Red de Comunicación e Integración Biomédica

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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD JUÁREZ INSTITUTO DE CIENCIAS BIOMÉDICAS PROGRAMA DE QUÍMICA

TESIS LICENCIATURA EN QUÍMICA

POR DIEGO FAYETT OCHOA

OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE SECADO SOLAR PARA LODOS RESIDUALES Y CUANTIFICACIÓN DE METALES PESADOS

DIRECTORA DE TESIS DRA. ALMA DELIA COTA ESPERICUETA

CD. JUÁREZ, CHIH.

MAYO 2008

OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE SECADO SOLAR PARA LODOS RESIDUALES Y CUANTIFICACIÓN DE METALES PESADOS

POR DIEGO FAYETT OCHOA

TESIS

_____________________________________________________ DRA. ALMA DELIA COTA ESPERICUETA DIRECTORA DE INVESTIGACIÓN _____________________________________________________ M. en C. KATYA AIMEÉ CARRASCO URRUTIA COORDINADORA DEL PROGRAMA _____________________________________________________ DR. GILBERTO REYES LEAL JEFE DEL DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS _____________________________________________________ M.C. HUGO SALVADOR STAINES OROZCO DIRECTOR DEL INSTITUTO DE CIENCIAS BIOMÉDICAS

FECHA:______________________________________________

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“Nuestra recompensa se encuentra en el esfuerzo y no en el resultado. Un esfuerzo total es una victoria completa” Mahatma Gandhi (1869-1948)

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DEDICATORIA

A Dios A mis padres y hermanos, por el amor y apoyo que me han brindado.

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AGRADECIMIENTOS

Mis más sinceras gracias a la Dra. Alma Delia Cota Espericueta por invitarme a formar parte de este proyecto, gracias por el tiempo, la motivación, la enseñanza, la asesoría y la paciencia que me ha ofrecido. A la I.Q. Patricia Ramírez, quien fue mi maestra de Seminarios, por todos sus comentarios y criticas constructivas. A mis revisoras la M. en C. Laura Santana y M. en C. Zulema Poncio, por tomarse el tiempo para revisar este documento. Y al equipo de investigación del Laboratorio de Ciencias Ambientales: Claudia Avitia, Cynthia Figueroa, Edgar Espinoza y Gilberto Lares, se les agrádese su colaboración y apoyo en la realización de este proyecto.

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RESUMEN En Ciudad Juárez se cuenta con dos plantas tratadoras de agua residual (PTAR) las cuales cuentan con un proceso fisicoquímico cuya función es decantar los contaminantes en forma de lodo residual. Este lodo es deshidratado mecánicamente por filtros banda entre un 50 y 70% y son mezclados con CaO para su estabilización. Las 225 toneladas generadas diariamente son transportadas a un predio de la Junta Municipal de Agua y Saneamiento (JMAS) para su deshidratación completa a la intemperie. Los grandes volúmenes generados con alto contenido de humedad provocan un impacto ambiental de gran magnitud y económico por los altos costos de transporte. En este proyecto se propuso la implementación de un secador solar para la rápida reducción de volumen sin quemar combustibles fósiles, minimizando el impacto ambiental. Para demostrar la viabilidad técnica de los secadores solares, lodos de la PTAR Norte fueron procesados en un prototipo de secado solar verificando la velocidad de reducción de volumen. Para este propósito se buscaron las mejores condiciones de operación para la optimización de la evaporación. En los resultados se observó la facilidad de remoción de agua de los lodos en un ambiente controlado. La remoción fue altamente dependiente de la radiación solar experimentada. Para Ciudad Juárez, esta tecnología puede ser utilizada durante todo el año por ser una zona desértica con alta insolación. Como contribución a la determinación de calidad del lodo se midieron concentraciones de los metales pesados As, Cd, Cu y Pb. Éstos fueron analizados por espectrometría de absorción atómica, con una preparación de digestión ácida por parrilla. Los resultados demuestran bajas concentraciones de metales pesados lo cual concuerda con el hecho de que el 90% de las aguas tratadas son de origen doméstico. El secador solar resultó ser una solución parcial tecnológicamente viable para atacar el problema de contaminación por lodos residuales.

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TABLA DE CONTENIDO RESUMEN

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INTRODUCCIÓN

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CAPÍTULO 1. 3 1.1. ANTECEDENTES 3 1.1.1. USO POTENCIAL DE LODOS RESIDUALES EN LA AGRICULTURA ......................... 3 1.1.2. METALES PESADOS EN LODOS RESIDUALES .................................................... 5 1.1.3. METALES PESADOS ....................................................................................... 6 1.1.4. TECNOLOGÍAS DE SECADO ............................................................................. 8 1.1.5. SECADO SOLAR ............................................................................................. 9 CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS 2.1. DISPOSITIVO EXPERIMENTAL 11 2.2. OPTIMIZACIÓN DEL SECADOR SOLAR 12 2.3. MEDICIÓN DE RADIACIÓN SOLAR 16 2.4. LODO RESIDUAL DE LA PTAR 17 2.5. MUESTREO DINÁMICO 18 2.6. DETERMINACIÓN DE HUMEDAD DE LODOS 18 2.7. IDENTIFICACIÓN DE LAS MUESTRAS PARA ANÁLISIS DE METALES PESADOS 2.8. DIGESTIÓN ÁCIDA POR PARRILLA 19 2.9. CONTROL DE CALIDAD 21 CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1. OPERACIÓN DEL SECADOR SOLAR 22 3.2. CONTENIDO DE AGUA EN LODOS 26 3.3. RADIACIÓN SOLAR DURANTE EL SECADO SOLAR 3.4. TEMPERATURA DINÁMICA EN EL LODO 29 3.5. METALES PESADOS 29

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22 28

CAPÍTULO 4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 4.1. CONCLUSIONES31 4.2. RECOMENDACIONES 32

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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ANEXO 1

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LISTA DE TABLAS

TABLA I.

CLASIFICACIÓN DE BIOSÓLIDOS RESPECTO A LÍMITES MÁXIMOS PERMISIBLES DE METALES PESADOS, PARÁSITOS Y PATÓGENOS. 4

TABLA II.

HUMEDAD ABSOLUTA EN GRAMOS DE AGUA/KG DE AIRE SECO.

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TABLA III.

CONDICIONES DE OPERACIÓN DEL SECADOR PARA PRUEBAS TÉRMICAS.

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TABLA IV.

TEMPERATURA DEL LODO Y RADIACIÓN SOLAR GLOBAL DEL SEGUNDO EXPERIMENTO.

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RESULTADOS EXPERIMENTALES DE MP EN LODOS RESIDUALES.

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TABLA V.

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LISTA DE FIGURAS FIGURA 1. PROCESOS INVOLUCRADOS EN EL SECADO SOLAR DE LODOS RESIDUALES.

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FIGURA 2. DIAGRAMA DE FLUJO DEL CONTROL AUTOMÁTICO DEL SECADOR Y ADQUISICIÓN DE DATOS. 14 FIGURA 3. HA EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA PARA HR CONSTANTES

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FIGURA 4. CURVAS DE CALIBRACIÓN PARA METALES PESADOS.

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FIGURA 5.HUMEDAD ABSOLUTA VS HORA DEL DÍA PARA CONDICIONES DE OPERACIÓN: HA ≥ 30 G DE AGUA/KG DE AIRE SECO, ∆T ≥ 10 °C, TEXT = 2.5 MIN Y TREP= 1.5 MIN (18 DE JUNIO DEL 2007). 23 FIGURA 6. RADIACIÓN SOLAR GLOBAL PARA EL DÍA 18 DE JUNIO DEL 2006

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FIGURA 7. HUMEDAD ABSOLUTA VS HORA CON HA ≥ 20 G DE AGUA/KG DE AIRE SECO. ∆T ≥ 10 °C. TEXT= 4.0 MIN Y TREP= 0.5 MIN. (11 DE OCTUBRE DEL 2007) 25 FIGURA 8. RADIACIÓN SOLAR GLOBAL PARA EL DÍA 11 DE OCTUBRE DEL 2006 MEDIDA

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FIGURA 10. RADIACIÓN PROMEDIO DE EXPERIMENTOS 1 Y 2

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INTRODUCCIÓN

En los últimos años Ciudad Juárez ha crecido aceleradamente, tanto en infraestructura como en su población; por lo tanto, la demanda de agua también se ha incrementado. Actualmente Ciudad Juárez tiene una población de 1.3 millones con una taza de crecimiento anual del 1.3 % entre el 2000 y el 2005 (INEGI, 2007). Al incrementarse la demanda del vital líquido, también se generan una mayor cantidad de aguas residuales. Para reutilizar el agua con una mejor calidad se han implementado dos plantas tratadoras de agua residual (PTAR). El problema de éstas es la generación de grandes volúmenes de un subproducto, el cual corresponde a un concentrado de contaminantes diversos entre químicos orgánicos, inorgánicos y biológicos. A este residuo se le conoce como lodo residual. La producción de lodos a la fecha, oscila alrededor de 225 toneladas diarias entre las dos plantas principales de la Ciudad. Además del concentrado de contaminantes, el lodo residual generado está constituido por un alto porcentaje de agua aproximadamente del 60 al 90 %, el cual depende de la tecnología utilizada en cada PTAR. La reducción de volumen de los lodos es uno de los problemas ingenieriles que enfrentan las PTAR debido a la dificultad de eliminación de agua del flóculo del lodo. Por lo general las PTAR emplean un proceso mecánico de prensado para la eliminación del agua; sin embargo esto no es suficiente para una deshidratación completa, dejando el lodo con una humedad aproximada del 50 al 60 %. Después de este nivel, es imposible secar el material por métodos mecánicos y sólo será posible por métodos térmicos (Metcalf y Eddy, 2003). No obstante, la deshidratación térmica tiene la desventaja de consumir grandes cantidades de combustible, lo que provoca altos costos de operación, además de generar altas emisiones de CO2 a la atmósfera.

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En las PTAR de Ciudad Juárez se lleva a cabo una deshidratación preliminar por filtros banda, los cuales funcionan de forma electromecánica durante todo el día. Ésto representa un gran consumo de energía eléctrica. En esta etapa final, el lodo es mezclado con coagulante de polímero y es deshidratado hasta un contenido de agua de alrededor 50 %. Posteriormente, el lodo es llevado a un predio en las afueras de la Ciudad para su deshidratación natural por medio de la radiación solar. Esta práctica conlleva a un gasto adicional por el transporte de los grandes volúmenes manejados. Dicho secado de lodos se realiza a la intemperie y representa un grave problema ambiental, donde se promueve la contaminación por distribución de patógenos a causa del viento y organismos vectores de enfermedades; además de la producción de olores fétidos y la posibilidad de infiltración de contaminantes hacia el subsuelo. El secador solar es una alternativa que se plantea en este proyecto, el cual es considerado barato debido a su bajo consumo de energía eléctrica (Bux y col., 2002; Luboshik, 1999). El secador solar es un sistema que permite que la radiación solar caliente el lodo, de esta manera el agua contenida empieza a evaporarse; cuando el aire de la cámara se encuentra mucho más húmedo que el del ambiente externo, se inicia el proceso de extracción. Una vez eliminado el aire húmedo del sistema, este es reemplazado con aire seco del exterior, es entonces cuando el sistema se vuelve a cerrar para iniciar otra vez el ciclo. Para la operación automática del secador solar se monitorearon las variables de humedad relativa, temperatura y radiación solar. Para el presente estudio, se construyó un secador solar de lodos residuales como propuesta para la solución parcial de la problemática de contaminación por éstos en Ciudad Juárez. Los objetivos principales de este proyecto fueron; optimizar la operación del secador solar de lodos residuales y determinar la cuantificación de metales pesados (Cd, Pb, As, Cu), antes y después del proceso de secado.

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CAPÍTULO 1. 1.1. Antecedentes
 Entre 1939 y el 2000 se canalizaron las aguas residuales de Ciudad Juárez sin tratamiento hacia el Valle de Juárez para su uso en la agricultura; esto generó problemas en la población como la permanencia de enfermedades parasitarias y contaminación del suelo (Garza, 2002). A mediados del 2000 inició la operación de las PTAR Norte y Sur con capacidades de 2.5 m3/s y 1 m3/s respectivamente, lo cual corresponde a tratar alrededor del 80 % del agua residual generada en la Ciudad. Actualmente, la producción de lodos residuales de las PTAR oscila alrededor de 225 toneladas diarias entre las dos plantas tratadoras. 1.1.1. Uso potencial de lodos residuales en la agricultura Diferentes estudios han probado los beneficios de la aplicación de lodos en tierras de cultivo como fertilizante por su alto contenido de nutrientes y materia orgánica, que mejoran las condiciones fisicoquímicas del suelo. Sin embargo, la utilización de éstos sin precaución puede ocasionar problemas a la salud humana y al ambiente. Los lodos residuales están compuestos de altas concentraciones de bacterias, virus y parásitos (Sahlströma y col., 2004; Carrington, 2001; USEPA 1999; USEPA 1989); además de compuestos orgánicos (Abad y col., 2005; Mantis y col., 2005; Ottaviani y col., 1993) y metales pesados (Bose y Bhattacharyya, 2008; Mantis y col., 2005; Ottaviani y col., 1993; Bell y col., 1991; Jackson y Alloway, 1991). Cuando los lodos tienen el potencial de ser utilizados para alguna actividad productiva, se les puede considerar entonces como biosólidos. Según la Norma Oficial Mexicana NOM-004-SEMARNAT-2002, los biosólidos se definen como lodos provenientes de las PTAR, que por su contenido en

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nutrientes y por sus propias características o por las adquiridas después de un proceso de estabilización, pueden ser susceptibles de aprovechamiento. El uso de los biosólidos en actividades productivas depende directamente de su calidad en términos de ciertos contaminantes. La NOM-004-SEMARNAT-2002 es referida a lodos y biosólidos, en la que se presentan las especificaciones y límites máximos permisibles de contaminantes para su aprovechamiento y disposición final. En la Tabla 1 se presenta la clasificación de los biosólidos en función de límites máximos permisibles de metales pesados, huevos de helminto, Salmonella spp. y coliformes fecales.

Tabla I. CLASIFICACIÓN DE BIOSÓLIDOS RESPECTO A LÍMITES MÁXIMOS PERMISIBLES DE METALES PESADOS, PARÁSITOS Y PATÓGENOS (NOM-004-SEMARNAT-2002). Contaminante Metales pesados Arsénico Cadmio Cromo Cobre Plomo Mercurio Níquel Zinc Patógenos NMP/g en base seca Coliformes fecales Salmonella spp Parásitos Huevos de helminto/g en base seca Huevos de helminto

Clasificación Excelente,

Bueno

(mg/kg en base seca)

(mg/kg en base seca)

41 39 1200 1500 300 17 420 2800

75 85 3000 4300 840 57 420 7500

A