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sistemas de deshidratación mecánica y sus aplicaciones
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sistemas de deshidratación mecánica y sus aplicaciones |
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La decisión de discriminar entre espesamiento y deshidratación,
discretizados según los lineamientos de Water Environment Federation, si bien
"arbitraria", establece una razonable distinción entre los dos términos. Para fijar ideas podemos considerar que
espesamiento pueda llevar valores desde por ejemplo 0.7 a 2% de contenido de sólidos, y reservar la palabra
deshidratación para procesos que resulten con un contenido de 15% o más de sólidos. Como ejemplo podemos visualizar tanques espesadores ("gravity thickeners") o mesas de espesado ("table belt thickeners") para llevar a cabo la primera de dichas operaciones y por ejemplo un filtro de bandas, un filtro prensa, entre otros para llevar a cabo la segunda operación. Tal vez el criterio predominante en la selección de la alternativa de deshidratación para un caso determinado consista en la evaluación de los procesos subsiguientes que acompañarán el circuito así como el destino o disposición final del lodo, por ejemplo sea relleno sanitario, compost, aplicación directa, incineración. TIPOS DE LODOS El primer paso fundamental en la evaluación de alternativas de tratamiento consiste en identificar las características del lodo a procesar. Podemos agrupar la mayoría de las instancias posibles en la planta de tratamiento en tres grandes categorías: - lodos procedentes de la separación física (gravedad) en clarificadores primarios, en los cuales se produce decantación y consolidación en el fondo del tanque. Llamamos los lodos así generados lodos primarios. - lodos de tipo biológico: si bien decantado por efecto de gravedad, las características del fango son tales que el comportamiento o deshidratabilidad son notablemente distintas del caso anterior; en el caso de filtro percoladores nos encontramos con fragmentos de biomasa o humus; en el caso de plantas de lodos activados tenemos los lodos de purga o desecho (WAS); - el tercer tipo de lodos puede tener su origen en proceso químicos como por ejemplo cuando se utiliza aluminio para remoción de fosfato, en cuyo caso el lodo obtenido contiene óxidos de aluminio, fosfato de aluminio y otros precipitados, comunmente conocido como "alum sludge." Debido a las notoriamente distintas conductas frente a la deshidratación de los lodos según su naturaleza es que es de fundamental importancia identificar correctamente cada instancia. Así, sin el ánimo de crear preconceptos, los lodos de tipo biológico son notablemente difíciles de deshidratar mientras que los lodos digeridos de una decantación primaria admiten una concentración más facilitada. Es importante comentar que aún tratándose del mismo tipo de lodo, el comportamiento frente a la deshidratación varía según la manera en que haya sido tratado previamente el lodo. Por ejemplo, un lodo procedente de digestión que ha enfriado no deshidrata con la misma facilidad que el mismo lodo con temperaturas templadas o tibias. De la misma manera, lodos que han sido sometidos a aireación en forma prolongada pueden presentar problemas de obediencia en el momento de deshidratación. ALTERNATIVAS DE DESHIDRATACION A grosso modo podemos distinguir en alternativas de deshidratación natural, como playas de secado o enfoques definitivamente mecanicista, como ser unidades filtro prensa o filtro prensa de bandas. ALTERNATIVAS DE DESHIDRATACION NATURAL: PLAYAS DE SECADO Las playas de secado han sido utilizadas por muchísimos años y en las instancias en que su diseño y operación ha sido correcto, resultan menos sensibles a la concentración de sólidos de entrada y pueden producir concentraciones mayores que cualquier dispositivo mecánico. Aún cuando han sido especialmente aplicadas en pequeñas plantas y zonas de gran insolación, ha sido empleadas exitosamente en plantas de todo tamaño y ubicación geográfica. Dentro de sus ventajas podemos destacar: - relativamente bajo costo de capital de existir area disponible - poca necesidad de intervención y calificación de operadores - bajo consumo del punto de vista energético - poca sensibilidad a variabilidad en los lodos - bajo consumo de aditivos químicos - alto grado de concentación. Dentro de sus desventajas recordamos que - no existe un método racional de diseño - puede requerirse una gran porción de terreno - puede requerirse digestión previa - gran dependencia en cuanto a cambios climáticos - potencial problema en cuanto a problemas institucionales - grandes requerimientos en cuanto a mano de obra para remoción Durante la década entre 1960 y 1970 las playas de secado perdieron un poco de favor debido a aspectos incontrolables o impredecibles, como ser variaciones en cuanto a precipitación, temperatura y tasas de drenaje. En comparación con el deshidratado mecánico, las playas de secado pueden demandar superficies de gran extensión así como un número importante de operarios, un aspecto nada favorecido en las políticas industriales contemporáneas. De todas maneras, teniendo en cuenta las inversiones importantes que los equipos mecánicos pueden requerir, es recomendable revisar esta alternativa formalmente. Los dos mecanismos de deshidratación más importante en el proceso de secado en las playas de area están constituídos por la etapa de drenaje y la etapa de evaporación. En realidad, la etapa de drenaje está subdividida en dos partes. Inicialmente, el agua presente es drenada a través del lodo, el lecho de arena y hacia las canalizaciones de drenado. Esta etapa, que normalmente dura unos pocos días, continua hasta que la superficie de arena se colmata o cuando todo el líquido haya drenado. En el caso de formación del sobrenadante por la colmatación del lecho, se procede al retiro/"decant" de aquel, etapa que puede ser especialmente importante para eliminar simultáneamente aportes pluviales dado que de otra manera se retardaría el proceso de secado. Finalmente el líquido remanente luego de las etapas de drenaje y retiro/"decant" es eliminado mediante procesos evaporativos. DESHIDRATACION MEDIANTE FILTRO PRENSA Durante mediados de 1800, variantes de filtros prensa rudimentarios fueron empleados con éxito en el Reino Unido para el tratamiento de lodos con y sin acondicionamiento químico. En 1908, un registro de la British Royal Commission indicaba la existencia de 21 plantas de tratamiento con unidades tipo filtro prensa. Todas excepto cuatro empleaban algún tipo de auxilio químico. En otros países como ser Alemania y Estados Unidos existen antecedentes similares e increíblemente desde su introducción hasta 1960 sus rasgos básicos han permanecido prácticamente constants. En realidad los filtros tipo prensa no recibieron una extraordinaria acogida o empleo anteriormente a 1970 debido en parte a la gran cantidad de mano de obra requerida para la operación. Básicamente desde entonces, el filtro prensa ha evolucionado desde una proceso batch intensivo del punto de vista de mano de obra hacia una operación parcialmente automatizada en la mayoría de los casos. Mejoras en el diseño de las máquinas y controles para automatización, como por ejemplo intercambio/ reposicionamiento automático de placas, descargas de concentrado y etapa de lavado han reducido considerablemente las dificultades. Por otra parte, la capacidad de las unidades ha aumentado considerablemente, de manera que frecuentemente se requiere menor cantidad de unidades aún para las plantas mayores, lograndose una factibilidad razonable en muchos casos. Existen sin embargo plantas completamente automatizadas de filtro prensa de volumen variable como por ejemplo la existente en St. Paul, Minn - 8 prensas de 44 placas cada una. En términos tanto de capital como de costos de operación, el sistema de filtro prensa todavía permanece generalmente por encima de las otras alternativas pero cuando las reglamentaciones de disposición final han establecido valores de concentrado estricto, a menudo el filtro prensa ha demostrado su factibilidad. Es más, muchas plantas de rellenos sanitarios han endurecido sus condiciones de ingreso en muchas zonas de EEUU, no siendo infrecuente encontrar requerimientos del orden de 35% de sólidos. Asimismo, en los casos en que ha debido recurrirse a incineración como disposición final por no disponer de alternativas, las unidades de filtro prensa han demostrado su factibilidad. Debido al mayor porcentaje de residuos sólidos secos del concentrado (que aumenta la proporción de contenido de material volatile respecto al contenido de humedad) es posible la combustion autógena, reduciéndose la necesidad de emplear combustibles suplementarios como gas natural o fuel oil # 2. TEORIA BASICA DEL DESHIDRATADO MEDIANTE FILTRO PRENSA La filtración por presión es la separación de sólidos suspendidos de un lodo o fango mediante el establecimiento de un diferencial de presión como "driving force." Podemos clasificar los procesos de filtrado como de tasa constante o presión constante. En los procesos de filtrado de tasa constante, la tasa permanece constante, permitiéndose que la caída de presión a través del concentrado aumente continuamente durante el ciclo hasta que se llega al valor máximo admisible de bombeo. En los procesos de filtrado de presión constante, la pérdida de carga se mantiene constante mientras que la tasa de filtrado va declinando en forma continua por acumulación de los sólidos retenidos. El ciclo se termina cuando la tasa de filtrado se encuentra ya por debajo de un valor prefijado. En realidad, debido a las condiciones de borde impuestas por los distintos tipos de equipos, así como la compleja y frecuentemente impredecible interrelación de las variables de proceso, el proceso de deshidratación a través de un filtro prensa no encaja exactamente en ninguna de las dos categorías, salvo que descompongamos la idealización del proceso en etapas "sucesivas". Podemos entonces modelar el funcionamiento del filtro prensa como una combinación de procesos de tasa constante y presión constante. Podemos decir que el proceso comienza con características de tasa de filtrado constante hasta el valor máximo de bombeo y luego pasa a operar en un régimen de filtrado de presión constante hasta que la tasa se extingue por debajo de un valor prefijado. En la realidad, el ciclo de filtrado se caracteriza por oscilaciones temporales del caudal, presión y carga de sólidos. Las decisiones a nivel de diseño/proyecto y control del proceso contribuirán a definir las condiciones de operación, estableciendo el valor máximo de operación del sistema (e.g. 100 psi) y los valores máximos y mínimos de caudal de alimentación. Es común distinguir dentro del ciclo completo de la unidad, el denominado ciclo de formado, durante el cual se produce la alimentación al filtro y que frecuentemente se denota Thetac. Durante este lapso de alimentación, la resistencia a la filtración es baja y la tasa de filtración más o menos constante hasta que, por acumulación de sólidos en las porosidades de las placas, comienza a llenarse las cámaras interiores de las placas. En esta última fase es que tendremos una tasa de filtración que declina progresivamente a presión constante hasta que el significativo cambio en la porosidad de las paredes formadas inhibe el pasaje progresivamente, lo cual resulta en un flujo decreciente y aumento de presión del sistema hasta llegar al máximo valor admisible que se mantendrá hasta el fin del ciclo. TIPOS DE UNIDADES FILTRO PRENSA Puede decirse que existen básicamente dos tipos de filtro prensa corrientemente empleados en la deshidratación de lodos municipales, denominados de volumen constante (el más común) y la alternativa de volumen variable o diafragma. El filtro prensa de volumen constante consiste básicamente de un cierto número de placas o bandejas alojadas dentro de un bastidor de manera de asegurar una correcta alineación, siendo aprisionados hidráulica o electromecánicamente mediante un extremo fijo y otro móvil. Las placas tienen una superficie de drenaje, canal de descarga del filtrado e ingreso centralizado para la alimentación. Las telas que cubren las superficies de drenajes proporcionan el elemento de filtración. Un dispositivo de cerrado mantiene las placas a presión mientras se alimenta el filtro a niveles de presión del orden de 700 a 1600 kPa (100 a 225 psig). Las telas filtrantes capturan sólidos suspendidos y permiten el drenaje del filtrado a través de los canales. El ciclo de acumulación de sólidos se termina cuando se llega a un valor aproximadamente un quinceavo o un vigésimo del valor inicial. En ese momento, se detiene la alimentación, se reposicionan las placas y se descargan los concentrados. Las unidades filtro prensa de volumen variable, también llamadas de diafragma incluyen una membrana flexible adicional sobre las placas. La primera etapa del ciclo de prensado de la unidad de volumen variable es idéntica a la del filtro prensa convencional. Sin embargo, una vez que se los espacios intraplacas se han llenado de líquido y la formación del concentrado ha comenzado, se presurizan las membranas mediante aire comprimido o hidráulicamente (aproximadamente a niveles entre 1500 y 2000 kPa o sea aproximadamente entre 220 y 285 psi) comprimiendo aún más el concentrado. Esta etapa adicional de prensado acelera la tasa de filtrado y disminuye el largo del ciclo, obteniéndose como resultado mayores concentraciones con mayor flexibilidad. El filtro prensa de volumen variable se distingue significativamente del filtro prensa de volumen constante por tener una capacidad volumétrica menor, formaciones más finas y operación altamente automatizable. DESHIDRATACION MEDIANTE FILTRO PRENSA DE BANDAS (BFP) Las unidades filtro prensa de bandas también llamadas frecuentemente filtro de bandas, están constituídas por una o dos bandas o cintas especiales que permiten la deshidratación de los lodos en forma continua mediante el combinado de drenaje por gravedad y esfuerzos de compresión. Las primeras unidades de filtro prensa de bandas fueron desarrolladas por Klein en Europa y la firma Smith & Loveless en EEUU aproximadamente en 1960. Si bien puede decirse que fueron utilizadas en forma exitosa en Europa Central hace aproximadamente 15 o 20 años, y de "apariencia" relativamente contemporánea, un diseño moderno de filtro prensa de bandas se asemeja extraordinariamente a la máquina de papel del francés Fourdrinier, inventada en 1799, que lograba llevar la concentración de 0.5% de sólidos en el ingreso hasta concentraciones superiores al 20%. Las unidades filtro prensa de bandas han sido tan bien recibidas en Europa que prácticamente han desplazado a todos los otros métodos de deshidratación mecánica. A mediados de la década de 1970, las unidades fueron siendo incorporadas en el mercado de EEUU fundamentalmente por su capacidad de deshidratar con éxito los "problemáticos" lodos de tipo biológico (decantado del clarificador secundario) , su sensiblemente menor consumo energéticos (e.g. 7.5 HP vs 100 HP) de otras unidades como ser centrífugas y tipo vacío. TEORIA BASICA DE LA DESHIDRATACION MEDIANTE FILTRO PRENSA DE BANDAS Las unidades filtro prensa de bandas obtienen el dehidratado del fango o lodo mediante la acción combinada de drenaje (simple gravedad) y esfuerzos mecánicos, i.e. compresión. Al igual que en el filtrado por vacío, el proceso de dehidratación mediante filtro prensa de bandas se explica mediante aplicación de la ley de D'Arcy. El proceso de dehidratación a través de un filtro prensa de bandas se divide clásicamente en tres etapas de operación bien diferenciadas. Son ellas: 1. preparación y/o acondicionamiento del lodo mediante el adicionamiento de agentes químicos; 2. etapa de drenaje fundamentalmente por gravedad hasta una consistencia sin fluidez, llevada a cabo en la zona de separación por gravedad, generalmente en entre 2 y 4 m de trayecto 3. etapa de prensado o compactación propiamente dicha mediante el sistema de bandas. Así es como el lodo relativamente diluído, digamos del orden de 2-4%, posteriormente a su acondicionamiento mediante la adición de polímeros, va escurriendo un gran porcentaje de líquido en la zona de drenaje. Al final de la etapa de drenaje, que puede transcurrir típicamente entre 1 y 2 minutos, y dependiendo del nivel de sólidos de la alimentación, puede haberse eliminado aproximadamente el 50% del líquido y ya tener concentraciones de sólidos entre 6 y 10%. La tercera fase ocurre a partir del primer momento en que comienzan a ejercerse solicitiones, sea por compresión del lodo entre las dos bandas o mediante la aplicación de un vacío en la parte inferior de la cinta transportadora. Es posible ajustar considerablemente la presión de trabajo. Sin embargo, cualquier esfuerzo por obtener algunos puntos más de concentración mediante el tensionado arbitrario de las bandas reducirá sustancialmente la vida útil de las mismas. CONSIDERACIONES DE DISEÑO Y SELECCION En general, el criterio de selección, o en forma equivalente, la expresión de la capacidad de procesamiento o "throughput" de un filtro prensa de bandas determiando puede considerarse desde el punto de vista hidráulico, o alternativamente, desde la perspectiva de carga de sólidos admisible. En general puede decirse que este ultimo es el más apropiado. Dado un ancho determinado de la unidad, se obtendrá un determinado caudal máximo de operación (e.g. gpm; m3/h) así como un valor de carga de sólidos máximos (e.g. lb/hr; kg/h) que será sólo obtenible mediante un correcto acondicionamiento de lodo previo. Así es como puede verse especificaciones preliminares detallando valores nominales como 40-60 U.S. gpm por metro de filtro prensa de bandas, aún cuando puede haber instalaciones que logran valores notablemente superiors, e.g. 200%. En forma similar complementaria puede, por ejemplo, especificarse, 1,000 lb/hr de resíduo seco. La experiencia práctica y la mayoría de los fabricantes (con distintos grados de coincidencia o adhesión en cuanto a los porcentajes obtenibles!) confirman que tanto la capacidad de deshidratación y porcentaje de concentrado asociado aumentan directamente con el porcentaje de sólidos del lodo a deshidratar. Al igual que en las otras unidades, y con ciertas discrepancies aún a nivel de fabricante, los rendimientos a su vez pueden diferir según las características de los lodos a deshidratar. Así como generalmente se reconoce que los lodos digeridos anaeróbicamente de un clarificador primario son pasibles de una mejor deshidratación que lodos biológicos digeridos aeróbicamente, el comportamiento de mezclas aumenta su deshidratabilidad y el nivel de concentración asociado en proporción directa al aumento en la composición de los primeros sobre los segundos. Finalmente cuando es visualizable una operación completamente automatizada, la mayoría de las instalaciones opera en forma semi-automática. |
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