TESIS BD_FORMATO UAP-13-02-14 (1)

UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS

FACULTAD DE INGENIERÍAS Y ARQUITECTURA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL

TESIS DISEÑO DE UN BIODIGESTOR TIPO MANGA M ANGA PARA EL XXXXXXXXXXX

PRESENTADA POR EL BACHILLER XXXXXXXXXX

PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO AMBIENTAL

LIMA – PERÚ 2014

i

AGRADECIMIENTOS A mi xxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxx Xxxxx xxxxxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxxxxx xxxxxx xxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxx xxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxxxxx xxxx xxxxxxx

ii

DEDICATORIA El presente trabajo está dedicado a xxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

xxxxxxxxxxxxxx

xxxxxxxxx

xxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxxx xxxxx xxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxx

xxxxxxxxxxxx

xxxxxxxxxxxxxxxx

xxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxx

xxxxxxxxx

iii

DISEÑO DE UN BIODIGESTOR TIPO MANGA PARA EL XXXXXXXXXXX TABLA DE CONTENIDOS AGRADECIMIENTOS .................................................................................................... i DEDICATORIA ............................................................................................................. ii TABLA DE CONTENIDOS ............................................................................................ iii ÍNDICE DE GRÁFICOS ................................................................................................ v ÍNDICE DE TABLAS .................................................................................................... vi ÍNDICE DE IMAGENES ............................................................................................... vii RESUMEN.................................................................................................................. viii ABSTRACT ................................................................................................................. ix INTRODUCCIÒN.......................................................................................................... x CAPÍTULO I: PLANTEAMIENTO METODOLÓGICO .................................................. 11 1.1

Descripción de la Realidad Problemática

11

1.2

Delimitaciones y Definición del Problema

12

1.2.1 Delimitaciones

12

A. Delimitación Espacial.

12

B. Delimitación Temporal.

13

C. Delimitación Conceptual.

13

1.2.2 Definición del Problema.

18

Formulación del Problema.

18

1.3.1 Problema principal.

18

Objetivo de la Investigación

18

1.4.1 Objetivo principal.

18

1.5

Hipótesis de la investigación.

18

1.6

Variables e Indicadores

19

1.6.1 Variable Independiente

19

Viabilidad de la investigación.

19

1.7.1 Viabilidad técnica

19

1.7.2 Viabilidad operativa.

19

1.7.3 Viabilidad económica.

20

Justificación e Importancia de la Investigación.

20

1.8.1 Justificación

20

1.8.2 Importancia.

20

1.3 1.4

1.7

1.8

iv

1.9

Limitaciones de la Investigación

21

1.10

Tipo y Nivel de la Investigación

21

1.10.1 Tipo de investigación.

21

1.10.2 Nivel de investigación.

21

Método y Diseño de la investigación

21

1.11.1 Método de la investigación.

21

1.11.2 Diseño de la investigación.

21

Técnicas e Instrumentos de Recolección de Información

22

1.12.1 Técnicas.

22

1.12.2 Instrumentos.

22

Cobertura de Estudio

22

1.13.1 Universo.

22

1.13.2 Muestra

22

1.11

1.12

1.13

CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO .............................................................................. 23 2.1

Antecedentes de la Investigación

23

2.2

Marco Conceptual

23

2.2.1 La digestión anaeróbica

23

2.2.2 Factores a considerar en el proceso metanogénico

25

A. Material de carga para la fermentación.

25

B. Relación Carbono-Nitrógeno (C/N).

25

C. Concentración de la carga.

28

D. La temperatura y tiempo de retención

28

E. Valor del pH

29

F. Promotores e inhibidores de la fermentación.

30

2.2.3 Procesos de digestión para tratar los residuos orgánicos

31

A. Por la forma de alimentación

32

B. Por la temperatura.

34

C. Por el número de Etapas

35

2.2.4 Tipos de digestores A. Digestor de mezcla completa.

35 36

B. Reactores de filtro anaeróbico, lechos expandidos y fluidizados y las unidades U.A.S.B. (Upflow Anaerobio Sludge Blanket) 2.2.5 Componentes y clasificación de los digestores A. Componentes de un Biodigestor

36 38 38

v

B. Clasificación de los Digestores Rurales.

39

C. Modelo de digestores.

43

2.2.6 Diseño de biodigestores de manga

48

A. Recolección de información

49

B. Selección del tipo de digestor

49

C. Especificaciones para el diseño de Biodigestores.

50

CAPÍTULO III: ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS.............. .... 58

4.1

Nivel de confianza y grado de significancia

58

4.2

Análisis de resultados

58

4.3

Prueba de Hipótesis

58

4.4

Prueba estadística utilizada

58

CAPÍTULO IV: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................... 60

5.1

Conclusiones

60

5.2

Recomendaciones

60

FUENTES DE INFORMACIÓN ................................................................................... 61 ANEXOS .................................................................................................................... 63

ANEXO I

MATRIZ DE CONSISTENCIA

64

ANEXO II

XXXXXXXXXXXXX

65

ANEXO III

XXXXXXXXXXXXXX

65

GLOSARIO DE TÉRMINOS ....................................................................................... 65

ÍNDICE DE GRÁFICOS GRÁFICO Nº 1 SECUENCIA METABÓLICA Y GRUPOS MICROBIANOS QUE INTERVIENEN EN LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA

24

GRÁFICO Nº 2 ESQUEMA DE UN PROCESO CONTINUO

32

GRÁFICO Nº 3 ESQUEMA DE UN PROCESO POR LOTES

34

GRÁFICO Nº 4 UNIDADES DE TRATAMIENTO ANAERÓBICO

37

GRÁFICO Nº 5 ESQUEMA OPERATIVO DEL SISTEMA BIODIGESTOR GASÓMETRO

39

GRÁFICO Nº 6 DIGESTOR DE CÚPULA FIJA

40

GRÁFICO Nº 7 DIGESTOR DE CÚPULA MÓVIL

40

GRÁFICO Nº 8 DIGESTOR CON DEPÓSITO FLOTANTE DE GAS

40

vi

GRÁFICO Nº 9 DIGESTOR CON GASÓMETRO DE PLÁSTICO O CAUCHO EN FORMA DE BOLSA

41

GRÁFICO Nº 10 DIGESTOR CILÍNDRICO

41

GRÁFICO Nº 11 DIGESTOR ESFÉRICO

42

GRÁFICO Nº 12 DIGESTOR OVALADO

42

GRÁFICO Nº 13 DIGESTOR RECTANGULAR

43

GRÁFICO Nº 14 DIGESTOR CUADRADO

43

GRÁFICO Nº 15 BIODIGESTOR MODELO CHINO CAPACIDAD 150m3

44

GRÁFICO Nº 16 BIODIGESTOR MODELO INDIO CAPACIDAD 150m3

45

GRÁFICO Nº 17 BIODIGESTOR MODELO HORIZONTAL

46

GRÁFICO Nº 18 BIODIGESTOR MODELO BATCH

47

GRÁFICO Nº 19 SECUENCIA DE PASOS PARA EL DISEÑO DE BIODIGESTORES

49

GRÁFICO Nº 20 ESQUEMA DEL SISTEMA DE BIODIGESTIÓN CUYA ENTRADA ES A LA IZQUIERDA Y LA SALIDA A LA DERECHA

56

ÍNDICE DE TABLAS TABLA Nº 1 CANTIDAD DE ANIMALES (CONSTANTES) CON QUE CUENTAN LAS FAMILIAS DE XXX

12

TABLA Nº 2 COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL BIOL

14

TABLA Nº 3 COMPOSICIÓN BIOQUÍMICA DEL BIOL

16

TABLA Nº 4 CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL BIOSOL FRESCO (FERTILIZANTE SÓLIDO) DESPUÉS LA FERMENTACIÓN DE ESTIÉRCOL DE VACUNO

17

TABLA Nº 5 RELACIÓN CARBONO A NITRÓGENO DE LAS MATERIAS PRIMAS EMPLEADAS CORRIENTEMENTE (APROXIMACIÓN) TABLA Nº 6 TIEMPO DE RETENCIÓN SEGÚN TEMPERATURA

26 29

TABLA Nº 7 TIEMPO DE RETENCIÓN SEGÚN TEMPERATURA PARA MEJOR FERTILIZANTE TABLA Nº 8 CONCENTRACIÓN INHIBIDORA DE INHIBIDORES COMUNES

29 31

TABLA Nº 9 PRODUCCIÓN DE RESIDUOS HUMANOS Y ANIMALES (ESTIMADO) TABLA Nº 10 DEMANDA DE BIOGÁS PARA DIFERENTES USOS

50 52

vii

ÍNDICE DE IMAGENES

viii

RESUMEN

ix

ABSTRACT

x

INTRODUCCIÒN

11

CAPÍTULO I: PLANTEAMIENTO METODOLÓGICO

1.1

Descripción de la Realidad Problemática El

XXX

es

un

XXXX

ubicado

en

el

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX. La temperatura media mensual promedio en Huacho es de 18.9 ºC, con una temperatura promedio máxima mensual de 21.4 ºC. La humedad relativa mensual promedio es de 82 %, con una máxima de 93 % en junio y una mínima de 75 % en febrero. Su clima es cálido templado (MPH, 2013, p. 59). Actualmente dicho XXX alberga a XX familias las cuales se dedican básicamente a la agricultura y crianza de animales (ganado vacuno, cerdos y cuyes). Dichas familias poseen una cantidad constante de XX cuyes, XX cerdos y XX bovinos, tal como se muestra en la Tabla Nº 1. Actualmente los pobladores de XXX utilizan parte del estiércol producido para sus cultivos y el resto XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXX.

12

TABLA Nº 1 CANTIDAD DE ANIMALES (CONSTANTES) CON QUE CUENTAN LAS FAMILIAS DE XXX Ítem

Cantidad de animales

Familia

Cuyes

Cerdos

Bovinos

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 …

n

Total

Dichas familias consumen abonos sintéticos para sus cultivos, gas para la cocción de sus alimentos; energía eléctrica para la iluminación de sus viviendas, calles y algunos artefactos eléctricos con los que cuentan las familias; además se abastecen de agua de XXX para su consumo y para el riego de sus cultivos de XXXXX. (CORROBORAR DICHA INFORMACIÓN)

1.2

Delimitaciones y Definición del Problema 1.2.1 Delimitaciones A. Delimitación Espacial. La investigación se desarrolla en XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

X

XXXX

XX

XX

13

B. Delimitación Temporal. El desarrollo de la investigación tuvo una duración de XX meses, los cuales fueron distribuidos en las siguientes etapas: Elaboración del plan de tesis y desarrollo de la tesis.

C. Delimitación Conceptual. 1. Digestión anaeróbica La digestión anaerobia es un proceso bioquímico en el cual un grupo de diferentes tipos de microorganismos, en ausencia de oxígeno molecular, promueve la transformación de compuestos orgánicos complejos (carbohidratos, proteínas y lípidos) en productos más simples, como metano, gas carbónico, gas sulfhídrico y amonio. Los microorganismos que participan en la digestión anaerobia actúan por medio de reacciones específicas secuenciales, las cuales cuentan con bacterias especializadas en cada una de ellas (Torres, Patricia y Pérez, Andrea, 2010).

2. Biodigestor Los biodigestores son reactores donde se provoca de manera controlada la digestión anaerobia para la obtención de biogás y biol (Ruiz, Albina; 2010, p. 63).

3. Biogás Se llama biogás a la mezcla de gases productos de la digestión anaeróbica, compuesto fundamentalmente de metano (CH4) entre 60 y 65% y dióxido de carbono (CO2) entre 35 a 40% del total, estos son los principales gases de efecto invernadero (Marin, Mariella; 2011, p. 6).

14

Conjuntamente, debido a las reacciones bioquímicas, llevadas a cabo en condiciones de anaerobiosis, pueden estar presentes otros gases como nitrógeno (N2), hidrógeno (H2),vapor de agua (H2O), amoniaco (NH3), ácido sulfhídrico (H2S) y gases traza que, regularmente, constituyen menos del 1% del volumen total (Marin, Mariella; 2011, p. 7).

4. Biol Llamado también “fertilizante foliar líquido”, e s la fracción líquida

resultante del fango proveniente del fermentador o biodigestor. Este “fango” es decantado o sedimentado obteniéndose una

parte líquida a la cual se le llama “Biol”. Aproximadamente el 90% del material que ingresa al Biodigestor se transforma a Biol. Esto depende naturalmente del tipo de material a f ermentar y de las condiciones de fermentación (Aparcana, Sandra y Jansen, Andreas; 2008, p. 3). TABLA Nº 2 COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL BIOL Componente pH Materia Nitrógen NH4 Fósforo Potasio Calcio Mg Sodio Azufre Carbono Aluminio Boro Zinc

Fuente 1

Fuente 2

Fuente 3

Fuente 4

7.96 4.18 % 2.63 g/Kg. 1.27 g/Kg. 0.43 g/Kg. 2.66 g/Kg. 1.05 g/Kg. 0.38 g/Kg. 0.404 g./Kg. -----------

8.1 4.2 2.4 g/Kg 1.08 g/Kg. 1.01 g/Kg 2.94 g/Kg 0.50 g/Kg ---------------

----0.2 g/kg --0.076 g/kg 4.2 g/kg 0.056 g/Kg 0.131 g/kg 2.1 g/kg 6.4 mg/Kg 1.1 g/Kg 0.04 mg/kg 0.56 mg/Kg ---

6.7 - 7.9 1.4% 0.9 g/Kg --0.048 mg/Kg 0.29 mg/Kg 2.1 g/Kg 0.135% --0.33 mg/l 0.23 - 0.30 ----0.05 mg/l

15

Fuente 1: Biol de estiércol de vacuno. Fuente 2: Biol de mezcla de sustratos: estiércol de vacunos y restos de comida casera. Fuente 3: Biol de banano promedio hojas, tallos y frutos . Fuente 4: Biol de Estiércol de vacuno. Fuente: Aparcana, Sandra y Jansen, Andreas. Estudio sobre el Valor Fertilizante de los Productos del Proceso “Fermentación Anaeróbica” para Producción de Biogás. (2008, pp. 3-4)

Como se puede observar, la composición depende mucho del tipo de residuos que entran en el Biodigestor. Se puede decir que cada Biol es “único”. Para el caso de la fermentación de

desechos agrícolas se puede tomar como referencia más cercana la composición reportada por la fuente 3 (residuos de hojas, tallos y frutos del banano) (Aparcana, Sandra y Jansen, Andreas; 2008, p. 4). De los datos reportados en la tabla anterior se puede observar que el Biol presenta en lo común, una baja presencia de materia seca (sólidos totales) que van entre 1 - 5% Respecto a la cantidad de sus nutrientes (Nitrógeno, Fósforo, Potasio, Magnesio etc) estos varían según la materia prima que haya sido fermentada. El ratio de N-P- K-Mg etc. del material saliente (ya fermentado entonces Biol & Biosol) sería casi 1:1 con respecto al material entrante (materia prima ingresada al biodigestor). También la disponibilidad de estos nutrientes para la planta mejora notablemente (ejemplo: aumenta el nitrógeno del Amonio) (Aparcana, Sandra y Jansen, Andreas; 2008, p. 4). El uso del Biol es principalmente como promotor y fortalecedor del crecimiento de la planta, raíces y frutos, gracias a la producción de hormonas vegetales (ver tabla 3 sobre la presencia de hormonas vegetales de crecimiento), las cuales son desechos del metabolismo de las bacterias típicas de este tipo de fermentación anaeróbico (que no se presentan en el compost). Estos beneficios hacen que se requiera menor

16

cantidad de fertilizante mineral u otro empleado (Aparcana, Sandra y Jansen, Andreas; 2008, p. 4). TABLA Nº 3 COMPOSICIÓN BIOQUÍMICA DEL BIOL Componentes Cantidad Ácido indol acetico (ng/g) 9.0 Giberelina (ng/g) 8.4 Purinas (ng/g) 9.3 Citoquininas No detectado Tiamina (Vit B1) (ng/g) 259,0 Riboflavina (vit B2) (ng/g) 56,4 Adenina No detectado Ácido fólico (ng/g) 6,7 Ácido pantoténico (ng/g) 142,0 Triptofano (ng/g) 26,0 Inositol No detectado Biotina No detectado Niacin No detectado Cianocobalamina (vit B12)(ng/g) 4,4 Piridoxina (vit B6) (ng/g) 8,6 Fuente: Aparcana, Sandra y Jansen, Andreas. Estudio sobre el Valor Fertilizante de los Productos del Proceso “Fermentación Anaeróbica” para Producción de Biogás. (2008, p. 4)

Las hormonas vegetales o fitohormonas se definen como fitorreguladores del desarrollo producidas por las plantas. A bajas concentraciones regulan los procesos fisiológicos y promueven el desarrollo físico de las plantas (Aparcana, Sandra y Jansen, Andreas; 2008, p. 5). Hay cinco grupos hormonales principales: Adeninas, Purinas, Auxinas, Giberelinas y Citoquininas, todas estas estimulan la formación de nuevas raíces y su fortalecimiento. También inducen la floración, tienen acción fructificante, estimulan el crecimiento de tallos, hojas, etc. El Biol, cualquiera que sea su origen, cuenta con estas fitohormonas por lo que encuentra un lugar importante dentro de la práctica de la Agricultura Orgánica, al tiempo que abarata costos y mejora la productividad y calidad de los cultivos (Aparcana, Sandra y Jansen, Andreas; 2008, p. 5).

17

5. Biosol El Biosol es el resultado de separar la parte sólida del “fango” resultante

de

la

fermentación

anaeróbica

dentro

del

Fermentador o Biodigestor. Dependiendo de la tecnología a emplear, este Biosol tratado puede alcanzar entre 25% a sólo 10% de humedad (de hecho esa humedad principalmente es Biol residual). Su composición depende mucho de los residuos que se emplearon para su fabricación (en el fermentador). Se puede emplear sólo o en conjunto con compost o con fertilizantes químicos (Aparcana, Sandra y Jansen, Andreas; 2008, p. 6). TABLA Nº 4 CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL BIOSOL FRESCO (FERTILIZANTE SÓLIDO) DESPUÉS LA FERMENTACIÓN DE ESTIÉRCOL DE VACUNO Componentes [%] Agua 15,7 Sustancia orgánica seca 60,3 pH 7,6 Nitrógeno total 2,7 Fósforo P2O5 1,6 Potasio K2O 2,8 Calcio (CaO) 3,5 Magnesio (MgO) 2,3 Sodio (Na) 0,3 Azufre (S) 0,3 Boro (B) (ppm) 64,0 Fuente: Aparcana, Sandra y Jansen, Andreas. Estudio sobre el Valor Fertilizante de los Productos del Proceso “Fermentación Anaeróbica”

para Producción de Biogás. (2008, p. 6)

La composición arriba detallada corresponde a un Biosol proveniente de estiércol de vacuno, que es el más común, pero a la vez uno de los más bajos en nutrientes ya que el estiércol es un material que ya ha sido digerido parcialmente por el animal, por lo que no contiene muchos nutrientes. Como se dijo anteriormente, para mejorar la calidad del Biosol, éste debe

18

provenir de una mezcla de residuos más rica y variada (Aparcana, Sandra y Jansen, Andreas; 2008, p. 6).

1.2.2 Definición del Problema. Algunas de las necesidades de las familias de XXX pueden ser saciadas con el uso de los estiércoles y los residuos agrícolas

1.3

Formulación del Problema. 1.3.1 Problema principal. ¿Cuáles serán las características de un biodigestor tipo manga para el xxxxxxxxxxx?

1.4

Objetivo de la Investigación 1.4.1 Objetivo principal. Diseñar un biodigestor tipo manga para el xxxxxxxxxxx.

1.5

Hipótesis de la investigación. La presente investigación no contó con hipótesis pues tal como lo menciona Hernandez, Roberto y otros (2010, p 97) no en todas las investigaciones descriptivas se formulan hipótesis de esta clase o que sean afirmaciones más generales…No es sencillo realizar estimaciones con relativa precisión con

respecto a ciertos fenómenos. La presente investigación llega solamente al nivel descriptivo, pues culmina con la descripción del diseño del biodigestor de manga para el XXXXXXXXXXXXXXXXX.

19

1.6

Variables e Indicadores 1.6.1 Variable Independiente El objetivo de la presente investigación es simplemente describir una única variable (el diseño del biodigestor), esta variable es única y específica,

pues

las

características

del

biodigestor

para

XXXXXXXXXXX serán muy distintas de las que se necesitaría para otros lugares, es por eso que la variable completa es: X1 : Diseño de un biodigestor de manga para XXXXXXXXXXXXXX

A. Indicadores

B. Índices.

1.7

Viabilidad de la investigación. 1.7.1 Viabilidad técnica Para el logro de los objetivos de la presente investigación se contó con el

1.7.2 Viabilidad operativa. Para la realización del presente trabajo de investigación se contó con los conocimientos adecuados (adquiridos durante los años de estudios en la UAP y los obtenidos de la revisión bibliográfica amplia y especializada sobre el tema) que aseguraron el logro de los objetivos

20

1.7.3 Viabilidad económica.

1.8

Justificación e Importancia de la Investigación. 1.8.1 Justificación Técnica

Económica

Ambiental

Social

1.8.2 Importancia. Técnica

Económica

Ambiental

Social

21

1.9

Limitaciones de la Investigación La principal limitación de la presente investigación fue el hecho de no poder implementar el diseño planteado, es por dicha razón que solo se buscó como objetivo la descri

1.10

Tipo y Nivel de la Investigación 1.10.1 Tipo de investigación. El tipo de investigación (EAPIA-UAP, 2011, p. 16) es aplicada, pues con la presente investigación se está aplicando conocimientos ya existentes.

1.10.2 Nivel de investigación. El nivel de investigación (EAPIA-UAP, 2011, p. 16) es descriptivo.

1.11

Método y Diseño de la investigación 1.11.1 Método de la investigación.

1.11.2 Diseño de la investigación.

22

1.12

Técnicas e Instrumentos de Recolección de Información 1.12.1 Técnicas.

1.12.2 Instrumentos.

1.13

Cobertura de Estudio 1.13.1 Universo.

1.13.2 Muestra

23

CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO

2.1

Antecedentes de la Investigación

2.2

Marco Conceptual 2.2.1 La digestión anaeróbica La digestión anaerobia es un proceso bioquímico en el cual un grupo de diferentes tipos de microorganismos, en ausencia de oxígeno molecular, promueve la transformación de compuestos orgánicos complejos (carbohidratos, proteínas y lípidos) en productos más simples, como metano, gas carbónico, gas sulfhídrico y amonio. Los microorganismos que participan en la digestión anaerobia actúan por medio de reacciones específicas secuenciales, las cuales cuentan con bacterias especializadas en cada una de ellas (Foresti et al., 1999; citado por Torres, Patricia y Pérez, Andrea, 2010). El proceso de digestión anaerobia puede ser simplificado considerando cuatro fases principales: Hidrólisis, Acidogénesis, Acetogénesis y Metanogénesis.

24

En las fases de hidrólisis y acidogénesis se produce más energía y los organismos responsables crecen con mayor velocidad, por lo que la recuperación de las poblaciones frente a alguna alteración del medio es rápida. En las fases de acetogénesis y metanogénesis los rendimientos de energía son tan bajos que la actividad de las bacterias asociadas es extremadamente lenta y cualquier alteración tarda mucho tiempo en corregirse (Barrera, 1993; citado por Torres, Patricia y Pérez, Andrea, 2010). Las bacterias producen metano a partir de H2 y de acetato, las primeras crecen más rápido por lo que las bacterias metanogénicas acetoclásticas generalmente limitan la tasa de transformación de material orgánico complejo presente en el agua residual a biogás (van Haandel y Lettinga, 1994), además de ser las responsables de cerca del 60 – 70% de toda la producción de metano (Chernicharo, 1997; citado por Torres, Patricia y Pérez, Andrea, 2010). GRÁFICO Nº 1 SECUENCIA METABÓLICA Y GRUPOS MICROBIANOS QUE INTERVIENEN EN LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA

25

Fuente: Torres, Patricia y Pérez, Andrea. Actividad metanogénica específica: Una herramienta de control y optimización de sistemas de tratamiento anaeróbico de aguas residuales (2010).

En el arranque de reactores anaerobios, el inicio está caracterizado por una baja actividad biológica, relacionada con el crecimiento de las bacterias acidogénicas, acetogénicas y metanogénicas como biomasa dispersa y adherida. Tradicionalmente el arranque es la etapa considerada más inestable y crítica en el proceso anaerobio, por lo que debe iniciarse con Tiempos de Retención Hidráulicos -TRH elevados, para asegurar una buena asimilación del sustrato por parte de las bacterias y mantener una carga orgánica inicial baja, la cual puede ir aumentando a medida que el reactor se estabiliza (Hulshoff, 1987; citado por Torres, Patricia y Pérez, Andrea, 2010).

2.2.2 Factores a considerar en el proceso metanogénico Existen muchos factores que influyen directamente en la fermentación metanogénica y son capaces de modificar la rapidez de la descomposición, descomposición, entre ellos tenemos:

A. Material de carga para para la fermentación. fermentación. Llamamos así a todos los desechos orgánicos que se introducen dentro de un biodigestor para su degradación. Pero para la fermentación los microorganismos metanogénicos necesitan nutrientes para producir biogás, por ello es necesario contar con suficiente material de carga para que el proceso de digestión no se interrumpa. La materia orgánica que se utiliza como material de carga (residuos de los cultivos, excretas de humanos y de animales) pueden dividirse en dos grupos, las materias primas ricas en nitrógeno y las materias primas ricas en carbono, el nitrógeno se utiliza como constituyente para la formación de la estructura celular, y el carbono se utiliza como fuente de energía.

B. Relación Carbono-Nitrógeno Carbono-Nitrógeno (C/N). (C/N).

26

Los microbios siempre consumen estos elementos en determinada proporción, medidos por la relación carbono-nitrógeno (C/N) que contiene la materia orgánica. Existen muchos criterios en lo referente a esta relación, pero se reconoce en general como aceptable una relación C/N de 20-30:1. Las excretas de humanos y de animales son ricos en nitrógeno, con una relación C / N inferior a 25:1, durante la fermentación tienen una mejor velocidad de biodegradación y de generación de gas; en cambio los residuos agrícolas son ricos en carbono, con una relación C / N superior a 30:1, pero con una generación más lenta de gas en el proceso de digestión. TABLA Nº 5 RELACIÓN CARBONO A NITRÓGENO DE LAS MATERIAS PRIMAS EMPLEADAS CORRIENTEMENTE (APROXIMACIÓN) Contenido de

Contenido de

Relación

Materias

carbono de las

nitrógeno de las

carbono a

Primas

materias primas

materias primas

nitrógeno

por peso ( % )

por peso ( % )

(C/N)

46

0.53

87:1

42

0.64

67:1

Tallo del maíz

40

0.75

53:1

Hojas secas

41

1.00

41:1

41

1.30

32:1

14

0.54

27:1

11

0.59

19:1

16

0.55

29:1

7.3

0.29

25:1

10

0.42

24:1

Paja seca de trigo Paja seca de arroz

Estiércol de aves Pasto Cacahuetes tallos y hojas Estiércol fresco de oveja Estiércol fresco de vaca Estiércol fresco de caballo

27

Estiércol fresco de cerdo Excretas frescas humanas

7.8

0.60

13:1

2.5

0.85

2.9:1

Estiércol de

15:1

aves

Fuente: Guevara, Antonio. Fundamentos básicos para el diseño de biodigestores anaeróbicos rurales ( 1996, p. 15). En general las materias primas ricas en carbono producen más gas que las ricas en nitrógeno, así mismo es más rápida la producción de gas a partir de materias primas nitrogenadas (excretas), que las ricas en carbono (paja y tallos). Mientras en los primeros 10 días de fermentación las materias primas nitrogenadas generan de 34.4% 46% del total de gas producido, las ricas en carbono solo aportan el 8.8%. Por ello para conseguir un buen rendimiento de gas en forma constante durante la fermentación, es conveniente combinar proporciones adecuadas de materiales con bajo y alto rendimiento y de distintas velocidades de generación; también es conveniente agregar las materias primas ricas en nitrógenos a las materias primas de alta relación C/N, a fin de bajar esta relación. Por ejemplo, residuos de animales y humanos se aplica a la paja y a los tallos. La relación C / N se puede calcular aplicando la fórmula siguiente:

∑   ∑   En donde: C = Porcentaje de carbono en la materia prima N = Porcentaje de nitrógeno en la materia prima X = Peso de la materia Prima

28

K = C / N de la mezcla de las materias primas

C. Concentración de la carga. Guevara, Antonio (1996, p. 16) recomiendan diluciones de 5 – 10 %, pero según Herrero, Jaime (2008, p. 28) se considera un 20% (1:4) como una óptima dilución, esto concuerda algunas experiencias como en el caso de Bioagricultura Casa Blanca en Pachacamac (Lima-Perú).

D. La temperatura y tiempo de retención En el proceso de digestión anaerobia son las bacterias metanogénicas las que producen, en la parte final del proceso, metano. Existen diferentes poblaciones de bacterias metanogénicas y cada una de ellas requiere una temperatura para trabajar de forma óptima. Existen poblaciones metanogénicas que tienen su mayor rendimiento a 70°C de temperatura, pero para ello habría que calentar el lodo interior del biodigestor. Hay otras poblaciones que tienen su rango óptimo de trabajo de 30 a 35 °C. Estas temperaturas se pueden alcanzar en zonas tropicales de manera natural. La actividad de las bacterias desciende si estamos por encima o por debajo del rango de temperaturas óptimas de trabajo. En biodigestores sin sistema de calefacción se depende de la temperatura ambiente que en muchas regiones es inferior al rango de temperaturas óptimas. A menores temperaturas se sigue produciendo biogás, pero de manera más lenta. A temperaturas inferiores a 5°C se puede decir que las bacterias quedan ‘dormidas’

y ya no producen biogás. Por ello es necesario estimar un tiempo de retención según la temperatura a la que se trabaje. El tiempo de retención es la duración del proceso de digestión anaerobia, es el tiempo que requieren las bacterias para digerir el lodo y producir biogás. Este

29

tiempo, por tanto, dependerá de la temperatura de la región donde se vaya a instalar el biodigestor. Así, a menores temperaturas se requiere un mayor tiempo de retención que será necesario para que las bacterias que tendrán menor actividad, tengan tiempo de digerir el lodo y de producir biogás. TABLA Nº 6 TIEMPO DE RETENCIÓN SEGÚN TEMPERATURA Región

Temperatura (ºC)

característica

Tiempo de retención (días)

Trópico

30

20

Valle

20

30

Altiplano

10

60

Fuente: Herrero, Jaime. Biodigestores familiares: Guía de diseño y manual de instalación (2008, p. 27)

El fertilizante que sale de un biodigestor con los tiempos de retención expresados en la tabla Nº 6 es muy bueno, pero si aumentamos estos tiempos de retención en un 25 % es excelente. TABLA Nº 7 TIEMPO DE RETENCIÓN SEGÚN TEMPERATURA PARA MEJOR FERTILIZANTE Región característica

Temperatura (ºC)

Tiempo de retención (días)

Trópico

30

25

Valle

20

37

Altiplano

10

75

Fuente: Herrero, Jaime. Biodigestores familiares: Guía de diseño y manual de instalación (2008, p. 32)

E. Valor del pH El valor óptimo para la digestión metanogénica es de 6.5-7.5, cuando baja de 5 ó sube de 8 puede inhibir el proceso de fermentación ó incluso detenerlo. Normalmente cuando se trabaja con residuos domésticos y agropecuarios, la dinámica del mismo proceso ajusta el pH.

30

El pH se puede corregir en forma práctica, de la siguiente manera:



Sacando frecuentemente una pequeña cantidad de efluente y agregando materia prima fresca en la misma cantidad y en forma simultánea.



Cuando el pH es bajo se puede agregar fertilizante, cenizas, agua amoniacal diluida o una mezcla de ambos y licor fermentado.

F. Promotores e inhibidores de la fermentación. Los promotores son materiales que pueden fomentar la degradación de la materia orgánica y aumentar la producción de gas; entre ellos tenemos enzimas, sales inorgánicas, se puede emplear úrea, carbonato de calcio (CaCO 3). Los inhibidores, son aquellos factores, que inhiben la actividad vital de los microbios. Entre los promotores de la fermentación hay diversos tipos de materiales entre ellos enzimas, sales inorgánicas. Cuando se carga el digestor, es útil agregar celulosa para promover el proceso y la producción de gas. La úrea y el carbonato de calcio han dado buenos resultados. El primero acelera la producción de metano y la degradación del material, el segundo es útil para la generación de gas y para aumentar el contenido de metano en el gas. En relación a los inhibidores. Por la naturaleza biológica del proceso son muchos los factores que afectan la actividad de los microorganismos. La alta concentración de ácidos volátiles (más de 2000 ppm en la fermentación mesofílica y de 3600 ppm para la termofílica). La excesiva concentración de amoníaco y nitrógeno, destruyen las bacterias, todo tipo de productos químicos agrícolas, en especial los tóxicos fuertes aún en ínfimas proporciones podrían destruir totalmente la digestión normal. Muchas sales como los

31

iones metálicos son fuertes inhibidores. En la Tabla Nº XX se indican las concentraciones inhibidoras de algunos inhibidores comunes: TABLA Nº 8 CONCENTRACIÓN INHIBIDORA DE INHIBIDORES COMUNES Inhibidores

Concentración inhibidora

SO4

5000 ppm.

NaCl

40000 ppm.

Nitrato ( Según contenido de nitrógeno)

0.05 mg/mL.

Cu

100 mg/L.

Cr

200 mg/L.

Ni

200-500 mg/L.

CN

25 mg/L.

Detergente sintético

20-40 mg/L.

Na

3500-5500 mg/L.

K

2500-4500 mg/L.

Ca

2500-4500 mg/L.

Fuente: Guevara, Antonio. Fundamentos básicos para el diseño de biodigestores anaeróbicos rurales ( 1996, p. 21).

2.2.3 Procesos de digestión para tratar los residuos orgánicos La digestión para degradar los residuos orgánicos y/o producir biogas en un proceso microbiano, por lo que se necesita condiciones ambientales propicias y un manejo adecuado para que funcione eficientemente el sistema, desde que se carga el digestor hasta la producción del gas y salida del efluente. Existen muchos procesos para tratar los diversos residuos orgánicos, los cuales dependen de las condiciones de diseño del sistema, como de los propios digestores y del modo del sistema, como de los propios digestores y del modo d presentación de los substratos a ser fermentados. En este sentido los procesos pueden ser clasificados según:

32

A. Por la forma de alimentación 1. Fermentación continua Cuando la fermentación en el digestor es un proceso ininterrumpido, el efluente que descarga es igual al material que entra, la producción de gas es uniforme en el tiempo; este proceso se aplica en zonas con ricas materias residuales y digestor de tamaño grande (mayor de 15 m 3) y mediano (entre 6.3 y 15 m3). La característica más importante es la alta dilución de la carga, de 3 a 5 veces agua/excreta y además su manejo es relativamente fácil, pues lo que se hace es un manejo hidráulico del sistema, que puede llegar a no requerir mano de obra en la operación si las condiciones topográficas son favorables. El digestor se carga diaria o interdiariamente adicionando nuevas cantidades de lodos frescos. GRÁFICO Nº 2 ESQUEMA DE UN PROCESO CONTINUO

INSUMO Desecho orgánico alta dilución

DIGESTOR Material líquido Microorganismos

PRODUCTOS Biogás Bioabono líquido

Tiem o de Retención


2. Fermentación semicontinua La primera carga que se introduce, consta de gran cantidad de materiales;

cuando

va

disminuyendo

gradualmente

el

33

rendimiento del gas se agregan nuevas materias primas y se descarga el efluente regularmente en la misma cantidad. El sustrato a degradar ocupa un volumen en el digestor (80%), mientras que el resto del volumen (20%) es reservado para realizar cargas continuas diarias o intermedias, a medida que va disminuyendo gradualmente el rendimiento del gas. Esta operación reúne las ventajas y desventajas del batch, pero en el caso del bioabono, por la adición continua de materia rica en nutrientes incrementa aún más su calidad. Una forma de operación podría ser: incorporando al digestor una carga batch de pasto o restos de cosecha y la carga continua es con excretas de porcinos o humanos. Debido a que el suministro de lodos frescos no es constante el proceso se hace bastante largo, por esta razón en la práctica se acelera mediante la utilización y el control de factores favorables.

3. Fermentación por lotes Los digestores se cargan con material en un sólo lote, cuando el rendimiento de gas decae a un bajo nivel, después de un período de fermentación, se vacían los digestores por completo y se alimenta de nuevo. También se conoce como operación "Batch", todo adentro todo fuera. El material de carga se caracteriza, por una alta concentración de sólidos, el cual debe ser adecuadamente inoculado, sobre todo cuando se fermentan materiales vegetales. Las ventajas operativas es que el proceso una vez iniciado llega al final sin

34

contratiempos, necesitando mano de obra solo al momento de la carga y la descarga. La desventaja es que al tratarse de manejo de sólidos sobre todo cuando son grandes volúmenes requiere mecanizarlo, no obstante hay gran producción de gas por unidad de volumen y un bioabono de buena calidad. GRÁFICO Nº 3 ESQUEMA DE UN PROCESO POR LOTES

INSUMO Desecho orgánico Sólido + H2O

DIGESTOR Material sólidos + H2O Microorganismos

PRODUCTOS Biogás Bioabono líquido Bioabono sólido

Tiem o de Retención


B. Por la temperatura. Es de suma importancia, puesto que la temperatura determina la formación de gas en un tiempo determinado, a menor temperatura mayor tiempo de retención, pudiendo inhibir la formación del gas.

1. Fermentación termofílica Necesita una temperatura de 51-55°C, se caracteriza por una digestión rápida, alto rendimiento de gas y un corto tiempo de retención, tiene buenas características de desinfección.

2. Fermentación mesofílica La temperatura va de 28-35°C, la descomposición de la carga es más lenta que el anterior con menos consumo de energía.

35

3. Fermentación a temperatura ambiente La producción del gas varía de una estación a otra dependiendo de la temperatura atmosférica tiene la ventaja de que sus estructuras son simples y de baja inversión.

C. Por el número de Etapas 1. Fermentación en una sola etapa Cuando la digestión se realiza en un sólo depósito de fermentación, su estructura es simple, fácil operación y bajo costo, se usa mucho en las zonas rurales.

2. Fermentación en dos o más etapas La digestión ocurre en dos o más depósitos de fermentación. El material de la carga primero se degrada y produce gas en la primera etapa; luego el efluente de la primera etapa sufre un nuevo proceso de digestión en la segunda etapa. Con este principio se pueden construir digestores de 3 ó 4 etapas. Los digestores de etapas múltiples se caracterizan por un largo período de retención, buena descomposición de la materia orgánica y una alta inversión.

2.2.4 Tipos de digestores La base fundamental para que se cumpla la digestión anaeróbica es la de mantener la suficiente cantidad de lodos activados dentro del reactor, para que al entrar en contacto con el material de carga, las bacterias que existan en ellos puedan ayudar a las fermentación y degradación de la materia orgánica. Dependiendo de la forma de contacto entre el material o sustrato fermentante y la población

36

bacteriana dentro del reactor, se definen dos tipos de digestores anaeróbicos.

A. Digestor de mezcla completa. Denominados así porque el sustrato a ser digerido y los microorganismos encargados de su degradación se encuentran formando una sola unidad, dentro del cuerpo del digestor, originándose la fermentación de la materia orgánica, como ejemplos de esto tenemos los digestores rurales, de fácil operación así como los digestores construidos en Francia, China y la I ndia. Los modelos de digestores clásicos industriales son esencialmente de tipo de mezcla completa con una recirculación del líquido en suspensión y con agitación mecánica.

B. Reactores de filtro anaeróbico, lechos expandidos y fluidizados y las unidades U.A.S.B. (Upflow Anaerobio Sludge Blanket) Todos estos reactores están basados en la tendencia que tienen las bacterias, especialmente las metanogénicas a fijarse sobre superficies sólidas. La carga incremental en un reactor de flujo continuo sin retención de microorganismos y/o materia orgánica ocasiona un lavado y por lo tanto una disminución del proceso ya iniciado. De ahí que se han intentado algunos mecanismos (ver Gráfico Nº XX) en los cuales se busca separar los sólidos del efluente y recargarlos al cuerpo del reactor o también retomar parte del efluente con sólidos en suspensión al cuerpo del mismo. En los reactores de filtro fijo, las bacterias se adhieren sobre soportes estacionarios y especialmente provistos para tal fin, en cambio en las U.A.S.B. y reactores similares, la adherencia se da entre las propias bacterias formándose flóculos que tienen la capacidad de sedimentar a velocidades superiores que la velocidad neta del líquido.

37

El sistema que ha obtenido éxito en el medio rural es el digestor con filtro anaeróbico donde el agua residual al entrar en el digestor se le hace pasar a través de una cama de soporte de material poroso inerte, que contiene gravas, rocas, carbón activado, ladrillos triturados, sepiolita, conchas marinas, o multitud de materiales plásticos, como anillos de P.V.C. ó de Poliuretano (espuma); silicatos: Saponita, mantmorillonita, etc. El filtro aneróbico tiene la característica de aumentar el tiempo de residencia de los microorganismos en su interior, por estar formando por una matriz que posee una mayor superficie de contacto, donde se fijan las bacterias metanogénicas Con estos procesos de biomasa retenida, se consiguen tiempos de retención de sólidos entre 10 y 100 veces mayores que en los digestores convencionales de mezcla completas. Con lo cual se obtienen tiempos hidráulicos de retención notablemente inferiores y permiten un incremento en la cantidad o volumen de carga a degradar. Estos reactores son operados básicamente en forma continua con cargas diarias ó interdiarias, en las cuales el material a fermentar se encuentra suspendido en la solución. GRÁFICO Nº 4 UNIDADES DE TRATAMIENTO ANAERÓBICO

38


2.2.5 Componentes y clasificación de los digestores A. Componentes de un Biodigestor El digestor que es una planta de fermentación anaeróbica, para la fabricación de biogás, está compuesto por las siguientes partes:



Tubo de entrada de materia orgánica.



Cámara de fermentación o cuerpo del Digestor.



Cámara de depósito de gas.



Cámara de salida de materia estabilizado o fermentada.

39



Conducto de gas, lleva el gas para ser usado.



Tapa hermética.



Gasómetro (ver Gráfico Nº 8)

GRÁFICO Nº 5 ESQUEMA OPERATIVO DEL SISTEMA BIODIGESTOR GASÓMETRO

1. Tubería que conduce el gas fuera del digestor. 2. Llave reguladora del uso del gas. 3. Biodigestor (cuerpo). 4. Tubería que conduce el gas al gasómetro. 5. Manguera flexible. 6. Tubería de entrada y salida del gasómetro. 7. Barras guías del gasómetro. 8. Gasómetro.

9. Tanque de agua sobre la cual flota el gasómetro. 10. Tubería de distribución del gas. 11. Manómetro. 12. Cámara de salida del material. 13. Tubo de entrada. 14. Tapa hermética. 15. Cámara de depósito de gas.


B. Clasificación de los Digestores Rurales. Por su forma y su estructura los digestores pueden agruparse en los siguientes diseños.

1. Según el almacenamiento del gas 

Cúpula fija (Gráfico Nº 9)



Cúpula móvil (Gráfico Nº 10)



Con depósito flotante, o de presión constante (Gráfico Nº 11).



Con gasómetro de Caucho o material plástico en forma de Bolsa (Gráfico Nº 12)

40

GRÁFICO Nº 6 DIGESTOR DE CÚPULA FIJA


GRÁFICO Nº 7 DIGESTOR DE CÚPULA MÓVIL

Fuente: Guevara, Antonio. Fundamentos básicos para el diseño de biodigestores anaeróbicos rurales ( 1996, p. 31). GRÁFICO Nº 8 DIGESTOR CON DEPÓSITO FLOTANTE DE GAS

41

Fuente: Guevara, Antonio. Fundamentos básicos para el diseño de biodigestores anaeróbicos rurales ( 1996, p. 30). GRÁFICO Nº 9 DIGESTOR CON GASÓMETRO DE PLÁSTICO O CAUCHO EN FORMA DE BOLSA


2. Según su forma geométrica 

Cámara vertical cilíndrica (Gráfico Nº 13)



Cámara esférica (Gráfico Nº 14)



Cámara ovalada (Gráfico Nº 15)



Cámara rectangular (Gráfico Nº 16)



Cámara cuadrada (Gráfico Nº 17) GRÁFICO Nº 10 DIGESTOR CILÍNDRICO

42


GRÁFICO Nº 11 DIGESTOR ESFÉRICO

1. Tubo de entrada de materia.

3. Cámara de depósito de gas.

2. Cámara de fermentación.

4. Cámara de salida.

Fuente: Guevara, Antonio. Fundamentos básicos para el diseño de biodigestores anaeróbicos rurales ( 1996, p. 31). GRÁFICO Nº 12 DIGESTOR OVALADO


43

GRÁFICO Nº 13 DIGESTOR RECTANGULAR

Fuente: Guevara, Antonio. Fundamentos básicos para el diseño de biodigestores anaeróbicos rurales ( 1996, p. 32). GRÁFICO Nº 14 DIGESTOR CUADRADO


3. Por los materiales de construcción De acuerdo al material de construcción pueden ser de ladrillo, de manipostería, de hormigón, de hormigón armado y de plástico.

4. Según su posición respecto a la superficie terrestre



Superficiales (Gráfico Nº 10)



Semienterrados (Gráfico Nº 17)



Subterráneos (Gráfico Nº 14)

C. Modelo de digestores.

44

Existen muchos modelos entre los más populares tenemos "El modelo Chino", "El Modelo Indio”. "El Modelo Olade de Guatemala".

"El Modelo Xochicalli ”. Los modelos "Plásticos Tubulares y "Rectangulares", los materiales con que son construidos varían desde manipostería, prefabricados, hasta metálicos de diferentes aleaciones; lo importante es que estén bien construidos, para que se pueda cumplir el proceso.

1. Modelo Chino Este modelo está muy difundido en China, es un digestor de cúpula fija en forma cilíndrica, enterrados con cámaras de Hidropresión (Gráfico Nº 18). La estructura puede ser de hormigón, de ladrillos, bloques y adobes, se le puede adicionar el gasómetro. Este digestor por estar enterrado favorece el proceso fermentativo, con poca influencia por los cambios de temperatura, la desventaja que presenta es que la presión del gas es variable dependiente del volumen acumulado. GRÁFICO Nº 15 BIODIGESTOR MODELO CHINO CAPACIDAD 150m3


2. Modelo Indio

45

Es originario de la India y se ha difundido mucho porque mantiene una presión de trabajo constante, generalmente son verticales, con el gasómetro incorporado (Por lo que se llama digestor de Cúpula Móvil), la estructura se construye de bloques y concreto, y el gasómetro es de acero, lo que lo hace costoso. El "Gasómetro" posee una camisa que se desliza en un eje y lo mantiene centrado para que no rose con las paredes ni escoree, este eje descansa en una viga transversal de concreto armado enjaulado. Estos digestores son de alimentación continua, se construyen generalmente enterrados quedando la cúpula sin gas en un nivel cercano a la superficie del terreno. GRÁFICO Nº 16 BIODIGESTOR MODELO INDIO CAPACIDAD 150m3


3. Modelos Horizontales

46

Se habla de digestores horizontales cuando estos no profundizan en el suelo, son de forma rectangular, aunque pueden ser cuadrados, se caracterizan por ser en su mayoría de concreto armado debido a las presiones que están sometidos. Su uso es generalmente para el saneamiento de descargas cloacales, ya que su conformación alargada garantiza que el efluente al salir del cuerpo del digestor, debido al flujo pistón y al tiempo de retención sean debidamente degradados. Estos digestores llevan generalmente en la parte superior una pequeña cúpula metálica desmontable que sirve de boca de visita, la presión se controla por el sello de agua, además requieren gasómetro adicional debido a la poca capacidad de almacenamiento de la cúpula y el cuerpo del digestor. GRÁFICO Nº 17 BIODIGESTOR MODELO HORIZONTAL


47

Los “biodigestores de manga” pueden ser considerados como

una variación de este modelo de biodigestor.

4. Modelos Batch por lotes Estos digestores se caracterizan porque se cargan una sola vez, tienen una cúpula metálica con sello de agua, la estructura se construye con bloques y concreto reforzado; la desventaja es que se debe construir obligatoriamente un gasómetro y al ser aéreos están afectados por la temperatura ambiental, se utiliza para degradar materias primas sólidas, como restos vegetales, desechos sólidos orgánicos, el requisito básico es utilizar una buena inoculación, (5 al 10% en base al peso), para garantizar una buena fermentación El rendimiento volumétrico de gas es superior a cualquier digestor continuo (debido al contenido de sólidos totales), igualmente el rendimiento de abonos sólidos es elevado; por eso este método permite el tratamiento sanitario de desperdicios orgánicos, el control satisfactorio de toda clase de plagas, así como la proliferación de moscas, así mismo la recuperación eficiente y económico del metano y la retención de humus e ingredientes para uso de fertilizantes. GRÁFICO Nº 18 BIODIGESTOR MODELO BATCH

48


2.2.6 Diseño de biodigestores de manga El diseño de los digestores debe responder tanto al lugar como el grado de aplicación y a la finalidad de la tecnología. Conociendo la región, la localidad, y el lugar donde va a estar ubicada la planta, y en función al material de carga que se dispone y que se va a tratar, o de acuerdo a las necesidades de producción, se seleccionará el sistema de digestión más adecuado, de acuerdo a una secuencia o flujo que permita tener una idea clara del tamaño y forma del digestor necesitado. El diseño abarca una serie de actividades que van desde la etapa preliminar hasta el cálculo de materiales y gráfica. Se recomienda la siguiente secuencia:

49

GRÁFICO Nº 19 SECUENCIA DE PASOS PARA EL DISEÑO DE BIODIGESTORES

1. Recopilación de información

2. Selección del tipo de digestor

3. Especificaciones para el diseño de Biodigestores.

A. Recolección de información Se debe recolectar información de la zona en estudio; información socio-económica y del clima para hacer uso del sistema. Este punto abarca recolectar la siguiente información:



Sobre la ubicación política de la zona, las características geográficas, las condiciones climáticas de la región.



Sobre los medios de vida de los habitantes, la tipología familiar, los servicios públicos, las condiciones de la vivienda, etc., que existen en el lugar.



Sobre, el suelo y subsuelo, la información referente a las características y calidad del terreno, la altura de la mesa de agua.



Sobre la producción agrícola y pecuaria más importante de zona y que tenga relación con el diseño.

Esta información es indicativa ya que depende del objetivo de la tecnología y de su ubicación.

B. Selección del tipo de digestor

50

Es conveniente relacionar el objetivo y el régimen de operación, con los recursos técnicos, económicos y de materiales con que se cuenta en la zona; esto permitirá la selección del modelo de biodigestor adecuado.

C. Especificaciones para el diseño de Biodigestores. 1. Cámara de fermentación. a. Cálculo del Volumen de la Cámara de Fermentación (VCF) El cálculo del Volumen de la Cámara de Fermentación (VCF), se puede realizar partiendo de dos criterios.



Criterio 1: Utilizar todos o una determinada parte de los desechos orgánicos originados y disponibles en un lugar para producir gas de uso variado.



Criterio 2: Producir una cantidad determinada de gas para satisfacer la demanda para unos usos específicos, como cocinar, comer, calefacción, etc.

Criterio 1 Lo primero que se debe calcular es la cantidad de estiércol con que se cuenta, para ello se pueden realizar buenas estimaciones con datos como los mostrados en la tabla Nº 9. TABLA Nº 9 PRODUCCIÓN DE RESIDUOS HUMANOS Y ANIMALES (ESTIMADO) Productor

Peso (kg)

Producción diaria de estiércol (kg)

Producción anual de estiércol (kg )

Cerdo

50

6

2.190

Vaca

500

34

12.410

Caballo

500

10

3.650

51

Oveja

15

1.5

548

Ave

1.5

0.1

36.5

Humanos 50 0.5 182.5 Fuente: Guevara, Antonio. Fundamentos básicos para el diseño de biodigestores anaeróbicos rurales (1996, p. 54).

Si se pretende utilizar todos los desechos orgánicos diarios disponibles, se debe tener en cuenta que el estiércol con que se cuenta se debe mezclar con rastrojos vegetales con la finalidad de obtener una relación C/N de 25, tal como se muestra en el ítem 2.2.2.B. Una vez que se obtiene la masa de la mezcla adecuada (sustrato) se debe considerar que es recomendable diluir dicho sustrato en agua a una relación 1:4 en volumen (Herrero, Jaime; 2008, p. 28), además, al ser esta cantidad la producida en un día (Volumen de Carga Diaria ó VCD), se ha de multiplicar la mezcla por el Tiempo de retención Hidráulico (TRH) por lo tanto el Volumen de Carga Total (VCT) será:

        Para obtener el TRH adecuado, podemos revisar la tabla Nº 5 ó 6, dependiendo de los requerimientos. Es importante recordar que el VCT (mezcla sustrato-agua) debe ocupar un volumen que corresponde al 75 % del VCF (Herrero, Jaime; 2008, p. 29), por lo tanto el VCF será:

 

52

Criterio 2 Cuando se calcula en base a los requerimientos de combustibles, se toma en cuenta los siguientes parámetros: Biogás = 60 % metano + 40 % CO 2 

Poder calorífico 4767 kcal/m3.



Eficiencia de combustión 60%.



Poder calorífico efectivo: 2860 kcal/m 3.

Algunos datos de demanda de biogás en el medio rural:



Se estima un consumo diario de gas de 0.2 - 0.3 m 3 percápita.



Para una familia varía 4 - 10 m3 según número de personas



Cocina doméstica 2 m 3/día (familia de 5 a 6 pers.)



Calentamiento agua 3 m3/día (tanque de 100 lt.)



Refrigeración alimentos 3 m 3/día (familia 5 a 6 pers.)



Iluminación 0.1 m3/día



Una máquina de 2 HP 0.9 m3/hora.



Para enfriar 90 lt. de leche 10 m 3/día.



Para otros equipos ver tabla N°8. TABLA Nº 10 DEMANDA DE BIOGÁS PARA DIFERENTES USOS Equipos

Características

Consumo (m )

Lampara

Equivalente aprox. a 100

0.09

Cocina

Por hornilla Standard

0.40

Homo

0.44

Nevera

1 quemador- 1 inyector

Motor

ciclo otto

Soplete

0.15 0.45 / HP 0.80

53

Criadora

1500 K calorías, por 1 inyector Hervir agua a 100°C Electricidad

0.16 0.08 / lt 0.62 / KW

Fuente: Guevara, Antonio. Fundamentos básicos para el diseño de biodigestores anaeróbicos rurales (1996, p. 54).

Con ayuda de los criterios anteriores se debe estimar el Requerimiento Diario de Biogás (RDB). Según XX (XXX, p. 3) para los sistemas de manga con diluciones 1:4 se puede asumir una producción diaria de biogás de 35 % el volumen del VCT (0.35 L de biogás/L VCT/día). En función de ello podemos determinar el VCF mediante:

Entonces:

Como:

Tenemos que:

        

b. Consideraciones para la cámara de fermentación Se utilizará geomembrana tubular de PVC de 0.6 mm de espesor o calibre, esto debido a su elasticidad y fácil reparación en caso de rasguños. El ancho del rollo determina el diámetro y radio de nuestro biodigestor. Según el ancho de los rollos más comunes en el mercado encontramos anchos de rollo de 1, 1.25, 1.50, 1.75 y 2 m.

54

La relación entre longitud y diámetro de un biodigestor debería estar entre 5:1 y 10:1 (Ruíz, Albina; 2010, p. 67). En consecuencia la Longitud de Geomembrana para el Biodigestor (LGB) se obtiene de la siguiente manera:

    El radio (r) se obtiene en función del Ancho del Rollo (AR) como sigue:



Entonces tenemos que:

       Reemplazando tenemos que:

   (  )  Despejando LGB tenemos:

   Cabe mencionar que se debe adicionar 1 m para realizar el amarre de la geomembrana a los tubos de 4” de ingreso y

salida. En caso que la longitud determinada (LGB) sobrepase el límite de la relación longitud/diámetro de 10:1, se debe considerar realizar dos biodigestores de igual longitud,

55

debido a que se podría ocasionar problemas de sedimentación de los sólidos lo que obligaría a detener el funcionamiento del biodigestor en determinado momento para su mantenimiento.

2. Dimensiones de la zanja La cámara de fermentación se recomienda que esté situada dentro de una zanja trapezoidal por debajo del nivel del suelo: Las dimensiones de esta zanja dependen de las dimensiones de la cámara de fermentación. Se recomienda además que la zanja trapezoidal este por debajo del suelo, de tal forma que pueda cubrir la altura a la que llega el VCT.

3. Dimensiones del invernadero

4. Volumen de la cámara de carga y descarga. Casi en la mayoría de manuales revisados se considera solo necesario las tuberías de 4” que se ubican como entrada y

salida del sistema, pero es más recomendable aplicar una pequeña cámara tanto para el ingreso (que sirva como cámara de mezclado) y a la salida (que sirva como colector de biol) tal como lo mencionan Salazar, Jean y otros (2012, p. 2). Para determinar las dimensiones de estas cámaras se recomienda seguir las siguientes indicaciones:

Cámara de ingreso

56

La altura no debería ser mayor a 40 cm (30 cm como altura máxima de la mezcla estiércol-agua y 10 cm de borde libre), y el largo y ancho podrían ser de igual longitud (L), entonces las dimensiones se obtienen de la siguiente manera:

    GRÁFICO Nº 20 ESQUEMA DEL SISTEMA DE BIODIGESTIÓN CUYA ENTRADA ES A LA IZQUIERDA Y LA SALIDA A LA DERECHA

Fuente: Salazar, Jean y otros. Producción de biogás y biol a partir de excretas de ganado: Experiencias en la ciudad de Tacna (2012, p. 2).

Cámara de ingreso La cámara de salida tendrá la forma de un cubo con 10 cm más adicionados a la altura (borde libre), entonces tenemos:

  √ 

57

5. Gasómetro. El gasómetro debe

6. Representación gráfica y dimensiones del modelo (planos).

58

CAPÍTULO III: ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS

4.1

Nivel de confianza y grado de significancia

4.2

Análisis de resultados

4.3

Prueba de Hipótesis

4.4

Prueba estadística utilizada

59

60

CAPÍTULO IV: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1

Conclusiones

5.2

Recomendaciones

61

FUENTES DE INFORMACIÓN

Guevara, Antonio. Fundamentos Básicos para el Diseño de Biodigestores Anaeróbicos Rurales.

En:

http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/scan2/031042/031042.pdf .

Lima, 1996. [Revisado el 15 Abr 2013].

Torres, Patricia y Pérez, Andrea. Actividad metanogénica específica: Una herramienta de control y optimización de sistemas de tratamiento anaeróbico de aguas residuales En: http://eidenar.univalle.edu.co/revista/ejemplares/9/b.htm. Cali, 2010. [Revisado el 20 Nov 2013]. Herrero, Jaime. Biodigestores familiares: Guía de diseño y manual de instalación. En: http://grecdh.upc.edu/publicacions/llibres/documents/2008_jmh_guia_biodigest ores.pdf . La Paz, 2008. [Revisado el 10 Set 2013]. Hernandez, Roberto y otros. Metodología de la Investigación. Quinta Edición. Ed. Mc Graw-Hill, 2010. Aparcana, Sandra y Jansen, Andreas. Estudio sobre el Valor Fertilizante de los Productos del Proceso “Fermentación Anaeróbica” para Producción de Biogás.

En:

http://www.german-

profec.com/cms/upload/Reports/Estudio%20sobre%20el%20Valor%20Fertilizan te%20de%20los%20Productos%20del%20Proceso%20Fermentacion%20Anae robica%20para%20Produccion%20de%20Biogas_ntz.pdf . [Revisado el 10 Set 2013].

Lima,

2008.

62

Escuela Académico Profesional de Ingeniería Ambiental de la Universidad Alas Peruanas (EAPIA-UAP). Manual para elaborar el plan de Tesis y el desarrollo de Tesis. Lima, 2011. Municipalidad Provincial de Huaura (MPH). Presupuesto institucional de apertura 2013. En: http://munihuacho.gob.pe/transparencia/pia/PIA2013_2.pdf . Huaura, 2013 [Revisado el 10 Set 2013]. Ruiz, Albina. Mejora de las condiciones de vida de las familias porcicultoras del Parque Porcino de Ventanilla, mediante un sistema de biodigestión y manejo integral de

residuos

sólidos

y

líquidos,

Lima,

Perú.

En:

http://www.tesisenred.net/bitstream/handle/10803/9296/Tesis_doctoral_ARR_v ersion_final.pdf?sequence=1. Barcelona, 2010 [Revisado el 20 Set 2013]. Marin,

Mariella.

Purificación

biológica

de

biogás.

En:

http://www.tesis.uchile.cl/bitstream/handle/2250/112383/purificacion%20 biologica%20de%20biogas.pdf?sequence=1. Santiago de Chile, 2011 [Revisado el 20 Set 2013]. XXX.

Biodigestor

de

manga

de

polietileno.

En:

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX. Chachapoyas, XXX [Revisado el 20 Ene 2014].

63

ANEXOS

64

s o t : n o e l u m t í u r T t s n I s a c i n c é T

s o d o t é M

A I C N E T S I S N O C E D Z I R T A M I O X E N A

: n ó i c a g a e i t d s d a c o e i l p v i n p T I A

e c i d n Í r o d a c i d n I s e l b a i r a V

s i s e t ó p i H

s l i s a e r e t ó n p e i g H

o v i t e j b O

o l v a i t r e e j n b e O g

a m e l b o r P

a l m a p e i l b c n i o r r P p

: s e t n e i s d e n l b e a p i e r d a n : 1 V I X

: n ó i c a v a i e i g t p d t i l s r e e c v v s i e n D N i

: n a ó l i e c d a g o i t ñ s e e s v i n D i

: o s r e v i n U

: a r t s e u M

TESIS BD_FORMATO UAP-13-02-14 (1)

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