prueba P4. 108. Grafica 10. % De Humedad Y % De Obtenido En La Prueba P5. 108. Grafica 11. % De Humedad Y % De Obtenido En La Prueba P6. 109. Grafica 12. % De Humedad Y % De Obtenido En La Prueba P7. 110. Grafica 13. Tiempo De Secado = F(Evap, Ct). 118. Grafica 14. Tiempo De Secado = F(Evap, H). 119. Grafica 15. Resultados De Metales Y Metales Pesados. 121. Grafica 16. Determinación Del % De Arcilla, Limo Y Arena. 123. Grafica 17. Comparacion Del Resultado De Resistencia A La Compresion De Los Diferentes Tipos De Ladrillo. Grafica 18. 129. Interacción De Efectos De Las Variables Para La Evaluación De La Resistencia Mediante El Diseño Factorial Con Puntos Centrales. 133. Grafica 19. Resistencia = F(%H, %Lodo). 134. Grafica 20. Interacción De Efectos De Las Variables Para La Evaluación De La Resistencia Mediante El Diseño Factorial Con Puntos. Grafica 21. Centrales. 137. Absorción = F(%H, %Lodo). 138.

(19) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. ÍNDICE DE FIGURAS. Figura 1.. Ensayo de fitch - sedimentacion. 16. Figura 2.. Zonas de Sedimentación. 17. Figura 3.. Curva de velocidad de Evaporación. 22. Figura 4.. Lecho de secado de arena. 23. Figura 5.. Algoritmo para el estudio de la muestra. 43. Figura 6.. Algoritmo de evalucion. 53. Figura 7.. Algoritmo de evaluacion. 63. Figura 8.. Algoritmo para determinar presencia de metales. 65. Figura 9.. Determinacion de ph. 68. Figura 10. Triángulo de Textura. 72. Figura 11. Algoritmo De Evalucion De Texturas. 73. Figura 12. Algoritmo de elaboracion de ladrillos. 76. Figura 13. Algoritmo de evaluacion de resistencia a la compresion. 81. Figura 14. Algoritmo de evaluacion de absorción de agua. 86. Figura 15. Determinación de textura para el lodo. 124.

(20) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. ÍNDICE DE DIAGRAMAS. Diagrama 1. Diagrama de Flujo General Para la Elaboracion de Ladrillos. 28. Diagrama 2. Diagrama de Flujo del Proceso de Elaboracion de Ladrillos. 29. Diagrama 3. Diagrama de Equipos en la Elaboracion de Ladrillos. 30.

(21) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. ÍNDICE DE ANEXOS. Anexo A:. Medición de caudales. Anexo B:. Determinación de profundidades. Anexo C:. Determinación del volumen del sedimentado. Anexo D:. Determinación de carga de trabajo. Anexo E:. Determinación de % de sólidos. Anexo F:. Determinación de área de secado. Anexo G:. Determinación de textura del lodo. Anexo H:. Decreto supremo n° 021- 2009- vivienda (valores máximos admisibles de las descargas de aguas Residuales no domésticas al sistema de alcantarillado sanitario). Anexo I:. Resolución Ministerial n° 011-2006-vivienda (norma técnica peruana E.070 - albañilería2006. Anexo J:. Certificado de análisis fisicoquímicos a los lodos generados en los decantadores de una planta de tratamiento de agua potable (emitido: laboratorios CORPLAB). Anexo K:. Certificado de ensayos de resistencia a la compresión (emitido: laboratorio de concretos – Ing. Civil). Anexo L:. Certificado de ensayos de absorción de agua (emitido: laboratorio de concretos – Ing. Civil). Anexo M:. Decreto supremo n° 002 -2008 –Minam (estándares nacionales de calidad ambiental para agua). Anexo N:. Fotografías de la experimentación. Anexo O:. Diseño del Tanque Espesador. Anexo P:. Diseño de la Era de Secado. Anexo Q:. Uso del Paquete Estadístico: Stadistic versión 7.0.

(22) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. GLOSARIO DE ABREVIATURAS Abreviatura: Significado (Unidades de Medición) -. Q = Caudal de ingreso (m3/seg). -. Aesp = área de espesado (m2). -. Vsed = Velocidad de Sedimentación(cm/seg). -. h = Altura del sedimentado. -. tsed = tiempo de sedimentado. -. Vsc = Velocidad de Sedimentación critica(cm/seg). -. L = largo de espesador (m). -. Pesp = Profundidad del espesador (m). -. D1 = Decantador 1. -. D2 = Decantador 2. -. D3 = Decantador 3. -. D12 = Combinación del Decantador 1 y 2. -. D13 = Combinación del Decantador 1 y 3. -. D23 = Combinación del Decantador 2 y 3. -. D123= Combinación del Decantador 1 2 y 3. -. Tb = Turbidez (NTU). -. CT = Carga de trabajo (Kg/hr). -. H = Humedad (%H2O/% Total de muestra). -. Pr = Precipitación (mm). -. Ev = Evaporación (mm). -. 𝐗 𝐋 = Porcentaje de lodo (%). -. T = Temperatura de Cocción (°C). -. Vesp = Volumen del Espesador (m3). -. Td = Periodo de Detención (Hr). -. 𝐭 𝐬𝐞𝐜, = Tiempo de secado ( días). -. 𝐀 𝐬𝐞𝐜 , = Área del lecho de secado ( m2 ). -. R = Resistencia a la compresión (Kg/cm2). -. 𝛒𝐋 = Densidad del ladrillo (g/cm3 ).

(23) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. RESUMEN. En este trabajo se planteó como objetivo general evaluar la viabilidad técnica de emplear lodos de plantas potabilizadoras de agua potable en la elaboración de productos utilizados en la industria de la construcción. Con este fin, en una primera etapa del estudio se realizó un muestreo y caracterización de los lodos producidos en una planta potabilizadora. En una segunda etapa se diseño un espesador y una era de Secado, con el fin de reducir su humedad para hacer posible su remoción total. En la tercera etapa se realizó la prueba textura donde se obtuvo como resultado Franco-Arcillo-Arenoso, de acuerdo a estos resultados se evaluó la mejor opción para la combinación del lodo con otro tipo de tierra, el resultado fue barro negro (Denominación artesanal), este es un tipo de tierra Arcillo - Limosa. Se procedió a la elaboración de ladrillos a base de lodo puro y también en diferentes proporciones dentro de la mezcla, variando además, las condiciones de elaboración. Finalmente, a los especímenes elaborados se les determinó ensayos de resistencia a la compresión y absorción de agua para evaluar la viabilidad de utilizar el lodo como materia prima en la elaboración del material de Construcción. Las mezclas binarias, compuestas por 50% lodo y 50% de Tierra Arcillo - Limosa, presentaron valores más altos de resistencia a la compresión (55.61 y 53.98 Kg/cm2), con respecto a la absorción de agua el valor más alto (9.87%) se obtuvo en dos muestras, ambas pertenecen al mismo tipo de ladrillo (T-1) compuesto de 100% lodo, sometido a la misma temperatura, pero con diferente porcentaje de Humedad. En base a estos resultados, se determinó que el lodo es un material que posee una aceptable viabilidad técnica para ser utilizado en este tipo de materiales, aunque solo en un porcentaje límite..

(24) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. INTRODUCCION. Los desechos de plantas de tratamiento de agua potable se generan principalmente en los desarenadores, decantadores y los filtros. Los desarenadores y filtros no representan un problema para el acueducto, pues en el primero los sedimentos son principalmente arena que son recogidas como material de río y el segundo contiene agua efluente en baja concentración que no representa problema alguno. Caso contrario son los lodos generados en la purga de los decantadores, que contienen en su mayoría aluminio, hierro y otros compuestos contaminantes que son el resultado del uso de coagulantes durante el proceso para el tratamiento de agua potable, también contienen cargas de sólidos y material en suspensión que deben ser removidas antes de ser vertidos. Además los lodos producidos contienen un alto contenido de humedad, la cual debe ser retirada por métodos físicos, para hacer más fácil su manejo y disposición final. La investigación propone una alternativa para el tratamiento de lodos provenientes de plantas de tratamiento de agua potable, por medio de procesos de sedimentación y deshidratación mediante el diseño de un espesador y era de secado respectivamente; posteriormente se determinara las características físico-químicas de estos lodos deshidratados, optando como alternativa el uso de estos como una materia prima para la elaboración de ladrillos de construcción, ya que su contenido de. Sílice, Hierro y Aluminio atribuirá. propiedades importantes sobre la calidad final del producto, esto se determinara con ensayos donde el uso del lodo seco variara su porcentaje dentro de una mezcla con otros tipo de arena (Textura Arcillo-Limosa), obteniendo ladrillos que cumplan con la calidad especificada dentro de la Norma Técnica Peruana E070- Albañilería 331.017, evaluadas mediante pruebas de Resistencia a la Compresión y Absorción del ladrillo..

(25) CAPITULO I GENERALIDAES. 1.1. ANTECEDENTES Una de las opciones para el aprovechamiento de lodos, producto del tratamiento de agua potable, es la elaboración de materiales de construcción, como ladrillos, constituidos parcial o totalmente por residuos con propiedades mecánicas similares, o en muchos casos superiores, a las de productos comerciales (Escalante, 2002; Salazar, 2003). Como antecedentes de esta opción de aprovechamiento se pueden mencionar a Dillon et al. (1996), que mostraron el potencial que resulta al incorporar lodos provenientes de coagulación con sales de aluminio y sales férricas en varios procesos de manufactura de cemento, ladrillos, hierro y acero, cerámica y materiales refractarios en el Reino Unido. Goncalves, et al. (2002) presentó un estudio sobre la incorporación de lodos de una planta de tratamiento de agua potable en Portugal, como aditivo en la elaboración de mortero, encontrando que el lodo deshidratado y secado a 105 ºC inhibe el proceso de secado y endurecimiento de la pasta del mortero, por lo que concluye el lodo tratado térmicamente a no menos de 450 ºC, es la mejor opción para fabricar mortero, mejorando el tiempo de secado, pero disminuyendo un poco la resistencia mecánica. En Colombia, un grupo de investigadores de la Universidad del Valle, tomaron lodos de las plantas de tratamiento de aguas residuales con el objeto de evaluar su potencial en productos cementantes y ladrillos para construcción, produciendo un material de alta resistencia y con una característica importante como es la impermeabilidad, lo cual permite que los metales pesados o sustancias lixiviables queden “encapsuladas” y no salgan al contacto con el agua (Salazar, A. 2003)... 1.

(26) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 1.2. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA:. Todos los procesos de tratamiento de agua potable implica la producción de lodos como subproducto, este representa un aproximado de 0.4 a 5 % del agua tratada, provenientes de la remoción de sólidos suspendidos presentes en el agua cruda y de reactivos adicionados. El manejo, tratamiento y disposición final de dichos lodos es un problema importante que hasta el momento no se ha prestado atención para ser resuelto. La principal dificultad que se presenta en el manejo de estos residuos es su alto contenido de agua (98%) a ello se añade su pobre capacidad de deshidratación, particularmente la de los lodos producidos por aluminio. Para realizar los procesos de coagulación estas plantas de tratamiento de agua en su mayoría utilizan principalmente sulfatos y policloruros de aluminio como coagulante y también en algunos casos polímeros, dichos compuestos son desechados junto con los lodos, los cuales generalmente son vertidos al drenaje público o en los suelos, donde posteriormente en su mayoría alcanzan a los ríos corriente más abajo sin ningún proceso previo para remoción de contaminantes. Los recursos para la operación de técnicas del tratamiento de lodos en las plantas potabilizadoras son escasos, por ello es necesario implantar técnicas para la remoción de estos. Si bien estos residuos son principalmente inorgánicos, van formando depósitos o “Bancos de fangos” en los tramos lentos del cauce, a la vez que aumentan la turbiedad y el color de las aguas receptoras, se plantean problemas medioambientales que hay que considerar y por tanto se deben extraer los residuos sólidos antes de vertidos a los alcantarillados y/o ríos, ello puede lograrse con procesos de concentración de lodo (Espesadores de gravedad) y posterior deshidratación (eras de secado).. 2.

(27) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Varios autores coinciden en que los lodos pueden producir efectos tóxicos al ser vertidos directamente al alcantarillado, por la presencia de exceso de aluminio, causando efectos severos, ya que el Decreto Supremo 021 (Valores máximos admisibles de las descargas de aguas residuales no domésticas al sistema de alcantarillado sanitario) solo admite 10mg/Lt. Por otro lado, los lodos utilizados como regadíos en zonas aledañas, afecta el crecimiento de las plantas por la elevada concentración del Aluminio, debido a que este elemento reduce la profundidad de las raíces, aumenta la susceptibilidad a la sequía y decrece la utilización de los nutrientes del subsuelo, interfiriendo con la absorción, transporte y uso de varios elementos esenciales incluyendo Cu, Zn, Ca, Mg, Mn, K, P y Fe. Para este caso el valor máximo permisible, según lo establecido en el Decreto Supremo N° 002-2008 – MINAM (Estándares Nacionales De Calidad Ambiental Para Agua En La Categoría 3, Referido Al Riego De Vegetales Y Bebidas De Animales), admite solo 5 mg/Lt de presencia de Aluminio. Estos impactos ambientales significativos de las descarga, ha obligado a buscar otras alternativas técnicas y económicamente viables para el aprovechamiento de los lodos de modo que representen un beneficio económico y ambiental como es la elaboración de ladrillos de construcción que presenta una alta factibilidad técnica, ya que están constituidos parcial o totalmente por residuos con propiedades mecánicas similares. 1.3. OBJETIVOS. 1.3.1. Objetivo General.. Aprovechar los lodos generados en los decantadores de una planta de tratamiento de agua potable como materia prima para la elaboración de ladrillos de construcción, con el fin de reducir impactos ambientales.. 3.

(28) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 1.3.2. Objetivos Específicos  Determinar las características físico – químicas de los lodos evacuados en los decantadores de la planta de Agua Potable que permita conocer las condiciones en que se encuentran.  Diseñar un tanque Espesador para los lodos provenientes de los decantadores de la planta de tratamiento de Agua Potable  Proponer un modelo matemático que prediga el Volumen final y tiempo de detención del Espesador.  Diseñar los lechos de secado, en función de la cantidad de lodo previamente sedimentado en los espesadores.  Proponer un modelo matemático que prediga el Tiempo necesario requerido para la deshidratación de lodo.  Evaluar la textura del lodo deshidratado mediante el Triangulo de textura.  Caracterizar y comparar los diferentes tipos de mezclas con las que se combino el lodo.  Elaborar de ladrillos de construcción usando como materia prima lodos espesados y deshidratados en diferentes porcentajes.  Estudiar las condiciones de operación durante la Fabricación de ladrillos.  Evaluar la calidad del ladrillo por medio de ensayos de Absorción de agua y Resistencia a la Compresión.  Proponer un modelo matemático que prediga las condiciones adecuadas para elaborar ladrillos de alta calidad.. 1.4. HIPÓTESIS Es posible que al someter los lodos provenientes de los decantadores de plantas de tratamiento de agua potable a procesos de espesado y deshidratación reducirán su volumen reflejado en el contenido de agua de un 98% hasta un 20%, ayudando al mejor manejo de los mismos. Posteriormente con la concentración del lodo se procederá a la elaboración de ladrillos de construcción de buena calidad, a fin de 4.

(29) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. minimizar impactos ambientales; esta opción podría ser viable debido a que el lodo contiene arcilla, arena y residuos de coagulantes utilizados en el proceso de tratamiento de agua potable (Óxidos de Aluminio, Sílice e Inertes), estos componentes podrían ser. una buena base para la. elaboración de ladrillos que tienen como composición fundamental 30% arcilla, 45 % arena y otros compuestos en un 25%. Es factible que la composición del lodo difiera de los valores mencionados anteriormente, por lo que se tendrá como proposición tentativa la mezcla de este con otro tipo de tierras a fin de mejorar la calidad del ladrillo.. 1.5. VARIABLES. PRUEBA. Diseño del Espesador. TABLA 1. CLASIFICACION DE VARIABLES VARIABLES DE VARIABLES DE CLASIFICACION INVESTIGACION OPERACIÓN Velocidad de Sedimentación Variables Caudal de ingreso (Vs, m/h) Independientes (Q, m3/seg) Turbidez (Tb, NTU). Variables Dependientes. Volumen del Espesador (Vesp, m3) Periodo de Retención (Td, Hr) Carga de trabajo(CT, Kg/hr). Variables Independientes Diseño de una Era de Secado. Humedad (H, %H2O/% Sólidos). -------. Precipitación (Prec, mm) Evaporación (Evap, mm). Tiempo de secado (t total sec, días) Variables Dependientes. Área del lecho de secado (Asec , m2 ). 5. -------.

(30) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Variables Independientes Elaboración de Ladrillos. Porcentaje de lodo ( 𝑋𝐿 , %). Humedad ( 𝐻𝐿, %) Temperatura de Cocción (T, °C). Resistencia a la compresión (Kg/cm2) Variables Dependientes. Absorción de agua en el ladrillo (%). -------. Fuente: Elaboración propia. 1.6. JUSTIFICACIÓN  Justificación Económica: A fin de utilizar el lodo como materia prima en la elaboración de ladrillo, se presenta un tratamiento previo basado en el diseño de un espesador por gravedad y eras de secado, las cuales involucran un tratamiento factible para la remoción de lodos. Al ser estos procesos netamente físico- quimios no involucran el costo de energía, simplemente se hace uso de la gravedad y la energía solar, además no se necesita de personal altamente calificado, por la simpleza del manejo de los equipos. El beneficio en las ladrilleras viene dado por el alto contenido de óxidos de Aluminio, silicio y hierro; además el lodo presenta. una. humedad considerable, que puede omitir la adicción de agua durante el proceso de elaboración de ladrillo, reduciendo de esta manera costos de producción.  Justificación Tecnológica: En la búsqueda de un mejor manejo de estos residuos es la utilización del lodo deshidratado como materia prima en la elaboración de Ladrillos,. ya que su composición química tienen 6.

(31) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. diferentes óxidos metálicos siendo los más importantes el aluminio y fierro. Estos Óxidos dan como resultado las propiedades de plasticidad, refractibilidad y reduce el punto de fusión del ladrillo en el proceso de cocción. Otro componente importante es la sílice del lodo que otorga la dureza y resistencia en el ladrillo, para obtener lodo como materia prima se someterá a un tratamiento previo diseñando dos estructuras:. La primera es un espesador por gravedad que aunque su eficiencia se ve superada por otros métodos de espesamiento, este posee ventajas que se ajustan a esta investigación donde se trata con caudales elevados. El segundo es un lecho de secado, este proceso es más lento que un secado térmico, pero no hay consumo de energía, y tampoco se utilizan insumos químicos.  Justificación Ambiental:. La contaminación generada por el lodo producto del tratamiento de agua potable afecta directamente las zonas agrícolas aledañas y el alcantarillado público, ya que el lodo no ha sufrido descomposición previa alguna haciéndolo inestable y tóxico. Además los lodos al contener sustancias coloidales y viscosas (polímeros, sulfatos, aluminio, hierro y sílice) en elevadas concentraciones afectan la vegetación y causan una alteración en el ecosistema de los seres vivos que se desarrollan en esta área, debido a que la toxicidad del aluminio en suelos ácidos es de especial importancia, debido a la destrucción de componentes del ecosistema forestal. Se reduce el rendimiento de biomasa, el crecimiento de los árboles y la actividad de la microflora que degrada la hojarasca del suelo, convirtiéndola en humus.. 7.

(32) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. El fin de esta investigación es el aprovechamiento de los lodos producidos en los decantadores mediante el empleo de estos como materia prima en la elaboración de Ladrillos a fin mitigar la contaminación generada por la planta de tratamiento de agua potable y a la vez cumplir con el decreto supremo 021-2009-vivienda (Valores máximos admisibles de las descargas de aguas residuales no domésticas al sistema de alcantarillado sanitario), el cual menciona que el agua debe ser tratada en caso de no cumplir con los valores máximos admisibles.. 1.7.. ALCANCES Las pruebas del presente trabajo de investigación tienen la finalidad de obtener las condiciones adecuadas a nivel laboratorio para la elaboración de ladrillos a base de lodo, mediante tratamientos previos de espesado y deshidratado.. 1.8.. RESTRICCIONES Para el caso del diseño del espesador se realizo a nivel laboratorio, el diseño de la era de secado se evaluó a nivel piloto, ya que la cantidad de muestra espesada a nivel de laboratorio fue despreciable para ser sometida al proceso de secado.. 8.

(33) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. CAPITULO II MARCO TEORICO. 2.1. LODO COMO SUBPRODUCTO DEL TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE En el tratamiento de agua potable es imposible evitar la producción de lodos que al final del proceso son considerados como un desperdicio. Dependiendo de la calidad del agua tratada, los lodos de tratamiento de agua contienen suspensiones de sustancias inorgánicas y orgánicas, también Óxidos de alúmina Típicamente hidratados y óxidos de hierro (esto depende de coagulantes utilizados para el tratamiento). La mayor parte de los lodos de tratamiento de agua está hecha de lodos de alúmina e hidróxidos de hierro, los cuales se pueden utilizar como materia prima en la elaboración de productos cerámicos, cementos y ladrillos de construcción. Otra aplicación del lodo de alúmina seco es como un agente de adsorción para la eliminación del fósforo y los lodos de hierro contribuyen a la eliminación de los sulfuros de las aguas residuales municipales. 2.2. LODOS En el tratamiento del agua destinada al consumo humano, las sustancias evacuadas en los lodos son un conjunto a los residuos como limo, coagulantes y otros reactivos empleados en el tratamiento, son separadas, quedando un residuo de distinta naturaleza, que en un tratamiento convencional pueden ser las siguientes: -. Residuos de la coagulación/floculación generados principalmente en los decantadores y en los filtros.. -. Residuos de posibles procesos de ablandamiento.. 9.

(34) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. -. Residuos de la eliminación de hierro, manganeso y del empleo de permanganato potásico.. -. Residuos de carbón activo (sí se emplea carbón en polvo en el proceso de potabilización).. -. Residuos de carga orgánica tratada (en el caso que se trate un agua bruta con alta carga orgánica). 2.2.1. Características Generales de los Lodos. Los fangos procedentes de las estaciones de tratamiento de aguas potables están compuestos fundamentalmente por las sustancias contenidas en el agua bruta las cuales son generalmente inertes como arcillas, arenas, además de otras tanto en suspensión como disueltas, inorgánicas y orgánicas como el plancton y otros microorganismos, de aquí que las características de los fangos varíen en función de la calidad del agua bruta y de tratamiento de potabilización aplicado a esta. TABLA 2 CARACTERÍSTICAS DE LOS LODOS GENERADOS EN LAS PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE: Parámetros Demanda Bioquímica de Oxigeno, mg/l Demanda Química de Oxigeno, mg/l Ph, Unidades. valor 30 a 300 30 a 5000 6a8. Sólidos Totales, %. 0.1 a 4. Oxido de aluminio, %. 15 a 40. Sílice e inertes%. 35 a 70. Materia Orgánica, %. 15 a 25. Aluminio disuelto, mg/l. 0.024 a 0.45. Aluminio total, mg/l. 808.3 a 2567. Manganeso disuelto, mg/l. 1.66 a 7.28. Manganeso Total, mg/l. 46.5 a 173.9. Hierro total, mg/l. 100 a 322. Hierro disuelto, mg/l. 3.5 a 6.47. Carbón orgánico total, mg/l. 22.9 a 2545. Fuente: Weber, W. (2003) 10.

(35) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. TABLA 3 CONCENTRACIÓN DE METALES PRESENTES EN LA FASE SÓLIDA DE LOS LODOS DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE EN ESTUDIO:. Fuente: Weber, W. (2003). TABLA 4 CARACTERÍSTICAS DE LOS LODOS GENERADOS POR DECANTADORES DENTRO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES:. Fuente: Weber, W. (2003) En general puede decirse que el tratamiento de aguas con baja turbiedad coagulada con sulfato de alúmina, origina unos lodos con menor grado de sequedad que aquellos lodos obtenidos del tratamiento de aguas con mayores turbiedades. 11.

(36) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 2.2.2. Tipos De Lodos:. La variedad o diferentes características de los fangos dependen esencialmente de la calidad del agua bruta y del tratamiento previamente aplicado. A) Lodos de decantadores: Son lodos obtenidos en la coagulación, como son los óxidos hidratados de aluminio, junto con materias de naturaleza orgánica e inorgánica, arrastradas por el agua, siendo en la mayoría de los casos estables y no putrescibles y se van extrayendo periódica e intermitentemente del fondo de los decantadores. B) Lodos de filtros: Son similares a los antes descritos procedentes de los decantadores, con la fundamental diferencia de su más baja concentración, si bien, como los filtros pueden favorecer al desarrollo biológico, el agua de lavado puede contener mayor cantidad de materia orgánica, que la procedente de las purgas de decantadores. 2.2.3. Fuentes de generación de lodos - decantadores:. La mayor cantidad de lodos producidos en una planta de tratamiento de aguas residuales proviene de los decantadores, entre los más usuales tenemos: El decantador ACCELATOR – TIPO “IS”, Su principio de funcionamiento es por suspensión de manto de lodos, el cual involucra un mezclador (turbina) de coagulante y unas paletas para suspender los lodos (rastra), hasta acumular altas concentraciones. Otra tecnología usual planteada por CEPIS (Centro Panamericano 12.

(37) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente), es la que contiene tolvas recolectoras de lodos, donde se realizan purgas reguladoras periódicamente. Un tercer tipo es la Tecnología DEGREMONT, que tiene como principio de operación el sistema de Pulsaciones con manto de lodos. Esta tecnología consta también con una extracción de lodos automáticas, las cuales se programan cuando el nivel del lecho de lodos alcanza el borde superior de los concentradores, entonces debe empezar las extracciones. 2.3. TRATAMIENTO DE LODOS: 2.3.1 Concentración De Lodos O Espesado:. 2.3.1.1.. Definición:. El espesamiento puede ser definido como el proceso destinado a sacar una parte del agua remanente en el lodo, posterior a su separación inicial del agua. El objetivo básico del espesamiento es de reducir el volumen del lodo líquido que va a ser manipulado en procesos subsiguientes con vistas al destino final. La concentración o espesamiento es el primer paso normal en los procesos de evacuación de lodos. Se usa principalmente para espesar el lodo sobrante de la decantación o mezclas de lodos de la filtración y decantación. El espesamiento puede conseguirse: Por Gravedad, Por Flotación, Centrifugación. 2.3.1.2.. Ventajas Del Espesamiento:. Pueden ser atribuidas las siguientes ventajas principales:. 13.

(38) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. -. La reducción del volumen de lodos, reduce los costos de bombeo de lodo y la disposición final sobre el terreno.. -. Reduce los costos de acondicionadores químicos que deberán ser adjuntados previo al desaguado del lodo debido a la mayor concentración de sólidos.. -. Amortigua las fluctuaciones de flujo y concentración de lodo.. -. Muchas veces reduce los costos generales de tratamiento, tal como en la grandeza física de las unidades, en la mano de obra y en el gasto de energía. 2.3.1.3.. Inconvenientes Del Espesamiento. No siempre en el espesamiento se presenta ventajas. Hay algunos inconvenientes que deben ser resaltados:  El proceso requiere operadores adiestrados y atentos, debido a las fluctuaciones de composición y concentración del lodo.  El costo inicial de implantación es más elevado.  No es apropiado para pequeñas plantas de tratamiento de agua potable, donde es preferible utilizar unidades, como decantadores con purgas automáticas. 2.3.1.4.. Procesos Del Espesamiento:. Entre estos tenemos:  Espesamiento Por Flotación: La flotación en aguas residuales se utiliza para la eliminación de materias flotables, es decir, materias sólidas y/o líquidas de densidad inferior a la del agua. Este tratamiento se consigue por medio de aire disuelto que además es capaz de eliminar, por flotación, sólidos de densidad superior. 14.

(39) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. a la del agua. Este proceso consiste en la creación de microburbujas de aire en el seno del agua residual.  Espesamiento Por Centrifugación Las centrífugas se utilizan tanto para espesar fangos como para deshidratarlos. Su aplicación se suele limitar al espesado de fangos biológicos. Este proceso es interesante en plantas pequeñas y medias, con poco espacio y en donde se dispone de mano de obra calificada, o en plantas con fangos difíciles de espesar con otras técnicas.  Espesamiento Por Gravedad: El espesamiento a gravedad es un proceso simple usado desde hace muchos años en lodos primarios. Se trata de un proceso de sedimentación similar al que ocurre en los tanques del subsistema primario. Los lodos fluyen hacia el interior de un tanque de apariencia muy similar a los clarificadores circulares que se usan en la sedimentación primaria y secundaria. El tipo de lodos influye en el desempeño del espesamiento; los mejores resultados se obtienen con lodos de los decantadores. La concentración de sólidos de los lodos de los decantadores, de 1 - 3 por ciento, aumenta a 10 por ciento durante el espesamiento. 2.3.1.4.1.. Fundamentos de la sedimentación-espesamiento de. suspensiones concentradas: Cuando en el seno del líquido tenemos concentraciones elevadas de partículas empiezan a surgir interferencias entre las mismas y no se pueden aplicar los principios de la decantación libre. Se diferencian, entonces, tres tipos de sedimentación:. 15.

(40) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. a). Sedimentación. de. partículas. floculantes:. Este. tipo. de. sedimentación se presenta cuando las concentraciones son bajas ([SS] por debajo de 300-500 mg/L). b). Sedimentación. zonal:. Se. presenta. cuando. tenemos. concentraciones intermedias de sólidos ([SS] entre 500-5000 mg/L). c) Sedimentación por compresión: Se presenta cuando las concentraciones de sólidos son muy altas ([SS]>5000-10000 mg/L). Se denomina también espesamiento. 2.3.1.4.2. Sedimentación Zonal O Ensayo De Fitch:. Las partículas interfieren una con otras y sedimentan conjuntamente. Desde el comienzo la interacción es tan fuerte que afecta a las partículas más finas. Si se deja reposar un agua con una concentración de sólidos suspendidos similar a la anteriormente citada en una probeta, se observa que en la parte superior aparece una zona de agua clara, en la que el rendimiento de eliminación ha sido muy elevado. Se forma una especie de manto que va descendiendo, apareciendo una inter-fase.. FIGURA 1. ENSAYO DE FITCH - SEDIMENTACION. Fuente: Lothar Hess Max, (1980). 16.

(41) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Inicialmente toda la suspensión tenía una concentración uniforme y la altura de la interfase era H0 como aparece en la figura anterior. Durante una primera fase, del proceso, A-B, la interfase desciende a velocidad constante, existe una zona decantación frenada de la interfase sólidolíquido. Conforme va pasando el tiempo aparece una zona de desaceleración, zona definida como B-C. En la zona C-D se produce una zona compresión del fango donde la concentración de sólidos es muy elevada. FIGURA 2. ZONAS DE SEDIMENTACIÓN. Fuente: Lothar Hess Max, (1980). En la zona clarificada el rendimiento es del orden del 90%. Las partículas han sido arrastradas y apenas quedan algunas en suspensión. En concentraciones menores el rendimiento era bastante menor. La determinación de la carga de sólidos en un espesador debe realizarse teniendo en cuenta tres factores: 1.- Caudal a tratar en el espesamiento; 2.- Superficie necesaria para el espesamiento; 3.- Velocidad de sedimentación de las partículas del lodo.. 17.

(42) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Según este método, el área del espesador viene dada por la siguiente expresión:. A=. Q Vsc. ( 2.1). A= Superficie o Área de espesamiento Q= Caudal de ingreso al Espesador Vsc = Velocidad de Sedimentación del lodo. El Periodo de detención (td) y Profundidad (P): El Período de detención es el tiempo que la partícula de diseño tarda en llegar al fondo del tanque, por lo tanto es directamente dependiente de la profundidad del tanque. La velocidad de flujo depende de la profundidad para un ancho determinado: A mayor profundidad, menor velocidad horizontal lo que implica que no se producirá un revuelo de las partículas ya sedimentadas. Las profundidades varían entre 3 y 5 m y más corrientemente entre 3.5 y 4.5m debido, a que las estructuras de concreto reforzado son económicas en ese rango. Y su relación con la Carga superficial con el periodo de detención:. TABLA 5. RELACIÓN DE CARGA SUPERFICIAL CON LA PROFUNDIDAD P = 3.5m td = 3.5 horas 24 m3/m2.dia Carga Superficial 30 m3/m2.dia Fuente: Lothar Hess Max, (1980). 18. P = 4.5m P = 3.5m. td = 4.5 horas td = 2.8 horas. P = 4.5m. td = 3.6 horas.

(43) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. La Relación de Largo (L) y Ancho(A): La Forma de los espesadores puede ser rectangular, los cuales son los más usados en planta de tratamiento para agua potable dentro del tipo de espesadores de flujo horizontal. Debe existir una relación largo a ancho para producir unas condiciones hidráulicas que hagan que las partículas que entren con velocidad uniforme a la zona de espesamiento, se conserven durante toda esta zona y, experimentalmente se ha encontrado que la relación entre el largo y el ancho deberá ser: 𝑙𝑎𝑟𝑔𝑜 3 = 𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 1. si se busca economía. 𝑙𝑎𝑟𝑔𝑜 5 = 𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 1. si se busca eficiencia. La Velocidad horizontal (Vh) y relación Largo –Profundidad: Existe una velocidad horizontal por encima de la cual se produce arrastre de las partículas que ya han sedimentado. Por tanto debemos hacer que la velocidad horizontal sea menor que la velocidad de arrastre. Para flóculos de los coagulantes, la velocidad horizontal debe ser menor de 0.5 cm/s. (Vh ≤ 0.5 cm/seg.). En otras palabras, para una carga superficial determinada, la relación largo a profundidad es la que determina a la velocidad horizontal, según: 𝐿 𝑉ℎ = 𝑃 𝑉𝑠𝑐. (2.2). 19.

(44) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 2.3.2. DESHIDRATACION DE LODOS 2.3.2.1 Definición:. La deshidratación y secado son operaciones unitarias físicas (mecánicas) utilizadas para reducir el contenido de humedad del lodo, de forma que pueda manipularse y procesarse como un semisólido en vez de un líquido. Los métodos comúnmente utilizados para deshidratar el lodo son filtración al vacio, filtración a presión, extensión sobre eras de secado y centrifugación. La elección sobre estos métodos depende de las características del lodo, del método de eliminación final y de la disponibilidad de terreno. La finalidad del secado térmico es extraer la humedad del lodo de modo que pueda incinerarse o bien ser procesado como base para la elaboración de otros productos. 2.3.2.2. Métodos De Deshidratación De Lodos. a) Filtración al vacio: El agua se separa aplicando el vacio a |través de un medio poroso que retiene los sólidos y permite al líquido pasar. Se usan distintos tipos de medios filtrantes, tales como tejidos de nylon, malla metálica, muelles metálicos densamente entrelazados. b) Filtración a Presión: La filtración de lodos en filtros prensa no ha sido viable económicamente, debido a las dificultades de automatización. completa. de. la. operación.. Este. tipo. de. deshidratación consiste en el bombeo lodo químicamente acondicionado al espacio existente entre las placas y se aplica una presión de 1.2 a 12.6 Kg/cm2 que se mantiene de 1 a 3 horas, forzando el liquido a pasar a través de la tela filtrante y de los. 20.

(45) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. orificios de salida de las placas. Estas seguidamente se separan y se quita el lodo. c) Centrifugación: La operación de las centrifugas es simple, limpia y relativamente barata; normalmente no se requiere acondicionamiento químico. El lodo se introduce a caudal constante en la cuba giratoria donde se separa en una torta densa que contiene los sólidos y una corriente diluida llamada “centrada” que contiene sólidos finos de poca densidad y se retorna al clarificador primario o al espesador de lodos crudos. d) Lechos de Secado: El secado al aire de lodos en lechos de arena es uno de los métodos más económicos de eliminación del agua. Es el método normal en las plantas de tratamiento pequeñas y medianas de efluentes domésticos como industriales.  La. viabilidad. económica. depende. en. gran. parte. de. disponibilidad de terrenos.  Condiciones climáticas favorables (Seco y Caluroso)..  El área necesaria es función de: Precipitación y evaporación previsibles, además de características de los lodos . 2.3.2.2.1. Mecanismos De Secado De Lodos En Lechos De Arena:. Actúan dos mecanismos: 1. Percolación (o infiltración) de agua a través del lecho de arena. La proporción de agua eliminada por este mecanismo es del 20 – 55 %, dependiendo del contenido inicial en el lodo y de las características de los sólidos. La percolación suele completarse en 1 – 3 días, resultando una concentración de sólidos del 15 – 25 %. 21.

(46) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 2. Evaporación de agua: A través de los mecanismos de radiación y convección. La velocidad de evaporación es más lenta que la percolación y depende de la temperatura y humedad relativa y velocidad del aire. La figura 06 representa una curva típica de evaporación, pudiendo distinguirse dos secciones correspondientes a periodos en que se mantiene constante o disminuye. FIGURA 3. CURVA DE VELOCIDAD DE EVAPORACIÓN. Fuente: Ramalho (1991) Durante el periodo constante, la superficie de lodo esta húmeda, siendo la velocidad de evaporación relativamente independiente de la naturaleza del lodo. La evaporación continua a velocidad constante hasta que se alcanza una humedad critica. Cuando se alcanza la humedad crítica el agua no emigra a la superficie del lodo con la misma rapidez con que se evapora, con lo que empieza el periodo de disminución. La velocidad de secado en este periodo depende del espesor del lodo, propiedades físicas y químicas, condiciones atmosféricas. El secado por debajo de la superficie continúa hasta que se alcanza una humedad de equilibrio.. 22.

(47) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 2.3.2.2.2. Diseño para la construcción de Lechos De Secado:. La figura Nº 04 indica un esquema típico de construcción de lecho de arena. Los tubos para drenaje deben tener un diámetro interior mínimo de 10 cm y con una pendiente mínimo de 1 %. El filtrado se retorna a la planta de tratamiento. FIGURA 4. LECHO DE SECADO DE ARENA. Fuente: Ramalho (1991) Los lodos se suelen disponer en lechos de secado con espesores de 20 a 30 cm, dejándose secar hasta un contenido en sólidos entre 30 a 50 %. Se recogen cuando alcanzan un estado que facilite dicha operación y que varia con la opinión del personal y el medio final de evacuación o tratamiento. Además de ello para diseñar una era de secado se deben consideran dos factores importantes propuestos por el método de diseño racional de Swanwick,, recomendado por Eckenfelder y Ford, son a y b siendo sus valores respectivamente 0.75 y 0.57, donde: a = Corrección de la tasa de evaporación de lodo y b = fracción de agua absorbida por el lodo. 23.

(48) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. 2.3.2.2.3. Método Racional de Swanwick y Nebicker:. Este propone el diseño de lechos de secado sobre bases racionales, de acuerdo a las condiciones climáticas y locales propias del país. Además, este método se presenta un diseño de lecho de secado con drenaje limitado, a diferencia del lecho convencional en que el material filtrante abarca toda el área de drenaje. Finalmente se conjuga el método racional de Swanwick con datos de operación y construcción de lecho de secado, para proponer una metodología general de análisis económico de disposición de lodos. 2.4. LODOS COMO MATERIA PRIMA PARA LA CONSTRUCCIÓN: Una alternativa para el destino final de los lodos lo constituye el sector de la Construcción, que por sus grandes necesidades de materias primas puede absorber la totalidad de los lodos generados por el tratamiento de agua potable. La inertización de los mismos en matrices cerámicas o ladrillos permite obtener materiales aptos para la construcción. Las plantas para producción de materiales cerámicos a partir de estos lodos tienen un mayor coste de implantación debido a los sistemas de depuración de gases de la cocción cerámica, necesarios para cumplir los requerimientos ambientales, si se tratara con lodos provenientes del tratamiento de aguas residuales. Pero esta tecnología no ha dejado de ser estudiada ya que se contaría con la eliminación de la totalidad de lodos a través de su incorporación de estos como materia prima en la obtención de productos de construcción.. 2.5. MATERIALES CERÁMICOS:. Los Materiales. Cerámicos se. obtienen. por. transformaciones físico-. químicas de la arcilla mediante el calor, moldeándose previamente las 24.

(49) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. piezas gracias a la plasticidad que adquieren las pastas arcillosas con cierto contenido de agua. Es uno de los materiales más antiguos que se utiliza actualmente tanto en países en vías de desarrollo como en países desarrollados. Las aplicaciones son numerosas gracias a su propiedades físicas (ligereza, porosidad y buen Aislamiento Térmico aunque no Acústico) y mecánicas. (buena. adherencia. a. resistencia. los Morteros). y. a Compresión y Tracción y química. (inalterabilidad. a. perfecta agentes. atmosféricos y durabilidad).. 2.5.1. Materias Primas. Para la fabricación de materiales cerámicos se utilizan las siguientes materias primas: . Plásticas: Arcillas naturales de una o más variedades para poder conseguir mejores propiedades. Normalmente micas y caolines. Son silicatos alumínicos hidratados y cristalizados cuya fórmula esquemática es SiO2Al2O3H2O.. . No plásticas: materias que se agregan a las arcillas para disminuir su excesiva plasticidad, trabajar su temperatura de cocción, aumentar su porosidad, colorear o recubrir de esmalte las piezas.. 2.5.1.1. Tipos De Materias Primas  Desgrasantes: Materiales arenosos que reducen la excesiva plasticidad de algunas arcillas. Los más utilizados son: La arena de cuarzo (SiO2). Aumenta de volumen al elevar la temperatura reduciendo la contracción de la pasta aunque un calentamiento brusco produce una expansión violenta que podría romper la pieza. El feldespato potásico que da transparencia a porcelanas y lozas. La chamota o barro cocido en el más utilizado y económico por proceder de piezas rotas o defectuosas que se 25.

(50) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. pulverizan añadiéndose a la arcilla y no se contrae al volverse a conocer.  Fundentes: Se añaden a la pasta para reducir la temperatura de cocción ya que bajan el punto de fusión del material, abaratando costos y permitiendo la parcial vitrificación de las piezas. Carbonato cálcico es el más utilizado.. De acuerdo con el cociente entre sus óxidos Al2O3 y Fe2O3, según el porcentaje que contengan las materias primas se clasifican en:. A/F > 5.5: Arcillas puras alúmina para refractarios y porcentaje de color blanco. A/F < 5.5: Arcillas ricas en alúmina y pobres en hierro para lozas y color. amarillo. grisáceo. A/F = 3: Arcillas pobres en alúmina, y ricas en hierro para materiales de construcción (tejeria). Color rojo a violáceo. A/F = 1.5: Arcillas ricas en hierro y cal. También para construcción. Colores rojo claro y blanco amarillento.  Impurezas en la materia prima: Las impurezas que aportan las arcillas, debida a su origen sedimentario, pueden mejorar alguna propiedad del material cerámico pero perjudicar otras. Por ejemplo: SiO2 arenas: aportan dureza y resistencia mecánica a las piezas y son desgrasantes pero quitan homogeneidad. Para evitarlo se deben moler muy finamente. Se detectan por el tacto, tamaño del grano y brillo. CO3Ca caliza: se hidratan con carácter muy expansivo provocando fisuras. CO3Mg dolomía: se descompone a mayor temperatura que la caliza por lo que no produce su efecto. Es refractaria. 26.

(51) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Fe2O3 óxido de hierro: aporta resistencia mecánica. Da arcillas más bastas y heterogéneas. Da coloración rojiza o gris. SO4Ca y álcalis: no aporta nada, tiene alta solubilidad que produce eflorescencias y manchas externas.. 2.6. LADRILLOS: “Se denomina ladrillo a aquella unidad cuya dimensión y peso permite que sea manipulada con una sola mano. Se denomina bloque a aquella unidad que por su dimensión y peso requiere de las dos manos para su manipuleo.”, Norma Técnica Peruana E070 Albañilería, la cual establece la clasificación, condiciones generales y requisitos que debe cumplir el ladrillo para ser usado en albañilería.. 2.6.1. Componentes . Sílice: Permite al ladrillo mantener su forma y le da durabilidad, previene la retracción. Un exceso de sílice produce un ladrillo frágil y débil al calor. Una cantidad elevada de arena o una sílice no combinada no es deseable. Pero se añade para disminuir la refractariedad de la arcilla baja en alúmina.. . Alúmina: Absorbe agua y da plasticidad a la arcilla. Si hay exceso se producen fisuras en el ladrillo al cocer. Arcillas con alto contenido de alúmina son muy refractarios.. . Cal: Normalmente en la arcilla hay menos del 10%. Influye de la siguiente manera: Reduce la retracción por secado. Produce que se funda la sílice de la arcilla y ayuda a la adherencia. En forma carbonatada, reduce la temperatura de fusión. En exceso produce que el ladrillo se funda y pierda su forma.. . Óxido de hierro: Normalmente tiene menos de 7%: Le da el color rojo en exceso podrá pasar a ser de color azul. Mejora la. 27.

(52) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. impermeabilidad y durabilidad. Tiende a bajar la temperatura de fusión de la arcilla. Le da resistencia y dureza. . Impurezas: Elementos dañinos.. . Pirita: Se oxidan y se descomponen el ladrillo durante el cocido.. . Álcalis: En cantidades elevadas, la arcilla es inaceptable para la fabricación de ladrillo.. . Agua: Una proporción alta de agua libre en la arcilla.. 2.6.2. Descripción de la actividad ladrillera El Diagrama de Flujo general para la actividad ladrillera es la siguiente. :DIAGRAMA 1. DIAGRAMA DE FLUJO GENERAL PARA LA ELABORACION DE LADRILLOS ETAPA N°1. Extracción de Arcillas y Tierras. ETAPA N°2. Mezcla. ETAPA N°3. Moldeado o Labranza. ETAPA N°4. Secado. Carga del Horno. ETAPA N°5. Cocción. ETAPA N°6. Descarga del Horno. ETAPA N°7. Clasificación y Despacho. ETAPA N°8. Fuente: Resolución Ministerial N° 102 – 2010 Produce: Guía de Buenas Prácticas para ladrilleras. 28.

(53) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. DIAGRAMA 2. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO DE ELABORACION DE LADRILLOS. INICIO.  Arcillas  Chamote  Bauxita. Extracción. Selección de Materias Primas. Trituración. NO. Adición Agua Humedad 14 – 16%. Tipo: Pandereta, King Kong , Etc. ¿La Forma es Adecuada?. Corte. Mezclado. NO. 800 – 1100°C. SI. SI. Enfriamiento. SI. ¿Se ajusta a los Requerimientos?. Secado. Cocción. ¿Cumple con las especificacione s Generales?. NO. Almacenamiento. Zarandeado. Despacho. FIN. Fuente: Elaboración propia. 29. Enfriamiento.

(54) Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. DIAGRAMA 3. DIAGRAMA DE EQUIPOS EN LA ELABORACION DE LADRILLOS. Fuente: Elaboración propia A continuación se describe cada una de las Etapas del Proceso en la Elaboración de Ladrillos:. 2.6.2.1. Extracción de Arcilla y Tierras La extracción de Arcilla y Tierra Arenosa se puede realizar en lugares alejados de la zona de producción o en la misma zona de producción. 30.