Autoignición 3-D en depósitos de lodos provenientes de tratamientos de aguas residuales

3D self ignition in sewage sludge waste water treatment

Se estudia el transporte de calor y de oxígeno por difusión en pilas de compostajes provenientes de tratamiento de aguas municipales. El modelo 3-D transiente incluye la generación de calor originada por microorganismos y por la descomposición de la celulosa. El sistema de ecuaciones acopladas de difusión de calor y materia se resuelve con el método de volúmenes finitos. Los resultados predicen la variación en el tiempo de la distribución de temperatura y oxígeno. El análisis de los resultados permite proponer un nuevo sistema para el almacenamiento de lodos con el fin de evitar su autoignición.

INTRODUCCIÓN

Los tratamientos aplicados a las aguas residuales producen los llamados lodos que son trasladados con camiones al lugar donde al ser apilados forman las pilas de compostaje. Es común que en estas pilas, que llegan a tener grandes dimensiones [1-2], ocurra el fenómeno de ignición espontánea ya que aproximadamente un 85% del contenido es combustible [3].

El fenómeno de la ignición espontánea debido a la calefacción interna en sólidos apilados se puede describir por la teoría termal de la explosión desarrollada por Semenov [4] y Frank-Kamenetskii [5]. En estos modelos el aumento de temperatura es representado por una sola ecuación de Arrhenius que explica el inicio de la combustión cuando la relación calor-pérdida llega a un punto en que la generación de calor interno en la pila supera una temperatura crítica. La teoría de Semenov fue utilizada por Nelson, Marchant, Wake, Balakrishnan y Chen [6] para describir el aumento de calor desde bajas temperaturas en el interior de la pila producido por reacciones exotérmicas de la actividad biológica y por la oxidación del material celulósico como combustible luego de la ignición.

El compost que autoigniciona no puede utilizarse como fertilizante reduciendo la capacidad de almacenamiento del depósito, además produce humo y olores desagradables que contaminan el aire.

En trabajos previos [7] se establece que para alturas menores a 1,5 m estas pilas no tienen autoignición. El volumen de la pila no incide en esta altura. En este trabajo se analiza la incorporación de paredes no aislantes al calor e impermeables a la transferencia de masa en el comportamiento térmico de la pila con el propósito de evitar la autocombustión.

SITUACIÓN FÍSICA Y MODELO MATEMÁTICO

El análisis considera difusión de calor y transferencia de oxígeno en un medio poroso correspondiente a una pila de compostaje de 3 m de altura, 9,2 m de ancho y 6 m de profundidad como se ilustra en la figura 1.