6 anÁlisis y discusiÓn de...
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6. ANÁLISIS DE RESULTADOS
6.1 Análisis de disminución de viscosidad
En la figura 6.1 se puede analizar el comportamiento de la viscosidad en
el digestor que no tuvo adición de sustancias en el transcurso del proceso;
únicamente la agitación por bombeo, y antes de tomar la muestra, una agitación
mecánica extra. El coeficiente de determinación de 0.9 de la línea tendencia es
aceptable. Esta medición tuvo el mejor coeficiente de determinación. Se manifiesta
el rompimiento de las moléculas complejas a través de la disminución en la
viscosidad, por lo que la primera fase de la secuencia de las reacciones si se llevó
a cabo. Hubo una disminución del 59% de viscosidad en catorce días.
Figura 6.1 Viscosidad en digestor de lodos sin adición de sustancias
(Para valores numéricos ir al anexo)
y = -9E-05x + 0.0023R2 = 0.9005
0.0005
0.0007
0.0009
0.0011
0.0013
0.0015
0.0017
0.0019
0.0021
0.0023
0 2 4 6 8 10 12 14TIEMPO (días)
VIS
CO
SID
AD
(Pa*
s)
50
En la figura 6.2 se aprecia que en el digestor con adición de zanahoria la
tendencia de la viscosidad aunque disminuyó fue irregular. La pendiente de la
línea de tendencia es mucho menor al caso anterior y el factor de determinación
de 0.5 indica que la contribución del error experimental en el modelo de regresión
lineal es del 50%. A los catorce días se marca de acuerdo a la regresión una
disminución del 11% en viscosidad, con un marcado error experimental.
Figura 6.2 Viscosidad en digestor con adición de 10% en volumen de zanahoria cocida molida
(Para valores numéricos ir al anexo) En la figura 6.3 se puede observar el monitoreo de la viscosidad en el
digestor que se sometió al control de un pH de 7 durante el proceso mediante la
adición de cal, se puede observar que disminuyó el factor de determinación a 0.8,
y = -6E-05x + 0.0021R2 = 0.5335
0
0.0005
0.001
0.0015
0.002
0.0025
0.003
0 2 4 6 8 10 12 14
TIEMPO (días)
VIS
CO
SID
AD
(Pa*
s)
51
que es aceptable. Una explicación puede ser que la cal adicionada no estuviera
bien mezclada y repercutiera en la toma de muestras.
Figura 6.3 Viscosidad en digestor con pH controlado en 7
(Para valores numéricos ir al anexo)
En el digestor en el que inicialmente se aumentó el pH de los lodos a 8
(figura6.4), se observó la disminución en la viscosidad, con factor de
determinación de 0.75; por lo que se descarta el efecto de la adición de cal
durante el proceso sobre la viscosidad.
y = -5E-05x + 0.0016R2 = 0.8002
0
0.0002
0.0004
0.0006
0.0008
0.001
0.0012
0.0014
0.0016
0.0018
0.002
0 2 4 6 8 10 12 14 16
TIEMPO (días)
VIS
CO
SID
AD
(Pa*
s)
52
Figura 6.4 Viscosidad en digestor con pH inicial de 8
(Para valores numéricos ir al anexo)
Haciendo un análisis de resultados, las mediciones de viscosidad en los 4
casos mostraron un comportamiento similar, empezando con una viscosidad de
0.0018 a 0.002 Pa*s y terminando con una viscosidad de 0.0009 a 0.001 Pa*s, por
lo que en la secuencia de reacciones, la hidrolización no fue dependiente del pH ni
de que el lodo se mantuviera homogéneo durante todo el proceso. Presentándose
una disminución en la viscosidad aproximadamente del 50% en todos los casos.
y = -6E-05x + 0.0018R2 = 0.7582
0
0.0005
0.001
0.0015
0.002
0.0025
0 2 4 6 8 10 12 14 16
TIEMPO (días)
VIS
CO
SID
AD
(Pa*
s)
53
6.2 Análisis de disminución en sólidos totales
En el primer experimento realizado, donde se analizó la digestión anaerobia
en los lodos tal cual llegaron del sedimentador primario, se logró una disminución
de sólidos totales de un 26% en 15 días. Este valor es aceptable trabajando a
temperatura ambiente, cuando el metabolismo del consorcio bacteriano es más
limitado. La tendencia se puede observar en la figura 6.5. El coeficiente de
determinación 0.7 representa la dificultad de mantener completamente
homogéneo al tanque. En este caso, sólo se utilizó agitación por bombeo, y antes
de tomar la muestra una agitación mecánica con la que se visualizaba un
mezclado homogéneo.
Figura 6.5 Porcentaje de sólidos totales en digestor sin adición de sustancias
(Para valores numéricos ir al anexo)
������������ ����������������� � �������������
!"#%$#�#&(')%*
+ * , - .(/ 0%1243 54687:9<;>=@? A�B�C
DEF GHIJEKJKLGME
54
En el experimento con adición de zanahoria, si hubo una disminución en los
sólidos totales, pero los resultados arrojados tuvieron mayor error experimental,
como se puede observar en la figura 6.6 (coeficiente de determinación de 0.04).
La presencia de 10% en volumen de zanahoria molida afectó la posibilidad de
tomar la muestra y medir correctamente los sólidos totales. Se reporta con la línea
de tendencia un 11% de reducción de sólidos totales, y 22.7 % con los valores
medidos. Cabe recalcar que si se observó digestión, pero no se favoreció con la
adición de zanahoria, ya que aceleró la acidificación del lodo, deteniendo la
metanogénesis.
Figura 6.6 Porcentaje de sólidos totales en digestor con adición de 10 % en volumen de zanahoria cocida molida
(Para valores numéricos ir al anexo)
y = -0.0501x + 9.5457R2 = 0.0404
6
7
8
9
10
11
12
0 3 6 9 12 15
TIEMPO (días)
%S
ÓLI
DO
S T
OTA
LES
55
En la figura 6.7 se puede ver la formación de hongos en la superficie de la
nata que se forma en los lodos, observación que se hizo en conjunto con la
disminución del pH. Esto no suele crear interferencias en el proceso, debido a que
solo es sobre la superficie. Por esto es recomendable una buena agitación para
evitar que se forme la capa de nata que suele secarse evitando también la salida
del biogas formado. Se aumenta el volumen utilizado del tanque y se favorece la
formación de espuma que se adhería al agitador y salía por el orificio de entrada
del mezclador.
Figura 6.7 Formación de hongos en la superficie del lodo debido a la disminución del pH
56
En el experimento que se dio mayor disminución en concentración de
sólidos fue en el que se controló el pH en 7. En esta corrida se implementaron las
observaciones de experimentos anteriores para controlar y mantener constante la
producción de gas, y por lo tanto, mejorar la reducción de sólidos. Al día 16 se
obtuvo una disminución del 33 % en sólidos totales, la cual es mayor que en los
experimentos anteriores. Dicho comportamiento se pude notar en la figura 6.8.
Figura 6.8 Porcentaje de sólidos totales en digestor con pH controlado en 7
(Para valores numéricos ir al anexo)
y = -0.1914x + 9.2919R2 = 0.512
5
5.5
6
6.5
7
7.58
8.5
9
9.5
10
0 2 4 6 8 10 12 14 16
TIEMPO (días)
% S
ÓLI
DO
S T
OTA
LES
57
En el digestor que se inició con un pH de 8, la disminución de sólidos
totales que se dio fue significativa, y siguió la misma tendencia que el proceso con
control de pH, a los 15 días hubo una disminución de 35% y a los 21 días de 41%.
Cabe destacar que el control sobre este digestor fue menor, ya que la producción
de gas no fue constante y la variación de pH fue mayor por la producción de
ácidos volátiles, dióxido de carbono y ácido acético. A partir del undécimo día,
aumentó el pH a 7, mejorando las condiciones para la proliferación de bacterias
metanogénicas. El seguimiento se puede hacer en la figura 6.9
Figura 6.9 Porcentaje de sólidos totales en digestor con pH inicial de 8
(Para valores numéricos ir al anexo)
y = -0.1647x + 8.3832R2 = 0.6669
4
5
6
7
8
9
10
0 3 6 9 12 15 18 21
TIEMPO (días)
%S
ÓLI
DO
S T
OTA
LES
58
Los resultados de las mediciones de sólidos totales en las pruebas con 8
matraces se pueden ver en la figura 6.10. En todos se inició casi desde el mismo
punto, debido a que el lodo no estaba completamente homogeneizado a pesar de
agitar cuidadosamente la muestra inicial. Pero el seguimiento del comportamiento
para cada muestra tuvo variaciones importantes. Se esperaba poder tener un
mejor seguimiento, ya que un volumen más pequeño es más fácil de homogenizar,
pero se observó sedimentación que interfirió en las mediciones.
Figura 6.10 Porcentaje de sólidos totales de la digestión en matraces con pH 7 controlado
(Para valores numéricos ir al anexo)
02468
101214161820
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
TIEMPO (días)
%S
ÓLI
DO
S T
OTA
LES
1 2 3 4 5 6 7 8
59
Para el análisis de resultados, se hizo un promedio de las mediciones en
cada día, tomando en cuenta que el lodo para todos los matraces provenía de la
misma muestra, manteniendo las mismas condiciones. También se eliminaron los
valores que se desviaban de la tendencia del conjunto, sobre todo, en los días 3 y
5. Quedó así una mejor posibilidad de interpretación de resultados que se puede
observar en la figura 6.11. Se tuvo una disminución del 27% en sólidos totales en
9 días y de un 46% en 14 días.
Figura 6.11 Promedio del porcentaje de sólidos totales de digestión en matraces con pH 7 controlado
(Para valores numéricos ir al anexo)
y = -0.269x + 7.8596R2 = 0.7853
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
0 2 4 6 8 10
TIEMPO (días)
%S
ÓLI
DO
S T
OTA
LES
60
6.3 Análisis de disminución en sólidos volátiles
La norma mexicana sobre la disposición de lodos, NOM-004-SEMARNAT-
2002, dice que el avance en la digestión anaerobia se hace a través de la
reducción de atracción de vectores. Esto se mide con la reducción de un 38% de
sólidos volátiles. Inicialmente se consideró la norma estadounidense que cita
también los sólidos totales, que se midieron en los experimentos iniciales. Los
resultados de sólidos volátiles permitieron constatar que se cumplió también la
norma mexicana.
En el digestor con pH controlado se hizo el análisis desde el séptimo día y
hasta el décimo sexto (figura 6.12). Se observó una disminución en la fracción
volátil de los sólidos de un 27% en los últimos 9 días, tomando la línea de
tendencia que tiene un factor de determinación de 0.64. La disminución de sólidos
desde el día cero del proceso, suponiendo la misma tendencia de los valores, da
una reducción del 39.2% en los 16 días que es lo especificado en la NOM-
SEMARNAT-004 (reducción en 38% de sólidos volátiles). Se puede concluir que la
digestión de este material logra el objetivo en disminución de volátiles.
61
Figura 6.12 Fracción de sólidos volátiles en digestor con pH controlado en 7
(Para valores numéricos ir al anexo)
Al hacer el análisis sobre el digestor con control de pH inicial de 8, los
resultados no demostraron una tendencia estable como se observa en la figura
6.13 (factor de determinación de 0.015).
y = -1.6699x + 65.861R2 = 0.6396
30
35
40
45
50
55
60
5 7 9 11 13 15 17
TIEMPO (días)
% D
E S
ÓLI
DO
S V
OLÁ
TILE
S
62
Figura 6.13 Fracción de sólidos volátiles en digestor con pH inicial de 8
(Para valores numéricos ir al anexo)
Para la fracción de sólidos volátiles en los matraces, el seguimiento en los
primeros seis días mostró disminución. Utilizando la línea de regresión se podría
calcular la disminución del 41% en 15 días (figura 6.14). Después del sexto día
las mediciones mostraron fluctuación que impidió observar una tendencia. La
prueba de sólidos volátiles es muy sensible, ya que se puede interferir en el peso
resultante con factores como la humedad del ambiente.
y = -0.3012x + 50.546R2 = 0.0151
30
35
40
45
50
55
60
10 12 14 16 18 20 22
TIEMPO (días)
%S
ÓLI
DO
S V
OLÁ
TILE
S
63
Figura 6.14 Promedio de la fracción de sólidos volátiles en experimento de los 8 matraces
(Para valores numéricos ir al anexo)
y = -1.2337x + 43.25R2 = 0.6679
30
32
34
36
38
40
42
44
46
48
50
0 1 2 3 4 5 6
TIEMPO (días)
%S
ÓLI
DO
S V
OLÁ
TILE
S
64
6.4 Análisis de la producción de biogas
La producción de gas también se pudo observar con las burbujas
formadas en el lodo como se puede apreciar en la figura 6.15.
Figura 6.15 Burbujas debido a la producción de biogas por bacteria metanogeneradora
Con la producción de biogas, se puede considerar que la secuencia de
reacciones para la digestión anaerobia se completa. Reporta el rendimiento de las
bacterias formadoras de metano que son las más sensibles ante cualquier cambio
como la acidez del lodo. Al llegar a un pH de 6, inmediatamente disminuyó la
producción de gas hasta detenerse aproximadamente 3 días después, como se
puede observar en la figura 6.16 en el sexto día y en la 6.17 en el cuarto día.
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Figura 6.16 Producción de biogas en digestor de lodos sin adición de sustancias
(Para valores numéricos ir al anexo) Figura 6.17 Producción de biogas en digestor con adición de 10% en volumen de zanahoria cocida molida
(Para valores numéricos ir al anexo)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 2 4 6 8 10 12 14
TIEMPO (días)
FLU
JO D
E G
AS
(mm
3 /l*s)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 2 4 6 8 10 12 14
TIEMPO (días)
FLU
JO D
E G
AS
(m
m3 /l*
s)
66
En base a la producción de gas de los dos experimentos antes
mencionados, se buscó repetir las condiciones en las que se maximizaba el flujo
de gas, teniendo relación directa con el nivel del pH. Así, se realizó el tercer
experimento controlando el pH en 7. En la figura 6.18 se ve que la producción no
fue tan grande, aunque constante, en comparación con el digestor sin adición de
otras sustancias. Se corroboró la hipótesis de que la producción de gas se puede
controlar mediante el control de pH; en los días 13 y 14 mostró un aumento en la
producción de gas, que se relacionó con el aumento en la temperatura arriba de
los 25ºC. La temperatura tiene un efecto directo en el metabolismo del consorcio
bacteriano, pero en este proyecto no se analizó la influencia de este factor.
La adición de cal para amortiguar el pH, debe ser muy lenta para que no
cause la muerte del consorcio bacteriano por la alta alcalinidad que se alcanza en
el lodo que tiene choque directo con la cal. En este experimento con la adición de
0.3 gramos de cal por litro de lodo al día se mantuvo el pH de 7, aunque a partir
del décimo tercer día, se observó un ligero aumento en el pH, por lo que la adición
de cal se hizo con menor frecuencia, según el pH del lodo.
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Figura 6.18 Producción de biogas en digestor con pH controlado en 7
(Para valores numéricos ir al anexo)
El tanque que se inició con un pH de 8, tuvo una producción de gas
inconstante, en el día 12 produjo a una velocidad muy alta de 9.7 mm3/l*s, pero en
otros días no presentó producción de gas.
En la figura 6.19, se puede hacer la comparación sobre el flujo de gas por
litro de lodo producido por cada digestor, relacionando esto con el pH. En los
procesos en que no se controló el pH se observan las fases estacionaria, de
crecimiento exponencial, y la de decaimiento de las bacterias, mientras que en el
de control de pH, se observa una producción más constante.
0
2
4
6
8
10
12
14
0 2 4 6 8 10 12 14 16
TIEMPO (días)
PR
OD
UC
CIÓ
N D
E G
AS
(mm
3 /L*s
)
68
Figura 6.19 Comparación de producción de biogas en digestores contra el pH del lodo
(Para valores numéricos ir al anexo)
FLUJO DE GAS EN DIGESTORES RESPECTO AL pH
0
5
10
15
20
25
30
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16TIEMPO (días)
FLU
JO D
E G
AS
(m
m3 /L
*s)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
pH
gas sin adición gas con zanahoria gas pH controlado
pH sin adición pH con zanahoria pH controlado
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6.5 Saponificación de grasa con adición de NaOH
Las grasas actúan como un inhibidor del proceso de digestión. Su
cuantificación se realizó con el método de extracción Soxhlet, que requiere de
atención por tratar con un solvente altamente inflamable, y un mínimo de 4 horas
de observación continua por lo que se descartó como prueba para monitorear el
proceso. Se usó para caracterizar inicialmente a los lodos y arrojó un contenido de
grasa del 4.26%.
Por otro lado, en la primera fase del tratamiento primario del agua residual,
se hace una separación de la grasa emulsificada con el agua. El agente
coagulante que se utiliza es la cal, que produce una saponificación, en donde el
resultado es una mezcla de desecho, muy viscosa, que hace que su transporte
tenga un costo extra. Las pérdidas de grasa en este proceso son muy altas. Por lo
que se consideró un tratamiento, para darle un uso.
Con la adición de hidróxido de sodio para producir jabón, se planteó la
hipótesis de que el catión de calcio sería sustituido por uno de sodio. Las pruebas
se hicieron primero con la mezcla de la grasa tal como es retirada del agua
residual, adicionando diferentes cantidades de una solución de sosa al 50% p/p,
haciendo pruebas posteriores de formación de espuma con agua, y también
70
poniendo las muestras en la centrífuga para analizar la posible separación de los
sólidos del jabón, y poder obtener así un jabón limpio.
A temperatura ambiente, no se logró la mezcla de la grasa con la solución
concentrada de hidróxido de sodio, por lo que se calentó a 80ºC, y se logró una
mezcla homogénea. Estas mezclas se sometieron a una centrifugación por 10
minutos, separándose en dos fases, una líquida y otra sólida, como se observa en
la figura 6.20.
Figura 6.20
Resultado de la saponificación con una solución de NaOH y la grasa removida en
el tratamiento primario.
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Después de la centrifugación se observó una segregación de fases, pero
no como para pensar en una separación de sólidos. Por otro lado, al calentar la
mezcla, se oscureció, y la grasa comenzó a flotar al estar en reposo por un
período corto. Se hizo un experimento mezclando ese sobrenadante con la
solución concentrada de sosa, y se formó un jabón sólido, aunque de muy mala
calidad, que formaba muy poca espuma al mezclarse con agua, y con un olor muy
penetrante a chile. El jabón resultante se pude observar el la figura 6.21
Figura 6.21 Jabón sólido resultante de la saponificación de la grasa separada con solución de hidróxido de sodio
Al separar la grasa de la cal, se pueden obtener beneficios, ya que ésta se
podría reutilizar como combustible en procesos que utilizan combustóleo para
aprovechar su calor de combustión. El sedimento, por otro lado, se podría regresar
al tratamiento de lodos (figura 6.22).
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Figura 6.22 Separación de fase aceitosa en mezcla de grasa con cal con adición de calor y reposo