UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA Unidad lztapalapa

Casa abictls al tiempo

/ ACONDICIONAMIENTO Y OPERACION DE UN DISPOSITIVO PARA EL COMPOSTEO DE LODOS RESIDUALES BAJO CONDICIONES

AMBlENTALES CONTROLADAS

INFORME FINAL

Que para obtener el diploma de

JESPECULIZACION EN BIOTECNOLOGW

presenta

/MISAEL MURILLO MURILLO

ASESORES: J

Dr. Ernesto Favela Torres Dr. Manano Gutierrez Rojas

Rea!izado en le Planta Piloto de Fernientación Sólida de la Urn-I

hlayo de I996 L

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INDICE

1 . INTRODUCCION I , I El composteo como alternativa a la disposición de Iodos 1.2 Razones para el uso del composteo en Iodos residualec 1.3 Ventajas del uso del composteo 1.4 Variables importantes que inciden en el proceso de composteo 1.5 Tecnicas de composteo 4

2. JUSTIFICACION ,, , 7 3.0BJETIVOS 8

3.1 Generales 8 3.2 Particulares 8

4. MATERIALES Y METODOS 9 4.1 Cámara, anillo distribuidor y sistema ex?erno de calefacción 4.2 Reactores 10 4.3 Equipos periféricos 1 1

1 1 2 2

9

4.3.lAcondicionamiento del aire de proceso 4.3.2 Calentamiento del aire de la cámara 4.3.3 Control de la temperatura

4.4.1 De C 0 2 13

1 1 12 12

4.4 Equipos de medición 13

4.4.2 De temperatura 13 4.4.3 Calibración de termopares y termistores 13

4.5 Material de empaque 14 4.5.1 Bagazo de caña 14 4.5.2 Lodos residuales ' 14 4.5.3 Medio Iíquidu 14

4.6 Preparación del sustrato 14 4.7 Empacado de los reactores I 5 4.8 Condiciones de operación del composteo de Iodos 15 4.9 Técnicas de cuantificación 16 4. IO Caracterización de la cámara, pruebas de velocidad del aire y temperatura 16

4.1 O. 1 Pruebas de velocidad del aire 16 4.10.2 Pruebas de temperatura 17

18 18 20

5. RESULTADOS 18 5.1 Caracterización témica de la cámara

5 . 1 . 1 Gradientes t&micos en la cámara 5.1.2 Pruebas de velocidad del aire

5.2 Composteo de Iodos 21 5.2.1 Perfiles de iernperatura 21 5.2.3 Humedad 25

f

5 3 Evolución del carbono y nitrogen0 5 4 Balances de calor

r 5 4 1 Introduccion a los balances de calor 5 4 2 Balances de calor resultantes

I 6.CONCLUSIONES I 7.REFERENClAS BiBLlOCRAFlCAS '

I

21 30 30 33 35 36

RESUM EN

Para la realizacióii del estudio del composteo de Iodos residuales usando reactores con aireación forzada, se ocotidicionó un sistema preexistente cuyo componente principal es una cámara de vidrio y policarbonato. A este sistema se le adaptó un turboventilador que siicciona el aire de la cámara y lo manda a una pieza de calefacción que cuenta con una resistencia helicoidal para después enviarlo a un anillo distribuidor perforado que se encuentra dentro de la cámara. La pieza de calefacción, corismiida de Iáinina galvanizada, se

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J m mecanismo mas unportante de remoción de calor es el conductivo seguido pcr

encuentra aislada con lana de vidrio y yeso armado con malla de alambre. Para probar este sistema se llevaron a cabo el coinposteo de Iodos usando reactores de acero inoxidable empacados de una mezcla de Iodos residuales, bagazo de caía como agente de ~olumeii y una disolución de sacarosa, urea y sales como fuente de carbono y nitrógeno de fácil degradación.

Previamente al coinposteo, se Ilev6 a cabo la caracterización térmica de la cámara que mostró el comportamiento de los gradientes de temperatura entre puntos distanter, son menores a 2°C. Los gradientes entre dia y noche son de 5°C como máximo aun con una diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de la cámara de 30°C.

Los resultados de las fermentaciones muestran que el pico de temperatura se observa dentro de las primeras 48 hs para después decaer hasta alcanzar la temperatura ambiente. Los análisis de la relación carbono nitrógeno muestran una disminución del carbono total y un aumento de nitrógeno total. El

.Q

' I \.u el convectivo y el de evaporación

I

1. ISTRODC'CCION

1.1 El co,;iposteo como alternativa a la disposición de Iodos

La generación de desechos en las úliiiiias décadas se ha convertido en un problema de grandes proporciones por s u impacto al iiiedio ambiente. Los deseclios pueden ser sólidos, líquidos y gaseosos. Dentro de los sólidos existen los orgánicos (provenientes de plantas y animales) e iiiorgánicos (metales, vidrio, etc). Entre los desechos líquidos las aguas residuales domésticas e industriales.son las mas importantes y entre los gases los producidos por la acthidad industrial y por los vehículos de combustión interna.

Para tratar de solucionar el probleiiia de coiitamuiacihii se ha generado tecnología para los tres tipos de desechos. La proporción ha sido creada para el tratamiento de apas, por lo que'este proceso Iia sido inuy estudiado y en muchos casos dominado. Desafortunadamente, en los tratamientos aerobios de las aguas residualeq la materia orgánica se coricrntra en forma de Iodos, es decir conglomerados de céliilas. El tratamiento final de estos Iodos consiste en incinerarlos o depositarlos i n los nos o en el mar, quedando sin solución el problema de contaminación que generan.

Una alteniativa para disponer estos Iodos residua!es es el composteo, que es un proceso de degradación parcial de materia orgánica heterogénea por medio de una población microbiana e11 un medio aerobio, húmedo y caliente, (Gray y col. 1971). Este proceso puede aplicarse a los Iodos residuales que contienen entre un 40 a un 60% de materia orgánica (en base seca) (Parr y col. 1978). El material tratado por medio de la técnica del composteo puede mejorar las propiedades nutritivas del suelo al proveer de una valiosa fuente de elementos como el nitrógeno, fósforo, potasio, calcio y inicronutrienies como cobre, zinc y manganeso (Parr y col. 1978).

1.2 Razoiies para e! uso de: composteo en Iodos residuaies

Las tres razones principales para coinpostear los Iodos residuales (Gray, 1971) son: I ) Eliminar s u mal olor a través de su estabilización 2) Eliminar a los organismos patógeiics por medio del calor senerado en el proceso.

1

3 j Producir un material orgánico que puede ser almacenado coiivenieiiteinente, una vez estabilizado, y que se puede distribuir en la tierra fácil y uniformemente .

1.3 \.entajas del uso del composteo

Las ventajas mas importantes de la aplicación del proceso de coinposteo (Gray y Biddleston, 1974) son: i ) Reduce el volumen inicial del material a compostear 2) El producto obtenido se puede usar como acondicionador del suelo al mejorar sus propiedades fisicas del mismo, pnncipalmeiite evitando las pérdidas de nutnentes por lixiviación 3) Contribuye ai reciclaje de desechos de origen orgánico. 4) El material obtenido contiene nutrientes valiosos para el su40 como el nitrógeno, fósforo, potasio, calcio y microni;tientes como zinc, cobre y manganeso, los cuales forman compuestos orgimicos que se liberan a una baja velocidad haciéndolos disponibles para las plantas a la tasa que los necesitan.

1.4 Variables importantes que inciden en el proceso de composteo Para que el proceso de cornposteo se lleve a cabo exitosarnente, es

necesario controlar variables como la temperatura, la aiieación, la humedad y la porosidad. A continuación presentamos una breve descripción de estas variables.

proceso de cornposteo esta formado por tres etapas: a) Mesofilica, que va desde temperatura ambiente hasta 40-45°C b) Termofilica, desde los 45°C hasta los 55-60°C c) Enfiiamieiito, desde la mayor temperatura alcanzada hasta la amhiente.

Temperatura. E! perfil normal de temperatura que se encuentra en el

La evolución de la temperatura depende de la actividad de los microorganismos presentes en el material a cornpostear. En la primera etapa las bacterias y 13s hongos mesófilos actúan sobre las fuentes de carbono mas sencillas produciendo ácidos orgánicos. Después se utilizan los compuestos que sigJen en complejidad (arninoácidos, péptidos y proteínas). En la siguiente etapa mueren los microorganismos mesófilos y los actinomicetos termófilos comienzan la degradación de la hemicelulosa y una pequeña cantidad de celdosa y Ii_miina Los hongos que se desarrollan en el material al inicio de la etapa de eiiffiamieiito (cuando la temperatura está entre 45 y 55") continuan con [a degradxión de la lignina y celulosa (Gray y Biddlestone. 1974).La

2

Iciiiperatiira iiiásiiiia recomendada es cercana a 60°C 1- se debe variar el gasto de aire usado para controlar la pérdidas de calor según los requerimientos del proceso, esto es para mantener cierta temperatura o para pennitir la aciiintilacion de calor metabólico y, por lo tanto, favoreciendo el aumento en la temperatura (Finstein y Hogaii 1993).

Aireación. Es necesaria para aportar el oxígeno necesario para los microorgaiiismos involiicrados en la degradación del material a compostear, puede ser natural o forzada. La primera se realiza mediante volteos periódicos del material para remover la fase gaseosa y capturar aire en los poros. En la aireación forzada, el material 110 se mueve y se hace pasar aire a través de él. Dentro de los sistemas de aireación forzada se encuentran los de ventilación a presión y la inducida por vacío, Puede recircularse el aire con su consecuente sofisticación en el control (Finstein y Iiogan, 1993). Con aireación natural al hacer los volteos, se puede romper el inicelio que se l ia desarrollado por 10 que se busca un compromiso entre necesidades fisicas y biológicas: no dejar de voltear para evitar zonas de anaerobiosis, pero no remover demasiado e; material de modo que los hongos o actinoinicetos no puedan invadir el material

Entre los objetivos de una buena aireaciónse pueden mencionar: evitar zonas en donde inicie la putrefacción del material, piopoicioilx a los microbios alta concentración de oxígeno y baja de Coi y iiniformizar la temperatura, En el caso de los volteos y la aireación natural el choque térmico puede ayudar a eliminar organismos patógenos. Haug (1979) ha determinado que para que se lleve a cabo una buena oxidación de la materia orgánica se necesita agregar 10 a 30 veces mas aire del que se necesita para enfriar $1 material. En la etapa inicial del proceso la aireación no debe ser muy alta (menos de 35°C) pero en la etapa termofilica es necesario aumentarla para remover el calor inetabólico y suministrar el oxígeno necesario para la actividad inicrobiana (Hogan 1989).

(Gray y Biddlestone 1974) i

Humedad. El agua se utiliza tanto en el transporte de materiales solubles (mírientes y desechos), como para que los ínicroorganisinos realizen otras actividades tnetabólicas. El rango óptimo de Iiunedad se encuentra, en la práctica, entre 50% para aireación natural y 70% para aireación forzada. En procesos disecados para tasas de geiieracióii de calor elevadas el enfriamiento evaporativo remueve mucho vapor de agua lo cual seca el material, de aquí que es recomendable adicionar agua periódicamente (Finstein y Hogaii,i 993).

3

Porosidad. Los iodos residualcs no tienen porosidad ya que, una vez que han sido decantados y comprimidos, presentan aspecto de tierra húmeda compactada. Debido a esto se les adiciona !in ageiiie de volumen que le confiere porosidad, además de ayudar a absorber su exceso de humedad. Existen muclios materiales que puedeii usarse como agentes de volumen: asemii, pajas de cereales, virutas de madera, bagazo de caña y rastrojos de diversos productos agrícolas como algodón, inaiz y arroz (i-Iaug 1979, Parr y col. 1978). La porosidad está relacionada con la aireación, el tamaño de particula y la humedad. En la tabla 1 . 1 se muestran caulitativamente estas realciones.

Porosidad Tamaíio de partic. Aireación Baja pequeño mala Alta grande buena

Humedad se mantiene

se d u c e

Tamaño de particula. Está relacionado con las anteriores variables como puede verse en la tabla 1.1. AI existir una mayor area de contacto los microorgausinos degrada; con mayor eficiencia el materia! a compostear y la profundidad para la difusión de oxígeno se reduce. Por otro lado un tamaño de

COZ en la superficie atacada. Para el caso en que se use aireaciQ forzada es

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;

! ! partícula pequeiio produce un baja porosidad dificultando la difusión de 0 2 y

mas conveniente usar un pequeiio tamaño de partícula ya que es mas fácii vencer la caída de presión aumentando el gasto de aire (Gray, 1974).

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I I 1.5 Técnicas de composteo

Las técnicas de composteo se clasifican básicamente en : a) Apilainiento de la mezcla iodos-agente de volumen con volteos periódicos

para proporcionar aireación. Este material inicia con un contenido de humedad del 50%.

b) Material coiúinado en reactores provistos de aireación forzada para proporcionar las condiciones de aerobiosis, en este caso aunque la humedad inicial es del 70 % y 110 existen los volteos periódicos, el control de la humedad es crítico, ya que podrían presentarse problemas de secado o eiifiiamiento excesivo del material (Gray 1974, Haug 1979, Parr y col. 1978).

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Eii aiiibas técnicas suelen generarse olores desagradables que deben tratarse por medio de biolavadores o con algunos sistemas fisicos como filtros con materiales adsorbeiites (Deryx y col. 1990). Otras técnicas se Iian basado en el uso de reactores rotatorios o verticales con alimentación de aire (Gray 1974, Benetti 1986).

Se han empleado recipientes de acero inoxidable dentro de un baño de temperatura constante para evitar pérdidas de calor, haciendo cuantificación del COZ y medición de la temperatura (Mote y Grifis ,1979). Existen otros ejemplos como el de Ashbolt y l ine (1 983) en el cual se trató de simular el efecto del calor producido por los microorganismos, elevando la temperatura de una serie de reactores de PVC agitados, a razón de 5°C diarios hasta 62°C para simular la llegada a la fase tennofilica del proceso. En este caso se usaron dos relaciones carbono/nitrógeno distintas, observándose que para valores mayores (40/1) las pérdidas de nitrógeno por generación de amoníaco son mayores y la degradación del material a compostear es mínima eii comparación con relaciones C/N mas bajas.

Otro sistema es el propuesto por Sikora y coL(1983):que está basado en el autocalentamiento, en el que la temperatura de la masa a compostear se mantiene solamente 0.1 a 0.2"C por arriba del medio aislante en el qiie se encuentra inmerso el reactor de acero inoxidable. Una parte importante de este trabajo que el aire diinentüdo a! reactor se hqamidifica y calientz previamente a su entrada. Se cuantificaron tanto el C02 como el amonízco en la comente de salida del aire observándose una dependencia de estos con los picos de temperatura en el material y que con el amoníaco se produce cuando el C02 disminuye.

En el sistema a nivel laboratorio propuesto por Bacli y col. (1984) el material composteado son Iodos provenientes de tratamiento de las plantas de tratamiento de aguas residuales. El material se agita a una velocidad constante de 1 r.p.m., la temperatura del aire del inedio estuvo de acuerdo a una predeterminada y el aire usado dentro del reactor se calentó y se humedeció previamente, por medio de un calentador y de un filtro de algodón húmedo. En este trabajo se obtuvo que la temperatura óptima para este tipo de procesos es de 60°C En cuanto a la humedad inicial el contenido de mejores resultados está entre 40 y 60%

Eli otro irabajo (Bacli y col., I SSS), en que se usa un mezclado constante, pero para obtener resultados coiisistentes debe usarse una cantidad grande de agente de volumen para facilitar el trabajo del agitador ya que no se usa aireación forzada. Como consecuencia de esto los autores decidieron usar un reactor inas grande que se aisló con espuma de estireno. Una variante interesante que se observa en este trabajo es que se usan dos gstos de aire, uno para la etapa inicial y otro para la termofilica 0.4 y 4 Vmin respectivamente respectivamente También se midió la degradación de la materia orgánica en función del COZ a la salida del reactor. Las conclusiones obtenidas es que es mejor un agente de volumen con mayor área superficial y que la temperatura óptima del proceso es de alrededor de 60°C.

Un trabajo posterior de Bacli y col. (1987) a nivel laboratorio, en el que se usan Iodos activados y composta madura, con el sistema descrito anteriormente, investiga los mecanismos de transferencia de calor presentes en el composteo, aunque no se obtuvo la contribución de cada uno de los fenómenos que participan. Este mostró que la mayor cantidad de calor se pierde por evaporación cuando se usan mayores gastos de aire para mantener la temperatura de control.

En el sistema de Hogan y col. (1989) se trata de mantener las mejores condiciones de aerobisis y al mismo tiempo remover el exceso de calor, por medio de aireación forzada, para mantener la temperatura a 50°C. Igwlmente se controló la transferencia conductiva del calor variando la temperatura del aire, usado como medio aislante en el incubador. Para evitar problemas de secado el aire alimentado al reactor se saturó previamente. El reactor usado contó con un piso falso para alimentar el aire y con un deflector para evitar que este tomara caminos preferenciales afectando la aireación uniforme. Como en el trzbajo anterior el reactor se aisló con espuma de poliuretano. Los resultados obtenidos fueron gradientes de temperatura, remoción de agua y contenido de oxígeno usuales en el coinposteo.

Todos los trabajos mencionados con anterioridad tienen un común denominador: la reducción del tiempo de composteo, en comparación con el composteo sin control de las variables tratadas en la introducción.

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2. JZ!STIFICACION

El tratamiento aerobio de las aguas residuales geiiera materia orgánica concentrada en forma de Iodos, cuya disposición final crea otro problema que queda sin solucionar, ya que constituyen una fuente de riucroorgaiiismos patógenos, metales pesados y otros compuestos.

Por lo anterior, se necesita aplicar y desarrollar bioprocesos para reintegrar ai medio ambiente esa materia orgánica (Iodos) y uno de los bioprocesos mas efeicientes es el composteo. Un beneficio adicional que se obtiene al aplicar este proceso esla generacióii de un producto qiie es l e utilidad para los suelos, como biofertilizaiite o regenerador.

7

3. OBJETIVOS

3.1 Generales:

1 ) Acondicionar un dispositivo destinado al composteo de lodos residuales, que pennitan controlar las variables que inciden sobre el proceso.

2) Evaluar el dispositivo por medio de u11 bioproceso para tratar lodos rssiduaies.

3.2 Particulares:

1) Conocer el dispositivo preexistente e identificar sus fallas para solucionarlas.

2) Realizar una propuesta de confonnación de sistema para el calentamiento externo y distribución del aire.

3) Construir e iiistalar un dispositivo que pennita controlar una temperatura constante.

4) Verificar y caracterizar la distribución de temperaturas y velocidad del aire en el dispositivo

X

J.MATERIALES Y hlETODOS

4.1 Cámara , anillo distribuidor y sistema externo de calefacción

El dispositivo adaptado two coino base una cámara construida con vidrio y policarbonato con un domo de acnlico como tapa. Esta cámara tenía como sistema de recirculación de aire un extractor de aire de 0.1" que se conectaba por medio de mangas de lona a la entrada y salida del aire a la cámara. Dentro de esta, el aire era distribuido por dos veiitiladores de computadora y era calentado por medio de una parrilla eléctrica. El dispositivo anterior tenía el iiiconveiiieiite de que en el uitenor de la cámara se creaban gradieiites de temperatura de mas de 20°C entre puntos lejanos dentro de la cámara (Meiidoza, 1994) cuando lo que se prekiidía era abatirlos. Para solucionar el problema de gradientes de temperatura en la cámara, primeramente se disefio u11 distribuidor de aire en fonna de anillo de PVC de 1.5 plg de diámetro intenlo (ver figura 4. I ) , perforado en todo su perímetro con salida del aire hacia arriba, abajo y centro de la cámara, por donde circulaba aire a velocidad y temperatura variable distnbuyér?dolo en el interior de la cámara.

Figura 4.1. Anillo distribuidor de aire

Después se diseiió y se instaló el sistema extenio de caleiitariiieiiio de aire ambiental de la cámara. El calefactor quedó constituido por una resistencia tubular de acero helicoidal coli 12 ciii de diámetro estenio y 1500 W de

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potencia a 220 V, colocada en el interior de una pieza de acero inoxidable acoplada a la entrada del aire y a un extractor. La pieza se consiruyó con mangas de lona y tela de asbesto antes y después de la resistencia para reducir vibraciones y pérdidas de calor.

Se sustituyó el anterior extractor con un turboventilador (Garcón de 114 HP con una descarga de 2.5 pulgadas y una succión de 4 pulgadas a la que se le adaptó una reducción hasta I .75 plg. La velocidad de salida del aire fue de 88.5 km/h medida con un minianemómetro Turbometer (Davis & Co.).

Durante las pruebas del sistema de calentamiento y recirculación de aire a la cámara las mangas de asbesto se dañaron por las altas temperaturas alcanzadas eii el sistema. Debido a esto se construyó una pieza de lámina galvafiizada aislada con lana de vidrio y yeso que se integró con la resistencia en su interior. . En las uniones se colocó sellador para evitar fugas de aire y toda la pieza calefactora completa y aisiada se fijó ai carro del turboventilador. En la extracción del aire de la ckmara y su descarga al anillo distribuidor se usaron las mangueras de plástico que tenía el sistema antenomente. En la figura 4.2 se observa una representación esquemática del sistema completo incluyendo uno de los reactores que mas adelante se describen.

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Figura 4.2. Sistema de temperatura controlada

10

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4.2 REACTORES

Los reactores usados en el compostco están construidos de acero inoxidable con las dimensiones que se muestran en la fi&wa 4.3. Un reactor completo está constituido de dos módulos: uno en la base, es para la entrada del aire que ha sido acondicionado en el exterior y otro superior para empacar el material a compostear y para colocar los termopares de registro de temperatura. Entre cada una de las tapas y bridas correspondientes, y entre los dos módulos, se marl sellos ded hule tipo “O-ring”. En el módulo inferior se coloca una pieza que sirve de soporte a una rejilla entre los módu!os, y esta sirve para soportar el material empacado.

-- im- Figura 4.3. Reactor prototipo con dimensiones en cm

En la figura 4.2 se presenta todo el sistema para el composteo de Iodos con un solo reactor.

4.3 EQUIPOS PERIFERICOS

4.3.1 Acondicionamiento del aire de pmceso. El aire riszd:, para proporcionar condiciones de aerobiosis a los microorganismos del material empacado fue calentado y humidificado a saturación por medio de burbujeadores y un bafio de temperatura constante a 5OoC; el flujo usado fue de 3 vkgm* (Roussos y col. 199i), medido con tin rotknetro Gilmont adecuado. Los burbujeadores fueron frascus de plásiico adaptados.

4.3.2 Calentamiento del aire de la cámara. Se llevó a cabo por medio de tina resistencia en forma helicoidal de 1500 W de potencia conectada a un variador de voltaje (ver figura 4.3).

43.3 Control de la temperatura. Se llevó a cabo usando un control diferencial de temperatura (CDT) para se@ el perfil dictado durante el coinposteo de los Iodos. El CDT funciona de acuerdo a las diferencias de temperatura entre dos termopares que tiene conectados. Cuando existe una diferencia de temperatura seleccionada, el CDT apaga el sistema de calentamiento y cuando la diferencia es mayor a la elegida el sistema se enciende.. Uno de los termopares corresponde a la temperatura que controla y el otro es el del aire que rodea al reactor, es decir, el primero va en centro del rector y el segundo en el centro de la cámara. La diferencia de temperatura deseada se selecciona en el CDT con el botón correspondiente. Para este experimento se seleccionó una diferencia máxima de 2 "C.

La calibración del CDT se realizó de la manera siguiente: I ) Se usó un baño a temperatura constante iniciando con 40°C 2) Se conectaron los termopares debidamente calibrados al CDT en las

salidas correspondientes al control y el medio , hecho esto se ubicaron en el baño y en el interior de la cámara respectivamente.

3) Unz vez preparado el sistema de control se arrancó el sistema de calentamiento del aire hasta que la cámara llegó a dos grados abajo de la temperatura del baño, en ese momento se encendió el CDT y se buscó el valor correspondiente a una diferencia de 2°C. Esto se logró después de varios intentos ya que el CDT no cuenta con una escala en el botón de selección.

4) AI encontrar la diferencia buscada se bajó gradualmente la temperatura del baño para verificar si el control la seguía y efectivamente la diferencia se mantuvo.

5) Después se elevó poco a poco la temperatura y siguió observándose que hubiera una diferencia de 2°C entre el b d o y la cámara.

I

* vkgm : volumen, en litros, de aire por kg de material húmedo por minuto

12

4.4 EQUIPOS DE MEDICION

4.4.1 COZ . Se utilizó un cuantificador de C 0 2 Fuji que mide en un rango de O-5% . Previo a este se usó una trampa de humedad.

4.4.2 Temperatura , Se emplearon dos multiplexores para conectar los termopares tipo K, una de ellas Cole-Panner y la otra EsTech . Estas se utilizaron para capturar valores de temperatura en los diferentes puntos dentro de los reactores. También se usó una computadora con un programa de captura de datos de temperatura adaptado a los termistores conectados en uno de los reactores.

0 - 1 4.4.3 Calibración de termopares y termistores. Se calibraron de la siguiente - manera: los tcnnopares se sumergieron en un baño de agua a temperatura

c”r I

constante por I2 h, la temperatura de bulbo se leyó directamente, comparándola con un tennóinetro. En los dos casos se registra la diferencia entre la temperatura registrada y la real.

Las posiciones designadas para monitoreo de temperatiira del material empacado en los reactores son las siguientes:

Tabla 4.1. Posiciones de termopares en los tres reactores y claves para idertificarlas

altura media y pared altura media y centro altura superior y pared

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13

r

COMPUESTO

4.5.1 Bagazo de caña. Proveniente del ingenio Emiliano Zapata @lorelos) secado al sol y tamizado por malla ## 4 , sin lavar. Se usa como soporte y como fuente de carbono de dificil degradación

4.52 Lodos residuaies . Obtenidos de la planta de tratamiento de aguas del Cerro de la Estrella en iztapalapa, D.F., se usan como inóculo y como material a coinpostear.

4.5.3 Medio Iíquido. Es u11 medio preparado con una fuente de carbono de fácil degradación [sacarosa), urea y fosfato dibásico de potasio. El objetivo de adicionar este medio es proporcionar a los microorganismos una fuente simple de carbono para iniciar sus actividades metabólicas (ver tabla 4.2).

r I I

CANTiüAI> (9) IO Sacaroia K2HPo4

Urea

I

310 150

22

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Tabla 4.2 Composición del medio, cantidades disueltas en un litro de solución

4.6 PREPARACION DEL SUSTRATO

1) Los Iodos se resuspendierori pcr agitación utilizando un volumen total de 8.545 litros.

2) Se adaptó un embudo Buchner de 20 cm de diámetro a un matraz kitazato de 2 litros conectado a una trampa de vacío. Se filüaron pequeños volúmenes de Iodos resuspendidos y las tortas de filtrado resultantes. Para la filtración se usaron 623 g de bagazo de los cuales se reservaron 50 g pare hacer ajustes de humedad.

3) Las tortas de filtrado se prensaron en una prensa hidriuiica Ercko a aproximadamente 500 libras/pulg.2 para eliminar el exceso de humedad.

4) Las tortas resultantes del filtrado y prensado se desintegraron para eliminar los agregados.

5) Se preparó el medio líquido cuya composición se muestra en la tabla 4.2.

6) Se mezcló el material proveniente del prensado y el medio líquido en una mezcladora mecánica por 30 minutos.

4.7 EhlPACADO DE LOS REACTORES

De ,cuerdo a la densidad de eiiipaque definida en las condiciones de operación iniciales, los reactores se empacaroii hasta una altura de 23.35 cin en el módulo superior que cubre aproxiinadameiite el 75% del volumen útil de reactor. Una vez pesado lo que corresponde cada reactor (que es alrededor de 1.1 kg de inaterial húmedo) el material se empacó dentro del reactor de modo que el material ocupara el volumen del reactor. AI final se coloca una trampa de condensados para absorber el exceso de humedad que se pueda condensar en la tapa del reactor.

Muestre0

Ai empacar los reactores y a las 48, 120 y 288 horas del proceso de composteo se extrajo todo el material del reactor correspondiente al tiempo de inuestreo y, de acuerdo a los lugares en los que se localizaron los termopares, se dividió axialmen?e el material en ires partes y ¿ada una se muestreó en tres capas coiicéiitricas de afuera hacia adentro. Se guardo cada muestra identificada en congelaciói., dentro de bolsas de polipapd para su análisis posterior.

4.8 CONDICIONES DE OPERACION DEL COMPOSTEO DE LODOS

Temperatura de la cámara: 25°C a 45°C Densidad de empaque: 500 kgm3 Humedad inicial del material: 74% Potencia usada en la resistencia de calentamiento: 10% a 80% pH inicial del sustrato: 8.45 Aire de proceso:

Flujo: 3 vkgm Teinperdtura: 50°C Humedad relativa: 95?6

Tiempo total de fenneiitación: 288 1i Tiempos de inuestreo: O , 48,120 y 288 h

4.9 TECNICAS DE CUANTIFICACION

PH

Contenido de carbono, hidrógeno y nitrógeno 1

I ) A un gramo de muestra húmeda se le agregan 9 in1 de agua destilada 2) Se agita por I O min y se dejar reposar por 20 min 3) Se toma la lectura directamente en un potencióinetro

Contenido de humedad

I ) Se tara una charola de aluminio previamente secada a peso constante 2) Depositar 5 g de material húmedo en cada charola 3) Secar en la estufa a 60°C por'24 11 4) Pesar la charola con el material seco y determinar por diferencia el contenido de humedad.

I ) Se toma una muestra de material coiilposteado y seco 2) Se tamiza por mafia 30 moliendo previamente el material con un mortero 3) Dejar la cantidad que Uene un tubo vial en la estufa a 60°C por 2 h 4) Se litilizó la técnica de analisis en el CHN Analyzer de Perkin-Elmer

4.10 CARACTERIZACION DE LA CAiMARA PRUEBAS DE VELOCIDAD AIRE Y TEMPERATURA

4.10.1 Pruebas de velocidad de aire Con e¡ fin de caracterizar la cámara se hicieron pruebas para observar como variaba la velocidad del aire dentro de ella, a I O cm del anillo distribuidor, en la zona indicada en la figura 4.1. Esta

I i I I I distancia se tomo en base a la posición usual que los reactores han tenido en

anteriores experimentos. Además es una distancia en que la velocidad del aire aún es cuantificable y tiene iifflueiicia en los fenómenos de turbulencia y, por lo tanto, de distribución del calor en la cámara.

I

La velocidad del aire se cuantificó con un sensor Trisense (Cole-Parmer) La posición en que se cuantificó la velocidad es en el plano central del anillo, esto

,

16

es el que coincide con las perforacioiies Iieclias en el centro del mismo. Se vario el voltaje de entrada al ventilador de l a manera sipiente: 100, 75, 50 y 25%, con el fin de probar la variación de la velocidad con la potencia usada. Se tomaron 1 O lecturas en cada punto definido en la f igra 4.1 y se obtuvieron promedios con el mismo aparato. Este procedimiento se realizó tres veces y de nuevo se tomó el promedio de las velocidades obtenidas. De la misma manera se cuantificó la velocidad antes del anillo.

4.11.2 Pruebas de temperatura

Para evaluar la variación de la temperatura en la zona de ubicación de los tres reactores, se realizaron las mediciones de acuerdo al esquema que se muestra en la figura 4.4, que indica tanto las alturas como las posiciones de los temistores usados en la registro de la temperatura. Estos datos se capturaron en línea y fueron almacenados para su posterior ailalisis. El período durante el que se hicieron las mediciones fue de 30 h usando tres temperaturas constantes: 50,40 y 35°C.

Figura 4.4. UJicacion de los termistoris en la cámara: (a) vista Frontal (b) vista superior. Claves: S=superior, I=inferior, izquierda; C=centro; M=media; D=derecha

17

5. RESULTADOS

5.1 Caracterización térmica de la cámara

Para determinar la magnitud de los gradientes ténnicos dentro de la cámara se realizó una prueba colocando los reactores en la posición indicada en la figura 4.4. Entre los reactores se colocaroii los termistores a diferentes alturas para llevar un registro de la temperaiura contra el tiempo en diferentes puntos dentro de la cámara, pero solamente en la zona de interés que rodeaba a los reactores. La temperatura programada dentro de la cámara en este experimento fue de 50°C.

51.1 Cradientes térmicos en la cámara Para las posiciones correspondientes a la parte superior de la zoila de

interés, que coincide con la altura de los reactores, se observa en la figura 5.1 que hay una influencia ambiental en l a temperatura del interior de la cámara, ya que entre las 12 y ias 36 horas se observa un ciclo correspondiente ai aumento de temperatura en el día y a la disminución por la noche, provocando un gradiente de 5°C. Comparando las c~rvas para cada posición, no se observó diferencia en la temperatura entre las tres.

53 1

; - . TsupUq ~

1- Tsupder I i

~ ~~ Tsupcen I I !

j j

35 O 10 20 30 40 50

T- lhl

Figura 5.1. Cinética de temperatura en diferentes puntos a la misma altura

Eii la figura 5.2 se observa el coinportamiento de la temperatura contra el tiempo en las posiciones superior izquierda (SI), media izquierda(M1) e inferior izquierda (XI). Como en la figura anterior la influencia ambiental día-noche se .observa claramente con gradientes de 5°C. Comparando la curva correspondiente a la posición 11 con las otras dos posiciones, se observa que la variación de la temperatura fue de 1°C como máximo durante todo el experimento. L.a temperatura en la posición SI fue prácticamente la misma que en la posición MI a excepción de un intervalo de tiempo entre 20 y 30 horas del experimento.

in

Y r + J - f J f 4 6

c 38

- 3 ? 31> , . ~ . _ _

0 10 20 30 40 5 0

r3.m.c lh l

. I Figura 5.2. Cinclica dc tempcraiura a difcrcntcs alturas a la izquierda

En la figura 5.3 se observan las ciiiéticas de temperatura entre las posiciones mas alejadas ciitre si dentro de la zona definida para el experimento, es decir las posicioiics superior izquierda (SI), inferior centro(1C) y superior derecha (SD). No hub» diferenciz entre las temperaturas de las posiciones SI y SD, pero existió 1111 gradiente con respecto a la posición IC de 2°C durante todo el experimento. Una vez mas se observan fluctuaciones de temperatura de 5°C por la jnflueiicia ambiental del día y la noche.

35 O 10 20 30 40 50

Tiempo Ihl

fipn 5.3 cinctica dc tcmpcratura en puntos distantes dentro de la cimara a 50°C

Se obien2 en la gráfica 5.4 que los gradieiites de temperatura contra el tiempo entre 1~ posiciones SD e IC y entre SI e ID dentro de la cámara fueron de 1.5"C tn proinedio, llegando a ser hasta de 2Oentre las 15 y 20 horas para el prime; p de posiciones.

3.5 I

- t

0 5 . V'

O ' . o 10 20 30 40 50

ne- Ihl

Figura 5.4. CinCtica dc gradicntcs entrc puntos distantes dentro dc la c á m a 50°C

Veiiios también que la temperatura en una misma altura (gáfica 5.1) es practicamente la misma y cuando se tomaron a diferentes valores de esta las teiiipcraturas, tienen un gradiente igual al obtenido para puntos distantes ( @ % a 5 2). Hay ligeras oscilaciones relacionadas con el día y la noche pero eii i;iiigún caso son mayores a.5"C

5.1.2 Pruebas de velocidad de aire

Puede observarse en la figura 5.5 que, de los puntos localizados en la figura 4.1, en donde se obtuvo una mayor velocichd del aire son el 3,4 y 5 para tcdos 10s voltajes usados (estos puntos corresponden a los puntos opuestos a la entrada del aire). En cuanto a !a velocidad del aire en función de la variación del voltaje de entrada al ventilador podemos observar en la figura 5.5 que los cambios importantes se dan a partir de que el voltaje se reduce a 50%. Este fenómeiio se ve reflejado en los comportamientos de la velocidad para cada porcentaje que aparecen en la figura 5.6.

Figura 5.5. Velocidades en las diferentes posiciones en l a cámara usando los diferentes i.oltajes.

20

(T? w

4 1 2 : , , '. E 10 I

B e -

1 -

; 1 e : 1

L -

2 1 o ~~ ~ ~ .~

O 20 4 0 BO 80 1 O0

% d. "011.P .t r."lil.do,

F ; ~ ~ ~ ~ 5.6. Vclondadcs del aire antcs de entrar al anillo distribuidor variando el vollajc dc cnlrada al vcntilador. . j

-. 5 2 Cornposteo de Iodos

SC llevó a cabo el coinposteo de Iodos con los tres reactores dentro de la c,iinara del dispositivo ssquematizado en la figura 4.3 y empacados con la 1iIezcla de Iodos, bagazo de caiía y medio Iíqu'ido descritos en la parte de iiiateriales y métodos. Las condiciones de operación fueron:

Temperatura de la cámara: 25°C a 45°C Densidad de empaque: 500 kg/m3 Humedad inicial del material: 74% potencia usada en la resistencia de calentamiento: 10% a 80% pH inicial del sustrato: 5.45 Aire de proceso:

Flujo: 3 vkgm Temperatura: 5OoC Humedad relativa: 95%

El proceso de composteo duró 288 hs con muestre0 de material al inicio, a las 48 y 120 horas y al final. Durante el proceso se registró y almacenó la temperatura por intervalos de 1.5 minutos.

5.2.1 Perfiles de temperatura

Puede observarse en las figuras 5.7 a 5.12 tin cotnporíamieiito similar: la temperatura en el centro de los reactores siempre fue superior a la de la pared y de las 24 a las 67 h, igual a la de la pared de los reactores. Los picos de temperatura se dan a las 15 h con una caída a partir de ese momento hasta las 22 11 paia volver a geiiziarse un picG a las 30 11. Esta caída y la posterior elevación están asociadas al agotamiento de la fuente de carbono de fácil

21

r r r I- I

1 ii""

I I I I I i' I

f'

I I

rcinvasión de hongos termófilos que inician el ataque a fuentes depdacr/)Il Y ,, , I l ; ) ~ complejas (Gray, 1971). De las 67 h en adelante se observan de carboil ' 4cas de la tenlperatuia alrededor de 30" C lo que refleja una varjaciont'a U'

,jcl incdio ambiente externo a la cámara al dejar de producirse calor influenciil obstante, la temperatura del centro del reactor nunca es menor inetaból ir.' J

,;jrcd, esto indica que se estuvo produciendo calor aun después de que la de 111 1 r : f c ; ~ ~ ~ a a la termofilica, pero la potencia de calentamiento usa& no la etapa i

la transferencia de calor por las paredes de la c h a r a . La forma permitía v cn ,,l)c,;l CI control diferencial de temperatura cooperó a este . i ~ o . Cilobalmente, la tendencia de la temperatura está de acuerdo

;I 10s resil l l ' 1 OS rcportados por Gray Y Biddlestone (1974), Gray y col. (1971) OXO). incluso los dos últimos autores reportan dos picos en la

y Finstelf' ' I tempera1 111 I

. .. Compofl;ii 1 IiLI

.I ,lclliro de las primeras 1 O0 hs.

i- l - hlrl hlm i !

Figurn 5.7. Peml dc tcmpcratura a altura inferior en centro y pared del maor

22

I

I

..

8- -T- . I. 4. L. I. I" 12. I.. I., I*. z" -"o.>

Figura 5.9. Pes11 dc temperahin en altura supxior en cl centro y parcd

1% la fibwra 5.10 se observa, al coinparar las temReraturas del reactor en el cciitro a diferentes alturas, que la mayor temperatura se encontró en la altura siipcrior. Esto sucede en la primera etapa de la fermentación en una zona de esía, entre 80 y 120 se invierte el perfii siendo mas caliente la parte inferior. De las 120 I las 140 h la temperatura mayor se encuentra en la parte media del rcactor, después de eso el perfil vuelve al comportamiento inicia!. La figura 5.1 1 nos muestra algo similar a lo descrito para la figura 5.10 ya que, en la iiiisrna etapa, el perfil de temperatura se invicrtz y tiende a restablecerse hacia el Tia1 de la fxmentación.

*; ' I \ A

Figura 510. Perfil dc temperatura en el centro del rcaclor a las tres difcrcntcs alturas

23

m e m m Y ~ ~ w ~ m t u ~ u u m

bnzI (i.*

Figura 5.11. Pefil de temperatura a direrentes a l m s en la w e d del wffor

8 m N u I) im im IN ic ia zu aq(4

Figura 5.12. Perfil dc temperatura en el cxicrior e interior de la Cámara asi como dcl aire de eniradz y salida al reactor

Un fenómeno interesante que ocurrió es el efecto que tuvo el medio ambiente exterior sobre la cámara y, por lo tanto, sobre los reactores, que podemos ver ilustrado en !as figuras 5.7,5.8 y 5.9. En estas se ve que los reactores estuvieron bajo ese efecto, pero aun así no disminuyó su temperaíura hasta la exterior a ¡a cthi1a.a. Como se vio en la sección de materiales y métodos se usó un Control Diferencial de Temperatura que seguía la temperatura que el reactor le dictaba con una diferencia máxima de 2"C, con lo que apagaba el sistema cuando esta se alcanzaba. Debido a esto cuando la temperatura del reactor bajó naturalmente se hizo necesario bajar la potencia del caientamiento ya que, por la iiieicia térmica, :a cámza iba a calentarse mas que el reactor y el control perdería su utilidad. También por esto, al usarse

24

Iiasta un 30% de la potencia iota1 de la resistencia (después de las 60 hs), la pérdida de calor por las paredes de la cámara fue mayor por las noches geiierándose las caídas y elevaciories cíclicas de la temperatura.

5.2.2 pH

Se obtuvo un pH inicial alcalino de 8.95 et: el inicio, antes de arrancar la fermentación y para las 48 h se observó una caída de casi 4 unidades la cual era muy evidente al percibirse, en el momento de muestrear, un fuerte olor a ácidos orgánicos. A las 120 h la elevación el el pH fue notona al recuperar, en las posiciones de altura superior y media, cuando menos una unidad. Ya para las 288 h, en el último muestreo, la recuperación del pH era cercana al valor inicial (ver figura 5.13). Todo el comportamiento de esta variable concuerda con el registrado en la literatura (Gray y col., 197 1, Gray y Biddlestone, 197 1).

Se observa similitud entre las cinéticas de pH. Esto reflejn la homogeneidad del material contenido en el reactor.

-y? /-

I Y 5

O 50 1 O0 150 200 250 300

r e m a lhl

Figura 5.13. Cinética de pH en diferentes posiciones dentro del reactor

5.2.3 Humedad

Como se observa en la figura 5.14 el perfil de humedad obtenido refleja poca variación dentro de las primeras 120 h en 6 de los puntos analizados. En los tres puntos restantes, dos de ellos correspondientes a la altura superior, el comportainisnto difirió del resto, sobre fodo en la posición de altura superior y

25

I

f r I

r

I

Q

I

I I

, I i

I

r-I I

I

1

! I

pared en donde se tuvo un incremento de.lO%, a las 120 h, respecto del valor

fermentación, a excepción de doc de ellos que terminaron prácticamente en el inicial. En todos los puntos se elevó la humedad hacia el final de la

valor inicial. En los puntos con mayor aumento de humedad (altura infenor- radio medio y altura media-centro) se observaron valores de 80%. Esto se

I

j !

debió principalmente a dos razones: I ) Ai estar mas caliente la parte supenor del reactor los condensados que se

tenían en esa zona se evaporaban mas rápido que en oíras zonas. 2) El posible aumento de la capacidad de absorción por parte del agente de

volumen (bagazo de caña) al ser parcialmente degradado por los microorganismos presentes en el material a compostear.

60 -I

n 50 1 O0 15G 200 250 300

-h)

---O- hlrl

-j hlrm

3- hlrü

-r- h2r1

-x- h2m - h2;o - h>l

-t- h h

-h3m

Figura 5.14 CmCtica de humedad en diferentes pos¡Ciones denizo del reactor

El aumento inicial en la humedad en algunos puntos del reactor, está en función de la capacidad del material para evaporar agua. Esto puede corroborarse a notar que dos de los puntos correspondientes a altura superior son de los mas húmedos en las primeras horas de la fermentación en las qiie aun no se acumula el calor suficiente para una evaporación eficiente. Además, la zona superior está mas cerca de la tapa del reactor, que es en donde se condensa el vapor de agua. El aumento final en la humedad en los puntos inferiores del reactor es un reflejo del perfil de temperatura que siguió el proceso de composteo. En los puntos mas fnos la temperatura era menor y no tenía capacidad para evaporar el exceso de humedad. Las grandes diferencias al final del proceso pueden explicarse por las diferencias de porosidad y compactación del material al momento de prepararlo.

26

F I I f

I tu I$.,

I ! I

I I

1 , I

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- hlrl

--t h l m

5.3 Evolución del carbono y nitrógeno

En la fermentación en medio sólido un parámetro importante que debe considerarse para determinar si hubo o no degradación del material es la relación entre el nitrógeno y el carbono presentes en el material, es decir la relación C/N. Las muestras para los análisis de C M prepararon de acuerdo a la técnica descrita en la sección de materiales y métodos y se analizaron en el CHN Analyzer de Perkin-Elmer.

i 37.5 - I b hlrl i

33.5 1- O 60 1'33 160 xa a0 300

Urnmoo lhl

Figura 5.15 Cindica de %e carbono en el material empacado en el reactor durante la fermentación.

2 4 - I

1.44 /%

27

observa una disminución del contenido de carbono desde un valor inicial de 36.5 % hasta el 34%, es decir una reducción de hasta el 7%, tomando al contenido inicial como 100%. Es notable que la mayor degradación se llevó a cabo en posiciones a altura superior y una infenor observándose que en el resto de las posiciones en el reactor fue menor. Las variaciones que se observan a las 48 11 pueden ser debidas a interferencias en la técnica de cuantificación.

En lo que respecta a la cinética de nitrógeno la figura 5.16 muestra que el contenido de este aumentó continuamente a lo largo de la fermentación subiendo desde valores cercanos a 1.3 hasta 2.3%, esto es un aumento de cerca del 85%. En este caso coincidieron las posiciones con aquellas en que el consumo de carbono fue mayor. En la figura 5.17 de relación C/N puede verse como esta decae desde el inicio de la fermentación como resultado del aumento de nitrógeno y la disminucióii de carbono

30 1 -- h l r l I

---t h3rl 12 i 10 ’

-t h3r0 O 100 200

Timpo ihl

Figura 5.1 7 Evolución de l a relación Cíh’ a lo largo de la fermentación

Otra manera en que puede verse el cambio de la relación C/N con el tiempo es esquemáticamente por medio de la representación de la mitad del reactor y especificando las diferentes posiciones usadas en esta fennentación (ver figura 5.18).

28

:<I i

(C)

figura 5.18. Relación CíN por posiciones en el reactor. En (a) están marcadas y son válidas para, rem de los esquemas . Cada uno representa solo la mitad del reactor cortado axialmente y corresponde a las 48,120 y 288 h de femmtacibn respectivamente.

En la figura 5.18 puede observarse cómo fue bajando la relación CM debido al aumento del hidrógeno y a la reducción del carbono total en el material. Es evidente que los cambios mas grandes se dieron en la parte supenor del reactor. Sin duda, al alcanzarse las mayores tempxaturas en esa zona del reactor hubo una mejor degradación del material ahí localizado. Se inició con un valor de 29 y para el hal de la fermentación llegaron a obtener valores enire 19.83 y 14.59, esto es un reduccsón de 31.62 a 49.68% en la relación C/N. Estos resultados concuerdan con los obtenidos por Monzaki y col. (1989) ya que la adecuada relación Chi inicial (cercana a 30) evita pérdidas de nitrógeno y favorece la degradación de las fuentes de carbono. Esto se observa al use reduciendo los valores de la relación C/N. El mismo autor obtiene una fuerte influencia del agente de volumen en la disminución de la relación C M debido a que el nitrógeno en forma orgánica se adsorbe al irse degradando la estructura del agente de volumen. Tal adsorción permite que se concentre en lugar de volatilizarse. Chanyasak y Kubota (1981) obtuvieron una reducción en los valores de C/N en el composteo de iodos residuales con asenin, relacionada con un inciemento en la relación polisacáridos/péptidos. Según estos autores el alto contenido de péptidos provoca su degradación preferencial y el nitrógeno se asimila fácilmente por los microorganismos y no se permite su volatilización. Lo que se observó en este experimento puede ser una combinación de ambos hechos. Como comentario adicional tenernos que un buen valor pata la reiacibii CM debe ser menor a 23 para poderse ap!icar a! suelo, según estos Últimos autores. En este experimento todos los valores de la relación C M en el producto final fueron en ese rango

29

I 5.4. BALANCES DE CALOR

Dentro del proceso de composteo siempre es importante hacer un análisis de Ics mecanismos de transporte de calor dentro del sistema. Para ello se realizaron, por medio de los datos de temperatura capturados por el programa DASTEM, una sene de balances para diferentes mecanismos de transferencia de calor.

I I

Gy

5.4.1 Introducción a los balances de calor

Existen varios formas en que se transfiere y se produce calor dentro de un reactor para composteo. Para el presente caso el calor será designado como q, existiendo varios tipos de él: 0 Acumulado (q acum.). El que queda sin remover dentro de; reactor

Metabólico (q met). Producido por la actividad de los microorganismos en el

0 De vaporización ( q vap). Removido con el vapor de agua producido. i Convectivo (q conv). Calor removido por el aire por medio de convección

Conductivo (q cond). Es el que se remueve pur conducción a través del

reactor.

forzada.

material y la pared del reactor.

Se puede defmir una ecuación general para el calor metabólico:

q met = q cond + q vap + q conv + q acum (1)

En donde se ve que el calor acumulado es equivalente al que los microorganismos producen restando el que se remueve por los 3 mecanismos defmidos.

En fama d9 gradiente puede verse como sigue:

9 met = [ q c o d I entrada - 9 I salida] + ... + [ 9 scum I entrada - 9 scum lsalidal

Ahora definamos las ecuaciones para el cálculo de los diferentes tipos de cslor que se manejaron

qcond =UAfTm -Tb) (2)

3 o

En donde: U = coeficiente global de tranferencia de calor, J/ m2 s "C

1 1 1 6 - +- t- hi ho k

U- (3)

hi,ho = coeficientes de película interna, JI m2 "C

hi =3.6- kg pT Para lechos empacados (4) F mr&

hg = conductividad térmica de la fase gaseosa (aire), J/in s "C F = diámetro promedio de las particulas del soporte (agente de volumen), m G = masa velocidad del aire, kg airelm2 s m, = viscosidad de la fase gaseosa @ temperatura de entrada, kglm s E = hcción de espacios vacíos dentro del reactor (adimensional) ho = coeficientes de película externa, Jl m2 "C

Re = número de Reynolds cmctenstico del üire que circula alrededor del

F'r = número de Prandtl del aire a las condiciones presentes en la cámara de

6 = espesor de pared, m k = conductividad térmica del material de constnicción del reactor, Jim s "C h = conductividad térmica efectiva del sistema, J/m s "C A = área específica del reactor, m2 reactor/ m3 reactor Tni = temperatura del medio exterior al reactor, "C Tb = temperatura de referencia en algún punto dentro del reactor, m

reactor (adim.)

temperatura controlada (adim.)

G = gasto específico del aire alimentado, m3 aire húmedo/ u13 reactors pin , pout = densidades del aire a ias temperaturas de entrrada y salida respectivamente, kgl in3 h,,,, = densidades del aire a las teinperahiras, entalpías del aire a las

i I

teinperahiras de entrada y salida respectivamente, Jkg h hi = coef. de película interno, J/m2 s"C A = área de transferencia del calor por conveccion (2xrZ), m2 z = distancia axial o longitudinal en el reactor (altura). m

q vap = GAQw (ym - yout). ( 7 )

G = masa velocidad de aire, Kgh2 s A = área especifica del reactor m2reactorl rn3reactor Qw = calor latente de vaporización del agua @ temperatura del aire de

y*, youi = fracciones másicas de agua en el aire de entrada y salida resp., kg salida.

H20íkg aire seco

Fl qacurn =p Cp

p = densidad de empaque del material húmedo en el reactor, kg/ m3 Cp = capacidad calonñca del sistema, Jkg "C Tb = temperatura de referencia en algún punto del reactor, "C

\

32

5.4.2 Balances de calor resultantes

En base a los datos capturados para las cinéticas de temperatura se realizaron los balances de calor para la fermentación realizada. Los resultados de la misma se presentan a continuación :

Tipo de calor Metabólico Condwtivo Convectivo Can tidad 1.18 +E6 - 1 . I 05+E6 -1.605 +E4

(Jím3)

A L”

Latente - 1.339 +E5

lJo00 -

10000 I C. METABOLIC0 1 - CONDUCTIVO I ,

..- . . . . - CONVECTIVO

..-__.. LATENTE

En la tabla 5.1 pueden compararse las contribuciones de los diferentes mecanismos de calor, se observa que una gran parte del calor metabólico es eliminado conductivamente con una contribución menor del latente (un orden de magnitud menor) y del convectivo (de dos órdenes de magnitud menor). Este último mecanismo se debe a que se usa un gasto de aire de proceso muy pequeño por io que no se remueve una. mayor cantidad. En el caso de transferencia por calor latente no se perdió mas calor debido a que la humidificación del aire de proceso fue buena y las pérdidas por evaporación no heron grandes

Los dos picos que se observan en la figura 5.1 tienen que ver con el pico inicial de temperatura y una elevación tardía de esta a las 1 I O h. Este último corresponde a una elevación de temperatura mas lenta que en el primer pico, en el que muy rápido se llega al valor máximo y luego se cae a la misma velocidad. El segundo pico puede deberse a una segunda fase de invasión de hongos y actinomisetos para la degradación de celulosa y lignina (Crawford, 1988).

6,CONCLUSIONES

Del dispositivo acondicionado:

La cámara de temperatura controlada presenta gradientes máximos de 5°C en los puntos mas lejanos de la zona de interés para el composteo de Iodos y puede controlar la temperatura programada con fluctuaciones menores al valor de ese gradiente máximo

El sistema puede vencer gradientes con el medio ambiente de hasta 30-35°C usando un porcentaje de potencia en la resistencia de calentamiento del 80%

P' bJ El sistema tiene una capacidad de recuperaci5n de aproximadamente 5"Ch cuando ocurre un corte de energía y el entkmiento consecuente.

El anillo distribuidor de aire presenta mas alta velocidad de salida en la zona opuesta a la entrada. Tal velocidad no tiene influencia de la potencia usada en el ventilador sino hasta usar valores aenores del 50% del voltaje nominal

Del proceso de composteo y del balance de calor:

Durante la fermentación se presentan dos picos de temperatura dentro de las primeras 40 h deFJidas al consumc de la fuente de carbono cie fácil degradación, obteniendo una temperatura máxima de 48°C

1

I

1-1 'I *>

Después de las 60 h la temperatura tiene una tendencia a mantenerse alrededor de 27 t2"C siempre arriba de la temperatura ambiente con fluctuaciones debidas a una baja potencia de calentamiento.

I

La temperatura mas alta se observa en el centro a altura superior con una diferencia máxima de dos grados con respecto a las otras posiciones, esto es los gradientes internos dentro del reactor son bajos.

El material composteado aumenta su contenido de nitrógeno y existe una degradación de hasta el 7% en el carbono total del material.

El principal mecanismo de remoción de calor es el conductivo; el convectivo y el latente coiitribqen en menor medida.

35

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- En Mbxico, D. E se prc .-+irnn a las-li~:OO ~ horas

del dia ZL del mes do-..- J l lN lO del añoi996.

en la Unidad IZTAPAJ,&PA de la Universidad Autónoma

Metropolitana. los suscritos miembros del Jurado.

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bajo la Presidencia del primero y con carácter de Secretario

el último se rounieron para proceder al examen de