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Casa abierta al tiempo

UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA UNIDAD IZTAPALAPA

CIENCIAS BASICAS E INGENIERIA

INGENIERIA QUIMICA

TESIS PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO QUIMICO

“TRATAMIENTO DE LlXlVlADOS DE DESECHOS SOLIDOS MUNICIPALES”

INTEGRANTES:

BONILLA BLANCAS ANGELICA ELIZABETH. 90323549

PEÑA ROSAS HECTOR. 93321 723

RAMIREZ LOERA ADRIANA GUADALUPE. 9221 9320

ASESOR: ALBERTO SORIA LOPEZ.

MAYO 1997

AGRADECIMIENTOS

Agradecimientos:

Por el apoyo brindado durante mi carrera, agradezco a mis padres, pues gracias a ellos estoy viendo coronadas una de mis metas más anheladas.

Adriana.

A mis padres y a mis hermanos por darme su cariño que me ayudo a seguir adelante y alcanzar lo que más he querido.

Elizabeth

A Dios, a mis padres, a mis hermanos y a todas aquellas personas que gracias a su apoyo pude obtener este logro en mi vida. Gracias.

Héctor

Al Dr. Alberto Soria por su apoyo y consejos para llevar a feliz termino este trabajo.

Elizabeth, Adriana y Héctor

INDICE

1.- INTRODUCCION 1

11.-REVISION BlBLlOGRAFlCA 2.1 Basureros como fuente potencial de contaminación

2.1 .I Basurero Santa Fe-Prados de la Montaña 2.1.2 Basurero Santa Cruz Meyehualco 2.1.3 Basurero Santa Catarina

2.2.1 Descomposición de desechos sólidos municipales 2.2.2 Descripción de factores que afectan la formación de lixiviados 2.2.3 Composición d e lixiviado

2.3.1 Oferta, disponibilidad y consumo

2.2 Lixiviados

2.3 Recursos hidrológicos d e la Ciudad de México

2.4 Parámetros de calidad del agua 2.5 Tratamiento de lixiviados

2.5.1 Proceso biológico de lecho fluidizado con carbón activado 2.5.2 Tratamiento de lixiviados en un reactor anaeróbico 2.5.3 Tratamiento de lixiviados por evaporación 2.5.4 Tratamiento físico-químico 2.5.5 Tratamiento físico-químico-biológico

2.6 Tratamiento fisico-químico-fotocatalítico

111 FASE EXPERIMENTAL 3.1 Método del proceso físico-químico-fotocatalítico

3. l. I Precipitación de metales 3.1.2 Proceso fotocatalítico 3.1.3 Regeneración del catalizador

3.2.1 Precipitación de metales 3.2.2 Proceso fotocatalítico

3.2 Resultados y discusiones

IV DISER0 DE LA PLANTA 4.1 Descripción de la planta

4.1.1 Datos del proceso 4.1.2 Mantenimiento de la planta 4.1.3 Balance de materia

4.2 Diseño de equipo 4.3 Costos de energía 4.4 Costos de materia prima 4.5 Personal necesario 4.6 Ubicación de la planta

2 2 3 4 4 8 8 8

I O 12 12 14 15 16 16 17 18 20 21

23 23 23 23 24 24 24 25

28 28 29 29 30 32 35 35 36 36

V INVERSION TOTAL

VI CONCLUSIONES

Apéndice A Diseño de equipo

Apéndice B Diseño d e bombas

Apéndice C Costos del equipo

BlBLlOGRAFlA

38

40

41

48

49

50

INTRODUCCION

I . - INTRODUCCI~N

La Ciudad de México genera hoy en día 11,500 toneladas diarias de basura. Para el año 2000 se calcula que se producirán 25,000 toneladas por día, de las cuales 48% corresponderán al D.F., y 52% a los municipios conurbados, por lo que resulta muy difícil y costoso arrojar los residuos a tiraderos al aire libre. Uno de los principales problemas relacionados con los desperdicios sólidos vertidos en los basureros es la contaminación de las aguas subterráneas, provocada por la infiltración de substancias tóxicas (lixiviados)(’). Las áreas con mayor cantidad de mantos freáticos contaminados son la Comarca Lagunera, el Valle de México y la Península de Yucatán.

Debido a la importancia que tiene el agua en la vida del hombre, la contaminación de este recurso se convierte en un medio con gran potencial para transmitir una amplia variedad de males y enfermedades. En países del primer mundo, las enfermedades hídricas son raras, debido esencialmente a la presencia de sistemas eficientes de abastecimiento de agua y eliminación de agua residual. Sin embargo, en el mundo en vias de desarrollo, tal vez cerca de 2000 millones de personas no cuentan con suministro de agua seguro y saneamiento adecuado.

Escasez y contaminación son ya causas de conflictos entre los distintos sectores de la población. Actualmente, el agua corre el riesgo de convertirse en freno del desarrollo del país y desde luego en origen de conflictos sociales muy serios. Un problema adicional que se presenta en la contaminación de las aguas es el poco o nulo tratamiento, no solo de las aguas residuales sino también de los desechos sólidos. Lo que esta contribuyendo a aumentar alarmantemente las condiciones de contaminación.

El tratamiento de los lixiviados surge como una necesidad imperante por conservar la calidad del agua de los mantos freáticos en el Valle de México. En este trabajo se propone un método de tratamiento que consta de dos etapas: la primera consta de un proceso físico-químico que tiene como objetivo eliminar los metales pesados; la segunda es una reacción fotocatalítica cuyo fin es la mineralización de la materia orgánica presente en los lixiviados.

TRATAMIENTO DE LlXlVlADOS DE DESECHOS SOLIDOS MUNICIPALES 1

REVISION BlBLlOGRAFlCA

11.- REVISION BlBLlOGRAFlCA

2.1 .- BASUREROS COMO FUENTE POTENCIAL DE CONTAMINACION.

Desde el punto de vista geohidrólogico, la Cuenca de México esta constituida por un parque arcilloso de alta porosidad, en la parte superior, siendo su espesor variable, llegando a ser en algunas zonas de 200 a 400 m (Subcuenca de Chalco, Lago de Texcoco). Esta característica permite la formación del acuífero, paquete formado principalmente por materiales sedimentarios del Cuaternario tales como: depósitos lacustres, cenizas volcánicas, arcillas, etc. Bajo este paquete se encuentra los mantos acuíferos que actualmente son explotados en el Valle de México, formados por material granular y principalmente por piroclásicos, conglomerados y otro tipo de material volcánico; su espesor es también variable, siendo éste generalmente mayor de 200 m, al igual que sus propiedades hidráulicas. Le subyacen rocas volcánicas fracturadas, cuya base llega a estar del orden de 2000m en el centro de la cuenca disminuyendo hacia los márgenes. El contenedor impermeable lo constituyen rocas volcánicas y calizas cretásicas.

El multiacuífero del Valle de México es recargado por infiltraciones de la precipitación actuando como áreas de recargas más importantes las sierras circundantes. La precipitación media anual varía entre 600 mm en el norte de la cuenca, hasta más de 2000 mm en las sierras del sur. El régimen de flujo es controlado por la extracción, predominando pozos con profundidades menores a 1OOm. El suministro de agua subterránea en la cuenca representa cerca del 80% de su abastecimiento total. Es importante conocer el marco geológico en el que se mueve el agua subterránea en las áreas de depósitos de residuos sólidos con el fin de conocer los hechos potenciales de contaminación de los acuíferos. No hay que olvidar que un alto porcentaje de residuos queda sin utilizar contaminando el medio ambiente.

La migración de lixiviados depende de la capacidad de retención de la zona no saturada de agua, respecto a la cantidad global del flujo contaminado liberado. La infiltración de ésta zona es esencialmente vertical y los productos disueltos (solutos) se desplazan con diferentes velocidades debido a la acción de las fuerzas de tensión superficial y al gradiente de densidad. En la zona amortiguadora, el escurrimiento de lixivados es mucho más lento que en la zona saturada por lo que la mayor parte de los contaminantes, acarreados por el lixiviado pueden ser detenidos en la matriz porosa, por diferentes procesos físicos, químicos y biológicos o bioquímicos. La eficiencia de estos procesos dependerá especialmente del espesor y naturaleza de la zona no saturada (porosidad efectiva, fracturamiento). Si la zona amortiguadora tiene un espesor considerable y baja permeabilidad, los diferentes procesos de atenuación (degradación biológica, intercambio iónico, etc), tiene el tiempo suficiente para actuar durante el lento movimiento vertical del lixiviado.


REVISION BIBLIOGRAFICA

Una vez que el lixiviado ha traspasado esta barrera se incorpora y se dispersa en el manto acuífero. La migración y atenuación de la pluma contaminante puede verse afectada por diversos procesos, entre ellos, los de difusión que dependerán de la disolución del lixiviado al mezclarse en el agua del acuífero y también de la dispersión de las sustancias en solución, predominando los procesos dispersivos por las bajas velocidades del flujo subterráneo en los medios porosos regulares.

Cuando este proceso ocurre en los medios de doble porosidad fracturados, llega a predominar el término advectivo al dispersivo. También se presentan intercambios físicos entre las sustancias en solución y la matriz porosa, bajo los efectos de diferencias temporales de concentración (adsorción-desorción). En la mayoría de los casos, la atenuación de contaminantes está determinada por los siguientes factores:

a) Concentración de contaminantes que alcanza nivel piezométrico. b) Elevación del nivel freático. c) La transmisibilidad de las formaciones acuíferas.

El centralismo de la administración publica, la desmedida expansión de la ciudad, el crecimiento de la población y una mala planeación hacen que el actual sistema de recolección, deposición y reciclaje de residuos sólidos, no sea el más adecuado para nuestra metrópolis. Desde hace mucho tiempo, en diversos rumbos de la ciudad han sido establecidos una serie de lugares de deposición de residuos sólidos (Santa Fe- Prados de la montaña, San Lorenzo Tezonco, Santa Cruz Meyehualco, Bordo Xochiaca, Tláhuac, Tlalpan, Santa Catarina y Bordo Poniente). Algunos pequeños clandestinos, y otros grandes tiraderos oficiales de desechos domiciliarios, hospitalarios, etc. que carecen de instalaciones adecuadas y en los cuales los residuos sólidos, en la mayoría de los casos, después de la pepena son cubiertos por tierra.

Actualmente, la mayoría de estos grandes tiraderos han sido cerrados con la idea de habilitarlos como parques, sin embargo, existe la problemática no resuelta de la producción de biogas y lixiviados.

2.1 .I .-Basurero de Santa Fe-Prados de la Montaña.(’)

Ubicado al poniente de la ciudad, creado en 1958 y cerrado recientemente. Ocupa un área de 100 hectáreas sobre largas barrancas, con gran capacidad de relleno. Esta asentado sobre arenas y tepetate sin drenaje. El basurero Prados de la montaña se encuentra emplazado sobre materiales de la formación Tarango; la mayor parte del subsuelo esta constituido por materiales granulares, principalmente gravas y arenas permeables, con intercalaciones de arcilla(’),



La profundidad del nivel de agua varía de 100 a más de Zoom., esto permite que gran parte de los contaminantes puedan ser detenidos o absorbidos antes de alcanzar la zona de saturación. No se conoce su potencial contaminante, presuponiéndose mínimo por el bajo porcentaje que se incorpora al flujo y por la alta dilución de esta zona.

2.1 2.- Basurero de Santa Cruz Meyehualco(‘).

Operó durante varios años ocupando un área de 148 hectáreas, con espesores variables entre 10 y 30m. El subsuelo esta constituido por derrames basálticos de alta permeabilidad, intercalados con rellenos aluviales de permeabilidad media y arcillas. La profundidad del nivel estático varía de 20 a 50m. El agua que circula a través del basurero hacia los pozos Agrícola Oriental, transporta parte de los lixiviados del mismo(’).

2.1.3.- Basurero de Santa Catarina

Este basurero o tiradero a cielo abierto actualmente controlado, está ubicado en el municipio de La Paz, Estado de México, en los límites de la delegación política de Iztapalapa, a un costado de la autopista México-Puebla .Cubre un área de más de 50 hectáreas, de las cuales aproximadamente 15 se encuentran sobre la ladera del volcán “la caldera”, una gran estructura de forma elipsoidal irregular, que se eleva directamente del piso del antiguo lago de Chalco. Forma parte de la sierra de Santa Catarina, integrada por materiales clásicos interestificados de origen andesítico. Este volcán, de dos cráteres, esta formado por material piroclásico, principalmente cenizas volcánicas y lapillicas, con escasos bloques lo que le confiere un amplio rango de permeabilidad.

Pruebas de permeabilidad con car a variable realizadas en muestras de suelo del área, han dado valores del orden de 10- m/s. Esto indicaría que el terreno es adecuado para la disposición final de residuos. Más sin embargo, la heterogeneidad geológica de los materiales volcánicos puede presentar porosidad secundaria afectando la permeabilidad del medio(’).

$

AI inicio de sus operaciones, en diciembre de 1982, era un tiradero a cielo abierto. Ahora, es manejado como un relleno sanitario, aunque no reúna todos los requisitos del mismo. Entre 1985 y 1988 llego a recibir hasta 8,000 toneladas por día de basura. Actualmente recibe desechos domiciliarios y de mercado, así como material de demolición. Se le considera un tiradero de tipo regional, ya que da servicio a varias delegaciones urbanas, Iztapalapa, lztacalco, Benito Juárez, Cuauhtémoc y algunos particulares. En nuestros días se ha terraseado la falda del volcán para ampliar el área de depósito. AI igual que otros lugares de deposición, del área metropolitana, no existe control en la producción de lixiviados ni de biogas. Esta en proceso de clausura y saneamiento, recibiendo del orden de 2,000 toneladas por día de basura(2).



En la Fig. 1 se muestra la ubicación de los basureros y de los mantos acuiferos del Valle de México. En la Fig. 2 se pueden ver los problemas generados en los rellenos sanitarios.



Figura 1. Mapa de la ubicación de los mantos freáticos y los principales tiraderos.

6 TMTAMIENTO DE LlXlVlADOS DE DESECHOS SOLIDOS MUNICIPALES

L S3lVd131NflW SOQllOS SOH33S30 30 SOOVlhlXll 30 OlN31WVlWl

-so!~e)!ues soualp sol ua eJnseq el Jod sopeJaua6 S~UalqOJd 'Z eJn6!j


2.2.- LlXlVlADOS

La deposición de los residuos sólidos esta acompañada de una serie de complejas reacciones fisicoquímicas, químicas y biológicas, efecto de interacciones entre los residuos, el agua que se infiltra y los constituyentes del medio geológico del sitio de deposición. AI excederse la capacidad de retención de la cubierta vegetal, el agua se percola entre los residuos sólidos hasta llegar a saturarlos y conjuntamente con el líquido que se encuentra entre los residuos, se infiltran en el terreno formando el lixiviado.

La descomposición y el proceso disolvente de la basura están interrelacionados y se hallan afectados primordialmente por la presencia de diversos factores que se analizan a continuación:

2.2.1 .- Descomposición de desechos sólidos:

La descomposición es un proceso casi biológico y puede ser aeróbica o anaeróbica. La descomposición aeróbica requiere de la presencia de oxígeno y la circulación de aire. La humedad óptima para la descomposición aeróbica es de un 40 a 65 YO de su peso total, así mismo, dicha descomposición crea temperaturas altas de hasta 80°C. Esta descomposición es un paso relativamente rápido(3).

En contraste, la descomposición anaeróbica sucede en dos fases: La primera es la no- metálica, por lo general no produce gas y prepara los desperdicios para una degradación posterior. Esta fase se identifica por la generación de ácido y por lo tanto bajos valores de pH.

La segunda fase es la fase metagónica, la producción de gas metano se considera que es la que tiene más importancia en condiciones anaeróbicas. Durante esta fase se elabora metano y dióxido de carbono.

Así mismo, puede producirse ácido sulfúrico. Es en esta última etapa en donde se tiene una mayor producción de lixiviados, y se requiere de muchos años para llevarse acabo en los sitios de disposición final del D:F.

2.2.2.- Descripción de factores que afectan la formación de lixiviados(2)

a) Clima y cantidad de lluvia infiltrada:

Como sabemos, la mayor parte del volumen de lixiviados esta producido por la percolación de lluvias en los residuos sólidos, por lo que la frecuencia y cantidad de lluvia tienen una importancia vital.



Si la superficie del tiradero está expuesta a lluvias continuas y existe poca evaporación se producirá una mayor dilución, que si la lluvia se diera en intervalos con períodos secos.

Por otro lado, la dimensión de las partículas es muy importante para determinar la producción de disolución, puesto que las partículas de desperdicios grandes de dimensiones uniformes, existen en muchos huecos amplios dentro de la masa de los desperdicios. Como resultado de esto, la precipitación se canaliza a través de dichos vacíos con gran rapidez, y puede formarse de inmediato cantidades significativas de disolución sin que haya oportunidad a que se evapore. Las partículas de mayores dimensiones están trituradas de manera más uniforme, y la mezcla se mantiene inicialmente cerca de la superficie donde hay una evaporación rápida, hasta que la capa se satura. También se da el caso de que las pequeñas partículas aumentan la capacidad del tiradero; además de tener una mayor superficie a la que se puede añadir agua, y más vacíos o huecos para mantener humedad tensión superficial.

Las diferentes estaciones del año y sus temperaturas respectivas, así como la velocidad del viento, afectan la cantidad de evaporación.

b) Hidrogeologia de la zona:

La calidad de terreno es muy importante para determinar la producción de lixiviado. Un terreno cubierto, impermeabilizado (por ejemplo de arcilla), permite una infiltración considerablemente mayor. Hay que resaltar que los terrenos cubiertos a presión, también limitan la fluidez del gas producido por la descomposición, igualmente la inclinación y la topografía de la zona son importantes.

e) Composición de los residuos:

En el D.F. se generan cerca de 11,000 toneladas diarias de desechos sólidos municipales, con un número de habitantes alrededor de 9,000,000, por lo que la producción percápita es de aproximadamente 1.30kg/día/habitante.

Estos desechos sólidos municipales se depositan de manera final en rellenos sanitarios. Se consideran como desechos sólidos municipales:

3 Cartón ixtle o fibra textil, P Plástico: película y rígido 3 Material de construcción: con valor combustible muy bajo, madera 3 Hueso, hule, madera, cuero y lata


REVISION BIBLIOGRAFICA ~~ ~

En el D.F: la composición promedio de los desechos sólidos se muestra en la Tabla 1.

Tabla 1. Composición de la basura en el D.F.

r MATERIAL 1 O h EN COMPOSICION 1 Cartón y papel Metal

23.42

7.44 Vidrio 3.5

I Textiles 1.22 1 ~

Plástico 1 10.91 Materia oraánica 41.23

I Otros (sin clasificación) I 12.23 I Fuente: Dirección de Servicios Urbanos, 1996

2.2.3.- Composición de lixiviados:

La extraordinaria variabilidad de los constituyentes del lixiviado, hace difícil estimar su composición exacta ya que sus características no solo están determinadas por los constituyentes depositados, sino también, por su etapa de descomposición, las características físicas y climáticas del lugar, procedimiento de disposición, edad del tiradero, entre otros factores. La combinación de factores antes mencionados contribuyen a que se tenga un amplio de rango de valores en las características de los lixiviados, como se puede observar en la Tabla 2.

Tabla 2. Composición característica del lixiviado en un relleno sanitario.(4)

VALOR mgll COMPONENTES CARACTERiSTlCO INTERVALO

BOD5

20 1-50 Orto fósforo 30 1-70 Fósforo total 25 5-40 Nitratos

200 10-800 Nitrógeno de amoniaco 200 10-600 Nitrógeno orgánico 500 200-1,000 Sólidos totales en suspensión

18,000 3,000-45,OOO COD (Demanda de oxígeno químico) 6,000 1,500-20,000 TOC (Carbono orgánico total) 10,000 2,000-30,000

Alcalinidad como CaC03 6 5.3-8.5 pH

1,000-1 0,000 ~~

3,000 "

Potasio

60 50-600 Hierro total 300 100-1,500 Sulfato 500 100-3,000 Cloruro 500 200-2,000 Sodio 300 200-2,000

Excepto el pH. los demás valores poseen las unidades mencionadas.



La concentración medida en un área vieja generalmente es más alta que la de una área nueva. El flujo medio en un sitio de disposición nuevo es tres veces más alto que en un viejo. Esto se refleja en una gran dilución y en una más baja concentración en el sitio nuevo. En la Tabla 3 se muestra el efecto del tiempo en la composición del lixiviado.

Las observaciones indican que la variación en la composición de los lixiviados es efecto de la emisión de transferencia de masa de áreas viejas que son lentas con respecto a las áreas nuevas en una razón de 6 veces.

Tabla 3.- Evolución temporal de parámetros fisicoquímicos.

Las unidades son mg/I, excepto pH.

TRATAMIENTO DE LIXIVIADOS DE DESECHOS SOLIDOS MUNICIPALES 11


2.3.- RECURSOS HIDROLOGICOS DE LA CIUDAD DE MEXICO

La Cuidad de México se enfrenta a numerosos problemas, que al igual que la megalópolis son de enormes dimensiones. Para el caso del agua, la insaciable sed de la ciudad ha incluido programas de extracción exhaustiva de los acuíferos que la subyacen y la substracción masiva de agua de otras cuencas como los ríos Lerrna y Cutzamala.

A pesar de los grandes esfuerzos realizados por la administración pública para proveer de suficiente líquido a la Ciudad de México, éSta se enfrenta perennemente a una ambivalente sociedad de abundancia-carencia. Un consumo irracional per cápita de 300 litros por persona al día, aunada a una muy precaria disponibilidad de agua en amplias capas de la población('3). El problema de la disponibilidad de agua en la cuenca del Valle de México es una verdadera bomba de tiempo para la ciudad más poblada del planeta.

Con una mayor profundidad y agudeza que la contaminación del aire, que actualmente es considerado como el problema ecológico fundamental de la ciudad de México, la disponibilidad de agua en cantidad y calidad suficientes para los que en el año 2000, dentro de 4 años, serán por lo menos 26 millones de habitantes, es una cuestión de prioridad nacional. Las estrategias hidráulicas y energéticas que emprendamos los mexicanos en estos momentos para enfrentar madura y concretamente esta situación, serán determinantes para evitar una catástrofe ecológica de proporciones históricas

La extracción total de agua de pozos en la cuenca hidrológica del Valle de México es de alrededor de 35 m3/s, la recarga se estima de 20 a 25 m3/s, provocando que la disponibilidad de agua cada vez sea más reducida y se tenga por consiguiente la necesidad de suministrarse de agua de otras cuencas.

2.3.1 .- Oferta, demanda, disponibilidad y consumo

La problemática del agua se puede definir en los siguientes puntos:

1. El Valle de México, que en pasado fue modelo de eficiencia hidráulica, ha perdido su equilibrio. Actualmente, el área metropolitana alberga 19 millones de habitantes de los cuales el 55% viven en el DF y el 45%en los municipios metropolitanos del Estado de México. Esta concentración demográfica y económica consume todos los días de 57 a 63 m3/s de agua, existiendo un déficit que es mayor en el Estado de México que en el D.F.

".



2. Las fuentes de suministro de éste caudal corresponden a un 70% a los acuíferos del Valle de México. El 30% restante se importa de otras cuencas; el 16% de Lerma y el 14% de Cutzamala. Dicha importación implica daños irreversibles a la agricultura y limitaciones a la generación de energía eléctrica, además del alto costo de la infraestructura para su conducción y bombeo hasta de una altura de 1,000m.

3. A pesar de las enormes inversiones para traer agua de otras cuencas, desde 1950 se han sobreexplotado los acuíferos del Valle. Ello comienza a generar pérdidas en la capacidad de sumistro, contaminación de algunos mantos subterráneos y aceleración del proceso de hundimiento.

El abatimiento de los niveles de agua subterránea alcanza en algunas zonas como Tlalpan, Naucalpan y Tlalnepantla los 3.5m por año, lo que se traduce en una reducción de los caudales. En Milpa Alta e inmediaciones de la Sierra de Santa Catarina se han detectado problemas de la calidad del agua que se extrae, debido en algunos casos, a la contaminación superficial por la urbanización sin condiciones sanitarias adecuadas y en otros por la extracción de agua fósil de calidad deficiente.

4. En el área metropolitana están en operación los sistemas hidráulicos más complejos y amplios del país. A pesar de los logros alcanzados que permiten que el 97% de la población del D.F., y el 85% de los municipios metropolitanos cuenten con tomas domiciliarias, en el oriente y suroriente se tienen serias deficiencias de suministro por carecer de redes troncales de distribución. A pesar de que el promedio de consumo para todos los usos es de 303 litros diarios por habitante en el D.F., y 198 en el Estado de México, actualmente en el poniente existen colonias con dotaciones mayores a los 600 litros por habitante al día y en el oriente vastas zonas con apenas 20 litros por habitante al día. El subsuelo del D.F. está constituido por sedimentos lacustres y como tal es capaz de almacenar agua, sin embargo, debido a la sustitución de la cubierta vegetal del suelo por pavimento y la construcción del drenaje se ha impedido la infiltración del agua al subsuelo.

El líquido para abastecer la cuidad se capta mediante 1,366 pozos y 60 manantiales, localizados al sur poniente de la capital, con una aportación de 71 3% del suministro total. Se presume que actualmente el 97% de la población del D.F. cuenta con servicio de agua potable con un caudal de 36.8m3/s y del cual 22.5m3/s se destinan a las actividades de uso doméstico, 4.4m3 /S a la industria, 4.3m3/s al comercio y 5.6 m3/s se canalizan a los servicios públicos hospitales y mercados.

La demanda actual se estima en 38 m3/s sobre la base de una dotación de 340 litros por habitante al día, lo cual representa un déficit que se incrementa en época de estiaje. Uno de los factores que provoca éste déficit es el hecho de que las actividades comerciales e industriales utilizan en conjunto el 24%de suministro de agua potable sin que los usos aplicados en esta actividad requieran de la calidad mencionada.



Dentro de la primera clasificación que corresponde al nivel doméstico, el uso y consumo se distribuye de la siguiente manera: evacuación del excusado 40%, regadera 30%, lavado de ropa 15%, lavado de utensilios 65%, preparación de alimentos 5% y otras actividades 4%. En lo que se refiere al uso industrial, el consumo se distribuye así: celulosa y papel 24%, alimenticia 18%, hierro y acero 15%, minerales no metálicos 8%, textil 5%, productos químicos 4% y otras 28%.

Por otra parte de acuerdo con el programa de abastecimiento de agua en bloque a la Comisión de Aguas del Valle de México, el cual comprende los proyectos Cutzamala, Amacuzac y Tecolula, en el año 2000 la oferta sería de 50m3/s, que es mucho menor que la demanda de 72m3/s, prevista para este año. Este último valor corresponde a la demanda de 360 litros por habitante al día para todos los usos del D.F., incluyendo lo no contabilizado.

Más del 60% de los 60m3/s de agua que la ciudad consume, se extraen de 1,300 pozos que bombean el líquido de profundidades cada vez mayores. El consecuente abatimiento de los mantos freáticos de la ciudad se evidencia, como ya se ha señalado, en el importante hundimiento del suelo de la misma y en la creación de enormes cavidades que, tal como se manifestó trágicamente el 19 de Septiembre de 1985, amplificaron la intensidad de las ondas sísmicas a través de la resonancia.

Las bajas tarifas prevalecientes facilitan desperdicios en el consumo de agua y limitan la capacidad para ampliar y mejorar los sistemas, ya que estas no cubren ni los costos de operación. Además de las bajas tarifas, los sistemas de recaudación son deficientes captando solo entre un 25% y un 30% del ingreso potencial. En la zona Metropolitana de la Ciudad de México se dificulta la aplicación de políticas financieras unitarias porque existe un mayor nivel de subsidios en el D.F. En materia de ingresos por el servicio de aguas en el D.F., actualmente solo se recupera el 6.67% del costo de otorgar el servicio en cuanto que por concepto de drenaje la recaudación es prácticamente nula, en los municipios metropolitanos del Estado de México, la recuperación asciende al 26%'').

2.4.- PARAMETROS DE LA CALIDAD DEL AGUA(5)

El agua que por lo general se utiliza para el uso doméstico es el agua potable. Vulgarmente se cree que un agua es de buena calidad cuando es clara, limpia, que cuece bien los alimentos y que deshace el jabón porque no tiene exceso de sulfato de cal o de magnesia.

Será agua potable la que sea incolora, sin partículas en suspención, ni olor alguno, fresca y bien aireada que carezca de nitritos, de nitratos, de sulfuros, de materias orgánicas, de amoníaco y sobre todo debe estar exenta de algas blancas, infusorios y bacterias.



Cuando el agua contiene 0.500gr de sustancias salinas pueden aún utilizarse en bebidas, pero si llega a Igr no sirve ya ni para cocinar, ni para lavar. Es difícil que las aguas que se beben reúnan en absoluto tantas condiciones, por lo que pueden establecerse ciertos límites en los que el agua puede considerarse como potable.

Las principales causas de la no-potabilidad de las aguas son las siguientes:

a) Exceso de algunas sales mitierales que proceden generalmente de los terrenos

b) Exceso de sustancias orgánicas en descomposición. c) Microorganismos con capacidad de desarrollar enfermedades graves.

donde se encuentran las aguas.

En la Tabla 4, se indican los requerimientos para considerar que el agua es potable.

Tabla 4. Parámetros del agua potable:

1 SALES MINERALES TOTALES I 0.500 I 1 Anhídrido Sulfúrico 1 0.060 1 I Cloro I 0.008 I Anhídrido Nítrico (-0.002 Oxidos de Cal v Maanesia I 0.200

Hierro

Los parámetros anteriores tienen unidades de gr. y 0.0005 Amoníaco 0.020 Materias Orgánicas 0.003

no han de rebasar los valores indicados por libra de agua.

2.5.- TRATAMIENTO DE LlXlVlADOS:

Debido a la poca o nula importancia que se le da a éste problema existen pocos tratamientos alternativos para el tratamiento de lixiviados. Los tratamientos que se analizan a continuación son:

> Proceso biológico de lecho fluidizado con carbón activado. 3 Tratamiento de lixiviados en un reactor anaeróbico. > Tratamiento de lixiviados por evaporación. 3 Tratamiento Físico-químico de lixiviados para la remoción de metales. P Tratamiento Físico-químico-biológico.



2.5.1 .- Proceso biológico de lecho fluidizado con carbón activado(6).

El carbón activado provee buenos efectos en la biodegradación cuando se usa como un medio de soporte en reactores de biopelícula. Por lo tanto, es razonable sugerir que la adsorción sobre carbón activado podría jugar un papel muy importante en el tratamiento de lixiviados.

El aparato experimental fue un reactor aeróbico de lecho fluidizado. La fluidización del carbón activado fue lograda a través de la recirculación del efluente con una bomba centrífuga en la parte ba'a. La recirculación del efluente se mantuvo a una razón de aproximadamente 3lmin- hasta alcanzar condiciones cercanas al mezclado perfecto y volumen constante de lecho fluidizado. La alimentación fue adicionada continuamente al reactor, controlando la razón de flujo a través de un cilindro volumétrico equipado con sensores de nivel de agua y cronómetro electrónico. Aproximadamente 320gr de carbón activado granular fue adicionado al reactor y ocupo 1 litro de volumen del lecho fluidizado.

4

El carbón activado fue derivado de un reactor de lechos fluidizados anaeróbicos- aeróbicos, que habían estado tratando el mismo lixiviado por más de 700 días. 4 reactores BACFB fueron operados a temperatura constante de 20 OC, pH= 7.0; el control de pH se logró con la adición de una solución de NaOH 5M, aire suficiente fue suministrado a través de un difusor de aire en línea de recirculación de efluente.

El lixiviado fue colocado y decantado a 121°C por 40 minutos, filtrado a través de un papel filtro y diluido con agua destilada para que el DOC estuviera alrededor de 90 mg/l.

2.5.2.- Tratamiento de lixiviados en un reactor anaerÓbico(').

Este reactor de 30 litros de flujo pistón con lecho y un filtro anaeróbio mide 2,lm, dividido en cuatro secciones: 1.2m es una zona sin empaque para los fondos, 30 cm de filtro sobre el lecho, 30 cm para una zona que recibe los excedentes de efluente (zona quieta) y 30 cm para los gases en la cabeza del reactor. El filtro anaeróbico esta compuesto de tubos anidados de polietileno corrugado que giran de forma helíptica. El objetivo fue tener un filtro que pudiera soportar una biopelícula anaeróbica que también actuara como un separador gas/sólido. La temperatura del reactor se mantiene constante a 35 "C.

El reactor operó con alimentación batch durante seis semanas, notándose un aumento excesivo en la producción de gases por lo que se cambio el tiempo de residencia de 15 a 3.5 días. Como parte de la investigación se cambia a una alimentación continua, encontrándose que esta última es óptima para el funcionamiento del reactor.



El flujo se analizó para determinar la demanda de oxígeno, de ácidos volátiles, bicarbonato alcalino, pH; y se encontró que es altamente concentrado en ácido sulfúrico. Los sólidos totales fijos y volátiles se analizaron para determinar contenido de hierro, calcio, manganeso y magnesio para seleccionar metales por un espectrómetro atómico de absorción. También se colectaron y analizaron de manera periódica muestras de biogas para determinar contenido de metano y bióxido de carbono usando series cromatográficas.

En este proceso la demanda química de oxígeno disminuyó en un 85 YO, en cargas de 10 kg/m3 por día; después de 9 meses de operación la concentración total de sólidos fue de 450g/kg con aproximadamente 80% del total de sólidos empacados.

La acumulación excesiva, en el interior del reactor, de material inorgánico constituye un problema de operación. Evidentemente, la reducción de actividad del lecho es resultado de la presencia de metales.

2.5.3.- Tratamiento de lixiviados por evaporación @).

La evaporación es una tecnología totalmente nueva y efectiva para el tratamiento de lixiviados, ya que cargando el destilado con amonia y ácidos orgánicos se puede minimizar el pH. La combinación de destilados ácidos y alcalinos conduce a un destilado muy claro, siempre y cuando amonia y ácidos orgánicos estén presentes en altas concentraciones.

Una reducción de volumen por evaporación hasta que la concentración tenga 7-10% del volumen original del lixiviado es el propósito, aunque no es satisfactoria por los altos costos del manejo final y disposición del concentrado. Durante la investigación a escala piloto se logro una concentración del 1% del volumen original del lixiviado.

Los problemas que se encontraron con incrustaciones de sulfatos se resolvieron, ya que los sulfatos tienen una dureza más baja que el cloruro de sodio, estas concentraciones pueden removerse con cristales de NaCI.

La formación de espuma se controla por el ajuste de pH durante la evaporación, que puede ser mesurada a un pH de 5, ya que con un pH de 11 se obtiene el doble de espuma.

A través de investigaciones se ha visto que el mejor destilado se recibe usando una bidestilación ácido-alcalino, aunque los costos y el consumo de energía son más elevados que en una monodestilación. Por esta razón, se propone un lavado de quimisorción con vapor que es un proceso mas adelantado que la bidestilación.



En esta técnica, el vapor ácido se carga con ácidos orgánicos, esta mezcla se pone en contacto con soluciones de hidróxido de sodio. Los ácidos orgánicos reaccionan con el secante para producir sales orgánicas que son enriquecidas en el lavado. El lavado de fluido con cargas altas de sustancias orgánicas puede usarse como una fuente alternativa de carbono en la desnitrificación de tratamiento de aguas de desecho.

2.5.4.- Tratamiento físico-químico de lixiviados para la remoción de metaledg).

La concentración de metales y la demanda química de oxígeno en los lixiviados de las áreas viejas fueron aproximadamente un orden de magnitud más grandes que en los lixiviados de la zona activa. La mayoría de las trazas de metales en los lixiviados de las zonas jóvenes y en la mezcla de los lixiviados fueron removidas ajustando el pH de la solución a 9.0, pero en los lixiviados colectados del área vieja del tiradero, aún aumentando el pH hasta 11 .O no se removió todas las trazas de metal eficientemente. Varias opciones para el tratamiento de una mezcla de lixiviado de áreas viejas y jóvenes fueron evaluadas. Una de las decisiones claves de diseño fue el oxigenar el lixiviado antes de ajustar el pH.

Ba, Ni y Zn fueron los únicos metales potencialmente tóxicos, los cuales tenían concentraciones superiores a 0.1 mg/l en los lixiviados de rellenos activos en la mayoría de las colectas. Los lixiviados de los rellenos inactivos contenían esos tres metales más Cr y Cu en concentraciones arriba de 0.1 mg/l. El zinc estuvo presente en los niveles más altos en estos lixiviados, superando los 200mg/l.

Los metales tóxicos para los cuales se requirió un pre-tratamiento fueron el cobre, níquel, cadmio, zinc y cromo. A causa de los productos de oxidación del hierro y manganeso se formaron sólidos los cuales pudieron insolubilizar muchos de los metales tóxicos en una solución de un pH alcalino suave por adsorción o co-precipitación.

La secuencia de pasos seguidos en la mayoría de los experimentos fue aireación, ajuste de pH, post-aireación, coagulación-floculación, precipitado por gravedad. Para algunas muestras, la aireación inicial fue omitida. Los procedimientos experimentales son como siguen:

1. Dos litros de la muestra fueron adicionados a una cubeta de precipitación con un agitador de paleta a 25r.p.m. En algunos experimentos, 1mg/l de Cd, Cr, Cu, Ni, Pb y Zn fueron adicionadas una tras otra en una cubeta de precipitación, mezclando la solución por dos minutos entre cada adición de metal. Una alicuota fue tomada en este punto para describir los desechos intratables.



2. Para las muestras que contenían lixiviados de Main Hill, un reactivo antiespumoso fue adicionado con el fin de reducir la formación de espuma durante el paso de la aireación.

3. En algunos experimentos, las muestras fueron después aireadas por una hora, usando difusores con un flujo de gas de 3,50Oml/min. La mayoría de COZ disuelto fue agotado de la solución y algo del hierro fue oxidado durante este período. Una segunda alicuota tomada en este punto sirvió para análisis de los metales.

4. Una solución de NaOH 6N fue adicionada rápidamente mientras se mezclaba a 40 r.p.m. para ajustar las muestras al pH deseado. Algunas alicuotas fueron tomadas a diferentes tiempos durante este paso (generalmente a 0.5, 1, 2 y 4 horas). Estas muestras fueron filtradas a través de un miliporo de 0.45pm y después fueron acidificadas con ácido nítrico.

Las velocidades de la zona de asentamiento de los sólidos producidos en los procesos de pretratamiento químico fueron determinados en un cilindro de acrílico.de 75cm de altura por 11.7cm de diámetro. Después de la aireación y ajuste de pH, el flujo fue vertido dentro del cilindro hasta los 70cm y mezclado completamente, posteriormente, la altura de la interfase entre la solución flotante y los sólidos fue registrada a varios tiempos. En los experimentos a concentraciones mayores de sólidos, estos fueron los primeros, en asentarse en la cubeta de precipitación, los cuales luego fueron adicionados al cilindro. En algunas pruebas, un polímero aniónico fue adicionado a la suspención. Previo a la prueba de asentamiento, la solución del polímero fue vigorosamente mezclado antes de ser vertido dentro del cilindro.

El tratamiento químico es una opción viable para reducir la concentración de metales en los lixiviados previo a descargarlos al sistema local de colección de aguas cloacales. Mientras el tratamiento químico hace eficiente la concentración de metales solubles, hay un pequeño cambio en la composición orgánica como lo reflejó los valores de la demanda química de oxígeno. Con el objeto de reducir la demanda química de oxígeno, el tratamiento químico debe ser acoplado con tratamientos biológicos.

Una variedad de opciones existe para el pretratamiento químico del lixiviado, de los cuales muy pocos han sido investigados en detalle. Para remover los metales, el pH debe ser elevado a valores de 9 -10. Previo a un ajuste, la aireación puede ser usada para reducir la cantidad de base requerida.

La remoción de metales puede ser exitosa con o sin aireación. Si el lixiviado es aireado, menos ácido carbónico permanece en la solución, menos base es requerida para elevar el pH de la solución para asegurar la remoción de los metales y menos lodo es producido. Estas ventajas de aireación son parcialmente compensadas por el capital y por los costos operacionales de la aireación y por el hecho de que los sólidos producidos se compactan a un volumen más pequeño si el lixiviado no es aireado.


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El reactivo antiespumoso debe ser adicionado, la dosificación requerida del antiespuma debe ser determinado después de que el pH es elevado. Los sólidos producidos de los lixiviados que no han sido aireados previo a un ajuste de pH tienen mejores características de asentamiento que aquellos de los lixiviados aireados.

Los sólidos con mínima aireación tienden a formar lodo más denso que aquel formado cuando un polímero es adicionado a Iodos altamente aireados. La adición de un polimero aniónico incrementa la velocidad de asentamiento de los sólidos formados durante la aireación, pero la concentración de los residuos asentados fue aproximadamente la misma con o sin adición del polímero.

2.5.5.- Tratamiento físico-químico-biológico ("l.

Como su nombre lo indica, este tratamiento está formado por una combinación de procesos físicos, químicos y biológicos que ayudarán a obtener una eficiencia mayor en la purificación de los lixiviados. El tratamiento fisicoquímico consta de las siguientes partes:

a) Hornogeneización: Esta sección del proceso es utilizada para evitar la sedimentación de los sólidos en el tanque.

b) Precipitación química: El objetivo principal de ésta fase es separar los metales pesados y una porción de materia orgánica, esto se logra añadiendo una solución de cal que provoca una coagulación y una precipitación de materiales de desecho.

c) Agotamiento de Arnoniaco: En esta parte del proceso los desechos de la precipitación química son llevados a una laguna para controlar el exceso de amoniaco.

d) Neutralización y nutrientes suplementarios: En este paso se le adiciona ácido sulfúrico y ácido fosfórico al agua proveniente de la laguna con exceso de amoniaco, para reducir el pH antes de que llegue al proceso biológico.

e) Tratamiento biológico: Consiste en dos tanques de aireación y dos tanques secundarios, que pueden operar en serie o en paralelo, éstos tanques se utilizan para separar los últimos líquidos volátiles.

."

9 Cloración: Esta es la última parte del proceso que se utiliza para la desinfección del lixiviado tratado y posteriormente es llevado a una laguna.

Cabe señalar que éste tipo de proceso es muy caro, pero presenta muy buenos resultados.

TRATAMIENTO DE LIXIVIADOS RE DESECHOS SOCIDOS MUNICIPALES 20


2.6.- TRATAMIENTO FíSICO-QUiMlCO-FOTOCATALiTlCO

Ningún tratamiento por separado, ya sea físico, químico ó biológico logra un cien por ciento de eficiencia en la purificación de los lixiviados. Existen dos razones principales que provocan que la separación sea pobre en las sustancias de tratamiento: la primera es la cantidad excesiva de materiales con alto peso molecular que son difíciles de separar, y la segunda es la inhibición biológica provocada por la presencia de metales pesados.

En base a los resultados reportados de los tratamientos antes vistos, podemos decir que para obtener mejores resultados en la separación de los lixiviados, es necesaria una combinación de tratamientos, ya que cada uno de ellos se encarga de separar diferentes sustancias presentes en ellos. Las ventajas y desventajas de estos tratamientos se muestran en la Tabla 5.

Analizando los pros y los contras de los tratamientos ya conocidos, resulta obvio darse cuenta que aún no existe un tratamiento realmente eficaz para el tratamiento de los lixiviados. Se propone el tratamiento de los lixiviados mediante un proceso fisicoquímico, seguido de un fotocatalítico por las siguientes ventajas que ofrece:

P La fotocatálisis es un proceso limpio, cuendo se opera cuidadosamente no se

P Puede obtenerse alta mineralización de los compuestos orgánicos presentes. 3 El Ti02 es un catalizador de bajo costo. 3 El catalizador puede ser activado con sólo la luz del sol. 3 El proceso fisicoquímico es fácil de llevarlo a cabo.

generan subproductos difíciles de manejar.

Sin embargo entre las desventajas del proceso fotocatalítico se encuentran:

3 Mientras existan metales pesados en el lixiviado, la reacción fotocatalítica se vera inhibida por el envenenamiento del catalizador, por lo que se tendra que regenerar este último.

3 En el proceso fisicoquímico se crean Iodos que necesitan un tratamiento posterior para que no se conviertan en fuente potencial de contaminación.

> El proceso físico-químico es caro.

En la Tabla 5, se comparan los procesos antes mencionados para el tratamientos de los lixiviados de los desechos sólidos municipales.

TRATAMIENTO DE LlXlViADOS DE DESECHOS SOLIDOS MUNICIPALES 21


Tabla 5.- Comparación de procesos para tratamiento de lixiviados.

I PROCESO

Evaporación

Desarrollo de reactor anaeróbico

Biológico de lecho fluidizado de carbón activado

Físico-químico-biológico

I Físico-químico

VENTAJAS I DESVENTAJAS

Rápido *Problema para tratar y desechar el producto final. * Altos requerimientos energéticos.

Eficiencia alta *Acumulación excesiva de sólidos en el lecho *Tiempos de residencia altos

I

Eficiencia alta en biodegradación de organismos

*Tiempos de residencia elevados (48 a 92 hr)

molecular de bajo peso molecular *No es efectivo con organismos de alto pesc

Capaz de remover tanto materia paralelo orgánica como inorgánica *Es muy costosa la operación ya sea en serie o en

Es recomendable como tratamiento previo.

*Por sí solo no da buenos resultados, ya que se sugiere que sea seguido por un proceso biológico.


FASE EXPERIMENTAL

111.- FASE EXPERIMENTAL

3.1 .- METODOLOGIA DEL PROCESO FISICOQUIMICO-FOTOCATALITICO

Las muestras de lixiviados se colectaron del relleno sanitario de Santa Catarina, México, D.F. Debido al alto contenido de coliformes en el lixiviado y por seguridad para manipulación en el laboratorio, el lixiviado se coloca en un matraz volumétrico de un litro, con un agitador magnético y se mete a la cámara de desinfección, donde se expone a luz germicida durante una hora.

El procedimiento general para efectuar el tratamiento de los lixiviados, consiste en las siguientes etapas:

1. Precipitación de metales pesados. 2. Proceso fotocafalítico. 3. Regeneración del catalizador.

3.1 .I .- Precipitación de metales.

La precipitación de metales es necesaria debido al alto contenido de metales pesados, ya que sin éSta se envenenaría el fotocatalizador

A una muestra de 300 ml de lixiviado previamente desinfectado, se adicionan 4.0gr de hidróxido de calcio con lo que se modifica el pH hasta un valor de 12. El sistema reacciona a partir de este momento durante 15 minutos, tiempo durante el cual se mantiene en agitación. Transcurrido este periodo, y con el objeto de separar los metales precipitados, la solución se somete a centrifugación de 500 rpm durante 10 min.

3.1.2.- Proceso fotocatalítico.

La fase fotocatalítica se utiliza con el fin de eliminar los contaminantes orgánicos, dicho proceso se lleva a cabo en un reactor batch de vidrio Pyrex de 500 ml, con una lámpara de luz negra (industrias sola-basic) 127 volts usada como fuente de radiación UV; equipado además con un agitador magnético y un difusor como se observa en la Figura 3. A la muestra de lixiviados se le adiciona 0.1 % en peso de catalizador (Ti02 Degussa P- 25) y se somete a radiación por espacio de 4 horas. Durante este tiempo la muestra es aireada y permanece en constante agitación, llevándose a cabo un cambio de catalizador cada hora. Los experimentos se realizaron a pH=3 (ácido), a pH=7 (neutro) y a pH=12 (básico). El pH se modifica con ácido clorhídrico. Los resultados con pH=7 y pH=12 no proporcionan rendimientos adecuados, motivo por el cual no se reportan en este trabajo.


FASE EXPERIMENTAL

3.1.3.- Regeneración del catalizador

La solución tratada en el reactor se somete hora con hora a centrifugación, con el fin de separar el catalizador envenenado por los metales presentes en los lixiviados; mismo que se regenera al lavarlo con una solución ácida 5% en volumen de ácido sulfúrico.

\ OXIGENO '

W

O f \

MAGNETICA AGlTAClON

Figura 3.- Reactor fotocatalítico

3.2.- RESULTADOS Y DISCUSION

3.2.1 .- Precipitación de metales (proceso físico-químico).

En la Tabla 6 se reportan los resultados de absorción atómica para la cuantificación de metales presentes en el lixiviado original (puro) y después del proceso físico-químico (primera etapa).

Tabla 6.- Datos de absorción atómica.

MUESTRA

3 0.4 0.5 0.4 Precipitado 13 0.8 O .7 0.7 Lixiviado puro

Fe cu Zn Pb (PPm) (PPm) ~

(PPm) (PPm)

AI cuantificar los metales presentes antes y después del tratamiento podemos ver que en la primera etapa, que el porcentaje de eliminación es:

Plomo 43% Zinc 30% Cobre 5 0 '/o

Hierro 77%


FASE EXPERIMENTAL

Estos resultados se deben a que cuando se adiciona el hidróxido de calcio a las muestras, los iones OH' son consumidos por los metales, lo que provoca que se oxiden y se precipiten. El ión OH- provoca desprotonación en algunas especies, formando carbonatos que pueden precipitar como carbonatos de calcio principalmente.

3.2.2.-Proceso fotocatalítico

Analizando los resultados obtenidos por absorción atómica para las muestras de lixiviado una vez que han sido tratados tanto por el proceso físico-químico como por el fotocatalítico En este último, también existe remoción de metales debido a que el catalizador adsorbe parte de los metales que aún permanecen en el lixiviado; provocando con ello su envenenamiento. Este resultado se ve reflejado al comparar la concentración de metales en las dos primeras muestras tratadas. En la Tabla 7 se reportan las concentraciones de metales presentes en el lixiviado después de cada hora de operación.

Tabla 7.- Datos de absorción atómica para el proceso fotocalítico.

MUESTRA Fe cu Zn Pb (PPm) (PPm) (PPW (PPW

Reactor pH 3 (1 hr)

1 0.0 o. 1 0.0 Reactor DH 3 (3hrl 1 0.2 0.2 0.0 Reactor pH 3 (2 hr) 1 0.3 0.4 o. 1

I Reactor pH 3 i4hrj I 1 0.0 1 0.0 I 0.0 1 1

AI aumentar la acidez en la solución, provocamos que la constante de oxidación de los lixiviados aumente, lo que trae como consecuencia que la muestra sea más susceptible a mineralizarse. En la Tabla 8 y en la Figura 4 se presenta la disminución en DQO para el lixiviado desde su condición inicial, hasta después de la cuarta carga de fotocatalizador. Se observa una disminución del 94% en DQO.

Tabla 8.- Demanda Química de Oxígeno

1 MUESTRA I DQO 1 ( mg/l)

Lixiviado puro 3000 PreciDitado 7300

t Reactor DH 3 (1 hr\ I 1800 I ~~ - r - , I

Reactor pH 3 (2 hr) Reactor pH 3 (3 hr)

1100

400 Reactor pH 3 (4 hr) 600

~~


FASE EXPERIMENTAL

1 LlXlVlADo WRO 2 PRECIPITADO 3CARGA1 4 W - 2 5 W G A 3 6CARGA4

I I I I I I

1 2 3 4 5 6

Figura 4.- Disminución de DQO

Comparando los resultados obtenidos por Weichgrebe et. al., quienes usan un tratamiento fotocatalítico precedido por un acondicionamiento biológico se observa en la Tabla 9 y en la Figura 5 que el proceso que proponemos es más eficiente.

Tabla 9. Comparación entre Weichgrebe et.al. y Soria et.al.

I MUESTRA I DQO Weichgrebe I DQO Soria (mgW (mgll)

Lixiviado puro

94.5% 62.4% Rendimiento 400 750 Lixiviado tratado 7300 3860


FASE EXPERIMENTAL

COMPARACION ENTRE LOS PROCESOS FOTCCATALITICOS i \

Figura 5.- Comparación de los resultados de Weichgrebe y col. y este trabajo

DISEÑO DE LA PLANTA

IV.- DISEÑO DE LA PLANTA

4.1 DESCRlPCiON DE LA PLANTA.

La planta para el tratamiento de lixiviados de desechos sólidos municipales cuenta con las etapas que se indican en la figura 5. Su descripción y características de servicio se darán a continuación:

1. Fosa recolectora.

En esta fosa se depositan los lixiviados producidos durante 24 horas, provenientes del tiradero. Su capacidad es de 343 m3.

2. Precipitador de metales.

Durante 8 horas se bombean los lixiviados a un tanque mezclador de 170 m3, al cual se le agregan 1,670kg de hidróxido de calcio con el fin de aumentar el pH y provocar la precipitación de metales. La agitación tiene una duración de 20 minutos, más el tiempo que tarda en vaciarse que es de aproximadamente 2 horas, con un flujo de salida de 20 I/S.

3. Sedimentador.

Se utiliza un sedimentador continuo con un flujo de 20 I/s para separar los metales precipitados del líquido clarificado. Los Iodos que se producen en esta etapa se someten a un proceso de secado.

4. Reactores fotocatalíticos.

Se utilizan tres tanques mezcladores de 87 m3 acondicionados con 20 lámparas de luz negra, cubiertas con vidrio Pyrex y un tubo perforado por donde se suministra un flujo de aire de 0.084 m3/seg. El tiempo de reacción es de 4 horas, pero debido a problemas de envenenamiento, el catalizador se regenera cada hora. El reactor opera en batch, y antes de iniciar la reacción el pH se modifica con 0.1 m3 de ácido sulfúrico hasta un valor de 3.

5. Hidrociclón.

Con el fin de separar el catalizador de los lixiviados tratados, se meten a un hidrociclón con un flujo de entrada de 23.14 ¡/s. Este equipo también nos sirve para separar el catalizador regenerado de la solución ácida.



6. Regenerador.

Es un mezclador en donde se lava el catalizador con una solución de 1.33 m3 de agua y 0.08 m3 de ácido sulfúrico, cuya capacidad es de 1.4 m3. La solución mezclada pasa por el hidrociclón en donde se separa el catalizador. Debido a que las aguas madres que desecha el hidrociclón poseen metales, se procede a la sedimentación de estos mediante el mismo método de precipitación.

7. Tanque neutralizador.

Una vez que se ha completado el tiempo de reacción (4 horas), y dado que el lixiviado tratado tiene un pH de 3, debe pasar a un tanque neutralizador, cuya capacidad es de 87 m3, en donde se le adicionan 125kg de cal con el fin de elevar el pH hasta un valor de 7 y posteriormente inyectarlo a un pozo.

Todo el proceso trabaja a temperatura ambiente y a presión atmosférica.

4.1.1 Datos del proceso.

P Materia prima: Lixiviados de desechos sólidos municipales. P Producto: Lixiviados tratados. 'u Producción: 66 m3/ día. 'u Dias de operación: 181 díadaño. P Horas de mantenimiento: 180 hdaño.

4.1.2 Mantenimiento de la planta.

'u El tanque en donde se realiza la precipitación se lavará cada tres meses. > Del sedimentador se sacarán los Iodos cada tres meses. P En los reactores fotocatalíticos se lavarán las lámparas cada semana y el tanque

mezclador cada tres meses.



4.1.3. Balances de materia.

El balance de materia para metales pesados se basa en la figura 6 y los resultados se muestran en la tabla I O .

Tabla 10.- Balance de materia.

I CORRIENTE I -l I 2 3 1 I

Fe

O 0.5 0.7 Zn O O .4 0.8 cu 1 3 13

I

Pb I 0.7 1 0.4 O Las concentraciones están dadas en ppm



A

I

A i" I

TRATAMIENTO DE LlXlVlADOS DE DESECHOS SOLIDOS MUNICIPALES


4.2 DISEÑO DE EQUIPOS.

* Los costos de los equipos están dados en dólares americanos corrientes.

Fosa recolectora de lixiviados

Dimensiones: Material: costo:

343m3 Concreto de alta dureza $ 18,250.00

El tanque mezclador de turbina axial de 6 aspas.

Diámetro del tanque: Altura del tanque: Diámetro del agitador: Dimensiones del aspa: Tamaño de los deflectores: Colocación de la turbina: Material: costo: Agitador

Tanque Total

Sedimentador continuo.

Diámetro: Altura: Material: costo:

6m 6m 2m 0.5m de largo por 0.4m de ancho. 0.5m 1.5m sobre el fondo del tanque Acero inoxidable $ 39,320.00 $ 550,478.00 $ 589,798.00

20m 6.6m Acero inoxidable $544,500.00

Reactores fotocatalíticos.

Son 3 mezcladores de turbina de 6 aspas axiales, acondicionados con tubos para suministrar aire y con lámparas de luz negra.

Diámetro del tanque: Altura del tanque: Diámetro del agitador: Dimensiones del aspa: Tamaño de los deflectores: Colocación de la turbina: Material:

4.8m 4.8m 1.6m 0.4m de largo por 0.32m de ancho 0.4m 1.2m sobre el fondo del tanque Acero inoxidable.


DISEÑO DE LA PLANTA ~~~

costo:

Hidrociclón.

Agitador Tanque Lámparas Balastras Tubos de vidrio Tapa del tanque Tubo de acero Subtotal Total

Diámetro: Boquilla de entrada: Boquilla de salida del líquido: Boquilla de salida del sólido: Altura: Material: costo:

$ 45,375.00 $ 393,250.00 $ 500.00 $ 253.00 $ 200.00 $ 65.00 $ 20.00 $ 39,663.00 para un reactor $ 1,318,989.00

1.4m 0.2m 0.28m 0.14m 4.05m Acero inoxidable $ 12,100.00

Regenerador.

Es un tanque mezclador de turbina con 6 aspas axiales.


Tanque Total

1.2m 1.2m 0.4m 0.1 m de largo por 0.08m de ancho 0.1 m 0.3m sobre el fondo del tanque Acero inoxidable $ 20,570.00 $ 50,336.00 $ 70,906.00



Neutralizador.


Tanque Total

Born bas.

Bomba de fosa a mezclador: Material Costo

Bomba de mezclador a precipitador Material Costo

Bomba de reactores a hidrociclón Material Costo

Compresor:

Material Costo

4.8m 4.8m 1.6m 0.4m de largo por 0.32m de ancho 0.4m 1.2m sobre el fondo del tanque Acero inoxidable $ 22,687.00 $ 393,250.00 $ 41 5,937.00

% HP Acero inoxidable $ 180.00

2 HP Acero inoxidable $ 310.00

4 HP Acero inoxidable $ 560.00

Acero al carbón $ 90,000.00



Tuberías:

Material: Diámetro nominal: Longitud total necesaria 10 válvulas de compuerta: 18 codos de 90": 3 codos 45": 2 "T": 2 cruces: Costo total:

4.3 COSTOS DE ENERGIA

Bomba 1 : Bomba 2: Bomba 3: Turbina precipitador: Reactores: Turbina reactores: Turbina neutralizador: Mezclador regenerador de catalizador: Compresor: Costo total de energía:

4.4 COSTOS DE MATERIA PRIMA

Mezclador

Hidróxido de calcio día anual costo

Reactor

Acido sulfúrico día anual costo

Acero inoxidable

103m 2 P b

$ 883.00

$ 8.84/a ño $ 21.1 Olañ0 $ 137.46/año $ 34.02/año $ 167,628.00/año $ 1,008.58/año $ 11.23/año $ 1 1 .OO/año $ 5,051 .OO/año $ 173,911.65/año

668kg de cal 520 tn de cal $ 15,113.50

0.2m3 36.2m3 $47,965.00

TRATAMIENTO DE LLXIVIADOS DE DESECHOS SOLlDOS MUNICIPALES 35


Catalizador

Neutralizador

día anual costo

Hidróxido de calcio día anual costo

4.5 PERSONAL NECESARIO

Dos operadores:

Sueldo mínimo diario Sueldo mínimo anual Sueldo mínimo total anual

Un Ingeniero Químico

Sueldo diario Sueldo anual

$ 3.25 $ 588.25 $ 1,176.50

$ 32.00 $ 5,792.00

668kg 121tn $423,178.00

300 kg 54.30tn $ 6,787.50

4.6 ESPACIO NECESARIO Y UBICACI~N DE LA PLANTA

Ubicación: Milpa Alta

Dimensiones: Tiradero: Longitud: Planta: Longitud: Ancho

25 Ha 500m por lado

60m 30m

En la figura 7 se muestra un plano con la distribución de la planta.



U a,

U a,


INVERSION TOTAL

V.- INVERSION TOTAL

Inversión Fija

Fosa costo: Material:

Tanque mezclador costo: Material:

Sedimentador costos: Material:

Reactores Costo total: Material:

Hidrociclón costo: Materia:

Regenerador costo: Material:

Neutralizador costo: Material

Compresor costo Material:

Bombas costos Material:

Tuberías y accesorios costos: Material:

Total Inversión fija:

$ 18,250.00 Concreto de alta dureza

$ 589,798.00 Acero inoxidable

!§ 544,500.00 Acero inoxidable

$ 1,318,989.00 Acero inoxidable



$415,937.00 Acero inoxidable

$ 90,000.00 Acero al Inoxidable


$ 883.00 Acero

$ 3,062,413.00 TRATAMIENTO DE LlXlVlADOS DE DESECHOS SOLIDOS MUNICIPALES 38

Gastos de operación

Energía eléctrica Catalizador Acido sulfúrico Hidróxido de calcio

Total gastos de operación al año

$ 173,911.65 $ 423,178 $ 47,965 $ 21,900 $ 666,954.65

INVERSION TOTAL


CONCLUSIONES

CONCLUSIONES

En la actualidad en el país es casi nula la importancia que se le da al tratamiento de los lixiviados de los desechos sólidos municipales. Consideramos que una de las principales causas por las que no se han hecho trabajos de investigación al respecto es que el problema es meramente ecológico y no reditúa ganancias monetarias “reales”. El proyecto en principio no presenta una rentabilidad, pero si pensamos que el problema de la contaminación del agua afecta a todos y que si no tomamos las medidas necesarias para prevenir éste problema ahora, después puede provocar un caos social, por lo que es de vital importancia empezar a tomar cartas en el asunto.

AI término del trabajo experimental y del diseño de la planta tratadora de lixiviados de desechos sólidos municipales, podemos concluir que el proceso físico-químico (precipitación de metales en medio alcalino) seguido del proceso fotocatalítico es un método mixto apropiado para el tratamiento de lixiviados, pues da rendimientos del 94.5%, superiores a los obtenidos por Weichgrebe y et. a/. (62.4%). Es importante señalar que la adición de hidróxido de calcio clarifica la solución lixiviante, lo cual es favorable para la reacción, pues la luz ultravioleta penetra con mayor facilidad en las muestras y activa al catalizador.

Debido al corto tiempo que se tuvo en la fase experimental, no se logró terminar con el estudio de la regeneración del catalizador; por lo que se propone que para trabajos posteriores sea objeto de estudio, ya que esto nos permitirá saber cuantas veces es posible reutilizar el catalizador antes de que este pierda su actividad catalítica.

La regeneración del catalizador en la reacción fotocatalítica es de suma importancia, ya que sin esta el rendimiento de la reacción sería menos satisfactorio y además elevaría los costos. En la fotocatálisis se analizaron los efectos en la variación del pH, encontrando que el pH óptimo es 3. Por tal motivo, es necesario neutralizar la solución antes de inyectarla al pozo.

El tratamiento físico-químico arroja desechos sólidos con elevado contenido de metales, por lo que proponemos la incineración de los Iodos para posteriormente poder ser utilizados como material de construcci6n.

Es difícil tomar una base de referencia para comparar nuestro proceso, pues los tratamientos de aguas existentes no tratan efluentes tales como los lixiviados, los cuales poseen una gran variedad de componentes tanto orgánicos como inorgánicos lo que los hace más difíciles de tratar.


APENDICE A

APENDICE A.-DISERO DE EQUIPOS

DISEÑO DEL MEZCLADOR:

El diseño del mezclador esta basado en el método propuesto por el libro “Operaciones Básicas de Ingeniería” del autor Mc. Cabe y Smith, cuarta edición, México, 1991.

Se hicieron experimentos para medir la velocidad de sedimentación, cuyos resultados se muestran en la Tabla 11.

Tabla 11. Tiempos de sedimentación.

DISTANCIA (cm) I TIEMPO (S)

3.8 148.3 5.7

222.7 1 7.6 184.0

t 9.5 I 256.0 ~~

1 1.4 326.7 13.3 288.4

Haciendo regresión lineal con estos puntos experimentales, obtuvimos que la velocidad de sedimentación fue de 5.365*102 m/s.

Si la velocidad de sedimentación es menor a 0.02m/sI la agitación se hará por medio de un impulsor axial o radial de turbina, como el que se muestra en la Figura 8.

Otros datos necesarios para el diseño del mezclador son los diámetros de partículas del Ti02 y del Ca(OH)2. En la tabla 12 se muestran los parámetros que junto con la ecuación que se muestra a continuación son necesarios para el cálculo del diámetro de partícula.

Tabla 12.- Parámetros para el cálculo de diámetro de partícula.

I APERTURA DE I CAL I xi I Ti02 I xi I LA MALLA (rnm) Ti02 (gr) Ca(OH)* (gr)

0.149 0.1374 0.641 0.0556 0.538 0.105 0.0753 0.351

I 0.091 I 0.489 I 0.0505 I 0.919 I 0.1970 I 0.074 1 .o2

0.3776 1.761 0.498 4.824 0.054 0.0935 0.436 0.105

~~ ~. ~ .~

t 0.038 I 2.81 I 0.290 I 0.556 I 0.1 192 I


APENDICE A

Los diámetros obtenidos son:

Figura 8. Medidas de un agitador de turbina.

Para el cálculo del diseño de las turbinas se requieren de las siguientes proporciones típicas.

Da/Dt= 1 /3 H/Dt=l J/Dt=1/12

W/Da=1/5 L/Da=1/4

El procedimiento que se utilizó para el diseño de los mezcladores se da a continuación .- de manera general.


APENDICE A

?.-Propiedades físicas

pTi02=4.26gr/ml dPTi02 =0.0065cm

2. -€cuaciones utilizadas

N,,= Da2 n p P

P= " kt n3 Da5 p

gc

Donde: nc= velocidad crítica del agitador. Da=diámetro del agitador v= viscosidad cimenática. g= aceleración de la gravedad. Ap=diferencia de densidad. p=densidad del fluido. B=100* peso del sólidotpeso del liquido.

Como ejemplo, fueron tomados todos los datos para diseñar el tanque mezclador de 6m de diámetro por 6m de altura.

Da: í!m H: 6m L: 0.5m J: 0.5m E: 1.5m W: 0.4m


APENDICE A

S=7.5 debido a que: Dt/Da=3 y Dt/E=4. Con estos datos, se procede a calcular la velocidad crítica del agitador.

n, = 7.5 (0.0098)0.' (0.00531)0.2 ( I .OI)O.l3 (1 176)0.45 2u.6'5

n,=O.44 r/s

Posteriormente se obtuvo el número de Reynolds.

Nre= 22 (0.44Y1000) 0.00098

Y por último se calculó la potencia.

P= 6 (0.44)3 (2)5(1000)

P=16,437 W 1

A los reactores fotocatalíticos se les suministra una corriente de aire, sin embargo, en ocasiones es tan grande, ese flujo afectan la función del agitador, provocando que el mezclado no sea perfecto. Para evitar lo antes mencionado, se calcula un flujo máximo de aire.

Nfr= n2 Da= 0.72 (1 .6) g 9.81

Para calcular el flujo máximo se tiene:

qg= 0.1 94 Nf, n Da3 0.75

" q,= 0.194 (0.08)0.75 (0.7) (1.6)3

g,= 0.084 m3/s

TRATAMIENTO DE LlXiVlADOS DE DESECHOS SOLIDOS MUNICIPALES 44

APENDICE A

DISEÑO DEL REACTOR

El reactor está equipado con 20 lámparas de 3m de largo como lo indica la figura 9.

lámparas

I I Dt

Figura 9. Distribución de las lámparas en el fotorreactor.

DISEÑO DEL SEDIMENTADOR

El sedimentador es un equipo que no necesita de muchos recursos humanos para trabajar. Proporciona separación de fases bastante satisfactoria y no requiere de mantenimiento constante; además de que no es necesario personal especializado para el mantenimiento.

La ecuación que se utilizó para diseño del sedimentador es:

L= "" 4 gotu = 4 * 1.16 "326.6 33.14 *Zo 3.14*0.19

En donde: qo= Flujo volumétrico que entra al sedimentador t,=Tiempo de flujo inferior. Zo=Altura inicial de la interfase de ensayo.

L=6.6m

Para una presión de operación de O a 20 bars D/L,=3 entonces D=20m.


APENDICE A

DISEÑO DEL HIDROCICLÓN

El diseño del hidrocición, cuyo esquema se presenta en la figura 9, estuvo basado en los monogramas presentados en el libro Chemical Engineering cuyos autores son Coulson y Richardson. Para poder utilizar los monogramas necesitamos conocer:

D Diametro de partícula que deseamos separar, (pm). p Viscosidad del líquido, (mNs/m2).

pL Densidad del líquido, (g/cm3). ps Densidad del sólido, (g/cm3)

L Flujo de alimentación, (Vmin).

Los datos para el diseño del hidrociclón fueron: d=65, y=0.98, L=l,383.33, (ps-p~)=3.26. y el porcentaje de separación deseado es del 90%.

1.

2.

3.

Con estos datos, se hace uso de la figura 10.22 para determinar d50.

Luego, utilizando la figura 10.23 del mismo libro, obtenemos el diámetro de la cámara del hidrociclón (D). Se comienza con el valor de la viscosidad y se trazan líneas hasta obtener el valor del diámetro de la cámara (D).

Una vez obtenido el diámetro de la cámara, se calculan las dimensiones restantes a partir de la fig.10.24, en donde se muestran las dimensiones típicas del ciclón. La Fig. 10 muestra los valores de la Fig. 10.24 antes mencionada.


APENDICE A

Donde: . a=D17 b= D13 c= D12 d= D15 e=D/1 O f=D

f

t Figura I O . Dimensiones características del ciclón

APENDICE B

APENDICE B

DISEÑO DE BOMBAS:

Para el diseño de las bombas se utiliza ecuación de Bernoulli :

A (gZ/gx) + A (V2/2g,) + CF = qw

Donde: CF= (PV2*(CL))/ (2*gc*D)

1) Bomba de fosa a precipitador:

Re=15312, f=0.0275, CF=6.04 La caída de presión total=18.74 J/kg y para un flujo q=5.8 kg/ S W=l05.41 Watts, con una eficiencia de 70%, necesitamos una bomba de ‘/4 hp

2) Bomba del precipitador a sedimentador:

Re=53216, f= 0.023, CF=24.38 J/kg La caída total de presión=52.43J/kg y para un flujo q=20 kg/s W=lO48.75 Watts, con una eficiencia del 70%, necesitamos una bomba de 2 hp.

3) Bomba de reactor a hidrociclón:

Re=? 13844, f=0.019, CF=68.6 J/kg La caída total de presión=82.2J/kg y para un flujo q=23.1 kg/s W=1898.7 Watts, con una eficiencia de 70%, necesitamos una bomba de 4 hp.


APENDICE C

APENDICE C.- COSTOS DEL EQUIPO

El procedimiento que se llevó a cabo para la estimación de costos es el siguiente:

1.

2.

3.

4.

5.

Se determinó el precio de compra de cada equipo, con ayuda de las gráficas que se dan en el libro G. D. Uldrich, “Procesos de lngenieria Química” Editorial Mc. Graw Hill, la. Edición, México, 1993.

Se corrigieron los costos con ayuda de los indices CE. CE=315 para 1982. CE=381.9 para 1995.

Se determina la contribución de módulo simple CBM=FBM*Cp.

Si los equipos se construyen de un material diferente a acero al carbono se determina un factor de material y presión a partir de las tablas se obtiene un factor de modulo simple real FBM~.

Por último se multiplican los precios de compra actualizados por los factores de módulo simple reales para obtener los costos de módulo simple CBMa.


BIBLIOGRAFIA

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1. Agua e Hidrogeología en la Cuenca del Valle de México Luis M. Guerra, J. Mora Rodriguez.

2. González Moran Tomas, Tesis “Estudio Hidrogeofísico en la Cuenca de Chalco, evalución de impacto ambiental del basurero de Santa Catarina”

3. Armando Deffis “La Basura es la Solución” Ed. Concepto, México, 1989.

4. Robert, H. Perry “Perry, Manual del Ingeniero Químico”, Ed. Mac. 3a. De. en español Graw Hill, México, 1992.

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6. Almai, K. Onuma, et. al. “Biodegradation and Adsorption in refractary leachate treatmen activated carbon fluidized bed process” Water Research Vol. 29,NO. 2, PP. 687-694, 1995.

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Water Research Vol. 29, NO. 1 O, PP. 2376-2386,1995.

1 O. Journal Water Pollution Federation. Vol. 56, Enero 1984, pp. 23-27.


BlBLlOGRAFlA

11. Warren L. Mc.Cabe, Julian C. Smith. “Operaciones básicas de ingeniería química” Editorial Mc. Graw Hill, Cuarta edición, México, 1991

12.G. D. Uldrich, “Procesos de lngenieria Química” Editorial Mc. Graw Hill, la. Edición, México, 1993.

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