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Trabajo biodigestores
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  • 1. Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente BIODIGESTORES Presentado por: Paola Arbeláez - 1027142-3754 Cecilia Meléndez - 1133792-3754 Diego Rivera Henao - 1225227-3754 Steven Moreno- 1324127-3754 Profesor Luz Edith Barba Ho Santiago de Cali Abril de 2013
  • 2. TABLA DE CONTENIDO 1. RESUMEN .................................................................................................................... 1 2. OBJETIVOS ................................................................................................................. 2 3. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 2 4. BIODIGESTORES ......................................................................................................... 2 4.1. Tipos de biodigestores ............................................................................................ 4 5. BIOGÁS ........................................................................................................................ 5 5.1. Propiedades del biogás ........................................................................................... 5 5.2. Producción del biogás.............................................................................................. 6 5.3. Factores que afectan el proceso ........................................................................................ 7 6. VENTAJAS ................................................................................................................................... 9 7. DESVENTAJAS ......................................................................................................................... 10 8. CONCLUSIONES ...................................................................................................................... 12 9. BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................... 13
  • 3. 1. RESUMEN El siguiente trabajo consiste en la presentación de la tecnología de Biodigestores como solución a los problemas de contaminación de los recursos Aire, agua y suelo producido por las excretas animales humanas; este tipo de tecnología es factible para para el uso familiar, comunal e industrial, la cual se puede adaptar y mejorar en el lugar donde se desea implementar. El Biodigestor es un contenedor hermético que permite la descomposición de la materia orgánica es realizada por los microorganismos a partir de polímeros naturales, en ausencia de materiales orgánicos y en condiciones anaeróbicas; además hay factores que afectan el proceso de digestión, entre los más importantes son la temperatura, el pH, la presión y la relación de carbono/nitrógeno, ya que al no cumplir con los rangos favorables de estos factores, la digestión puede tener un mayor tiempo de retención, como también inhibicion en esta. Al cumplir las condiciones mencionadas anteriormente, se podrá esperar resultados satisfactorios. La descomposición se lleva a cabo en tres fases que son: 1) Hidrolisis y Fermentación, 2) Acetogenesis y deshidrogenacion, y por ultimo 3) la Metanogenica, obteniendo como producto finales de mayor proporción el Biogas y Bioabono. Existen dos tipos de biodigestores que son el de flujo continuo o el de flujo discontinuo, en el primero la carga material a fermentar se adiciona a diario y también se retira la descarga en un proceso continuo e indefinido y, en el segundo la carga se adiciona y al finalizar el proceso se retira toda la descarga obtenida. La composición de ambos productos que se obtienen mayoritariamente depende de la biomasa utilizada. El biogás es uno de los productos obtenidos y esta caracterizado por ser una mezcla de gases de Metano (CH4), Dioxido de Carbono (CO2), sulfuo de hidrogeno (H2S) y el Hidrogeno (H); los dos primeros mencionados son los que se obtienen en mayor proporción, mientras que los dos últimos se obtienen un una muy baja proporción. La variación de estos productos depende de la biomasa utilizada para llevar a cabo el proceso de digestión. La Aplicación de esta tecnología contribuye a reducir el impacto ambiental generado por las excretas de los animales y humanos, reduce el uso de fertilizantes y mejora las condiciones fitosanitarias rurales. Además, también conlleva beneficios económicos por la venta del Biogas y el bioabono.
  • 4. 2. OBJETIVOS   Conocer sobre la problemática ambiental actual y sobre algunas soluciones desarrolladas para mitigar los daños que ocasionan las diferentes actividades humanas Aplicar los conocimientos adquiridos a lo largo de la carrera para entender e interpretar los diferentes procesos involucrados en los proyectos que dan solución a problemas ambientales, como la digestión. 3. INTRODUCCIÓN Los cambios socioeconómicos de las últimas décadas, altas concentraciones de población en las ciudades, el desarrollo de la industria agroalimentaria, la intensificación de las explotaciones ganaderas, prácticas consumistas, etc., han propiciado la producción de grandes cantidades de residuos orgánicos que ocasionan graves problemas ambientales. Una primera clasificación de los residuos se puede realizar en función de su origen, distinguiendo los residuos procedentes del sector primario, residuos agrícolas, ganaderos y forestales, los procedentes del sector secundario, residuos industriales (agroalimentarios, textiles, etc.) y finalmente los procedentes del sector terciario o de servicios, constituidos por residuos sólidos urbanos y lodos de estaciones depuradoras de aguas residuales. A todas esta problemática han surgido diversas soluciones con diferentes niveles de eficiencia, dentro de las cuales se destacan los biodigestores. En este trabajo se dará a conocer de forma detallada el origen de esta tecnología, sus variantes, el funcionamiento fisicoquímico, las ventajas y desventajas que estos producen. Con el fin resaltar la importancia del uso de tecnologías mas limpias, en busca de un desarrollo sostenible en el cual se minimice el impacto al ambiente sin afectar drásticamente las necesidades sociales. 4. BIODIGESTORES Es un contenedor hermético que permite la descomposición de la materia orgánica en condiciones anaeróbicas y facilita la extracción del gas resultante para su uso como energía. El biodigestor cuenta con una entrada para el material orgánico, un espacio para su descomposición, una salida con válvula de control para el gas (biogás), y una salida para el material ya procesado (bioabono). El biodigestor convierte residuos como estiércol y aguas negras por medio de la acción de las bacterias que realizan la descomposición anaeróbica, produciendo gases como metano que se pueden utilizar para cocinar Otros nombres: Digestor anaeróbico, reactor anaeróbico, reactor biológico.
  • 5. Grafica 1. Esquema básico de un biodigestor. Existen muchas variaciones en el diseño del biodigestor. Algunos elementos que comúnmente se incorporan son:       Cámara de fermentación: El espacio donde se almacena la biomasa durante el proceso de descomposición. Cámara de almacén de gas: El espacio donde se acumula el biogás antes de ser extraído. Pila de carga: La entrada donde se coloca la biomasa. Pila de descarga: La salida, sirve para retirar los residuos que están gastados y ya no son útiles para el biogás, pero que se pueden utilizar como abono (bioabono). Agitador: Desplaza los residuos que están en el fondo hacia arriba del biodigestor para aprovechar toda la biomasa. Tubería de gas: La salida del biogás. Se puede conectar directamente a una estufa o se puede transportar por medio de la misma tubería a su lugar de aprovechamiento
  • 6. 4.1. TIPOS DE BIODIGESTORES Los biodigestores se clasifican en dos grandes tipos: de Flujo Discontinuo y de Flujo Continuo. Biodigestores de flujo discontinuo La carga de la totalidad del material a fermentar se hace al inicio del proceso y la descarga del efluente se hace al finalizar el proceso; por lo general requieren de mayor mano de obra y de un espacio para almacenar la materia prima si esta se produce continuamente y de un depósito de gas (debido a la gran variación en la cantidad de gas producido durante el proceso, teniendo su pico en la fase media de este)o fuentes alternativas para suplirlo. Biodigestores de flujo continuo
  • 7. La carga del material a fermentar y la descarga del efluente se realiza de manera continua o por pequeños baches (ej. una vez al día, cada 12 horas) durante el proceso, que se extiende indefinidamente a través del tiempo; por lo general requieren de menos mano de obra, pero de una mezcla más fluida o movilizada de manera mecánica y de un depósito de gas (si este no se utiliza en su totalidad de manera continua).Existen tres clases de biodigestores de flujo continuo.    De cúpula fija De cúpula móvil De salchicha , Taiwán, CIPAV o biodigestores familiares de bajo costo 5. BIOGÁS El biogás es la mezcla de gases resultantes de la descomposición de la materia orgánica realizada por acción bacteriana en condiciones anaerobias. Los principales componentes del biogás son el metano (CH4) y el dioxido de carbono (CO2). Aunque la composición del biogás varıa de acuerdo a la biomasa utilizada, su composición aproximada se presenta a continuación: Tabla 1. Composición del biogás. Gas % de volumen total Metano (CH4) 40-70 Dioxido de carbono(CO2) 30-60 Sulfuro de hidrogeno (H2S) 0-3 Hidrogeno (H2) 0-1 5.1. Propiedades del biogás [1] Cuando el biogás esta formado por un 60% de metano (CH4) y 40% de dioxido de carbono (CO2) tiene una densidad de 1.22 gr/L, siendo más ligero que el aire. El biogás es un gas combustible que arde gracias al metano, produciendo una llama azul, sin formar hollín; tiene un poder calorífico de 4500 a 5500 Kcal/m3. 1m3 de metano desprende alrededor de 8900 - 9500 Kcal y debido a la concentración de CO2 en el biogás (40%), baja su poder energético a un promedio de 5000 Kcal. A pequeña y mediana escala, el biogás ha sido utilizado en combustión directa en estufas simples (en la cocción de alimentos), en la iluminación (lámparas de gas o a gasolina), para calefacción y refrigeradoras. También el biogás puede ser utilizado como combustible para motores diesel y a gasolina, a partir de los cuales se puede producir energía eléctrica por medio de un generador. En el caso de los motores diesel, el biogás puede remplazar hasta el 80% del acpm o diesel (la baja capacidad de ignición del biogás no permite remplazar la totalidad del acpm.).
  • 8. Aunque en los motores a gasolina el biogás puede remplazar la totalidad de la misma, en general en los proyectos a nivel agropecuario se le ha dado preferencia a los motores diesel considerando que se trata de un motor más resistente y que se encuentra con mayor frecuencia en el medio rural. Un metro cubico de biogás totalmente combustionado es suficiente para:     Generar 6 horas de luz equivalente a un bombillo de 60 watt. Poner a funcionar un refrigerador de 1 m3 de capacidad durante 1hora. Hacer funcionar una incubadora de 1 m3 de capacidad durante 30 minutos. Hacer funcionar un motor de 1 HP durante 2 horas. 5.2. Producción del biogás [2] Se realiza mediante un proceso de fermentación anaerobia efectuado por la acción de diversas familias de bacterias (Hidroliticas, acidogenicas, metano génicas y acetogenicas), cuya cantidad depende del tipo de materia orgánica y de las condiciones específicas del proceso, este proceso consta de 3 fases fundamentales: Hidrolisis: (Los polímeros se descomponen en monómeros mas simples). En esta etapa las bacterias de fermentación anaerobia descomponen la materia orgánica. Estas son bacterias que sobreviven en presencia de bajos contenidos de oxigeno, su producción es muy alta y son poco sensibles a los cambios de temperatura y pH. Acidogénesis: (Los monómeros se convierten en ácidos grasos volátiles). Los materiales solubles que ingieren las bacterias son transformados a ácidos grasos volátiles, como; el ácido fórmico, hidrogeno, ácido acético y dioxido de carbono. Metanogénesis: En esta etapa actúan las metanobacterias, las cuales utilizan hidrogeno, dioxido de carbono, ácido acético y fórmico para producir metano. Las reacciones que ocurren en esta etapa final son: 4 H2 + CO2 → CH4 + 2 H2O 4 formato → CH4 + 3 CO2 + 2 H2O Acetato → CH4 + CO2
  • 9. 5.3. Factores que afectan el proceso El proceso de digestión anaerobia depende de diversos factores como; pH, temperatura, la disponibilidad de nutrientes, la presencia de sustancias toxicas, el tiempo de retención, la relación C:N y el nivel de carga. Ambiente anaerobio: Todas las bacterias que desempeñan un papel importante en la digestión metanogenica son anaerobias, por ende es vital la ausencia total de oxigeno para evitar la proliferación de bacterias aerobias que pueden llegar a interrumpir el proceso de digestión. Temperatura: es un factor importante que influye en el rendimiento del biodigestor. Las altas temperaturas afectan negativamente el metabolismo, ya que degradan las enzimas lo cual es crítico para la vida de las células. Las bacterias que realizan la digestión de la materia orgánica tienen un nivel óptimo de crecimiento y funcionamiento dentro de un rango de temperatura bien definido. Las metanobacterias son más sensibles a los cambios de temperatura que otros microrganismos en el biodigestor, esto se debe a que los demás grupos crecen más rápido, como las acetogenicas, las cuales pueden realizar sus funciones incluso a bajas temperaturas.
  • 10. El proceso de fermentación de la materia orgánica puede llevarse a cabo en un amplio rango de temperatura desde 15 hasta 30°C, sin embargo para que las bacterias formadoras de metano trabajen de forma óptima necesitan temperaturas entre 30 y 60 °C. Rango mesofílico: El rango mesofílico es el más usado, ya que no se necesita mucha energía para alcanzar el rango de temperatura que está entre los 25°C y 45°C. Además, la producción de biogás se da en un tiempo relativamente corto y no presenta muchos problemas de estabilidad. Por esta razón el rango mesofílico de temperatura ha sido el más usado en las pequeñas fincas donde el biogás es su principal fuente de energía. Rango Termofílico: Aunque el rango mesofílico de temperatura es el más usado y estudiado el rango termofílico (entre 45°C y 65°C) se ha venido estudiando cada vez más, debido a las ventajas que presenta; una mayor velocidad de crecimiento de las bacterias metanogénicas y mayor eliminación de organismos patógenos. El problema con el rango termofílico es que presenta muchas inestabilidades durante la producción del biogás, por un lado, es difícil controlar factores importantes como la presión dentro del biodigestor, por otro lado, a altas temperaturas se producen compuestos con una alta toxicidad que afectan, entre otras cosas, el efluente que sirve como fertilizante. Además, para alcanzar temperaturas en el rango termofílico es necesario imprimirle al sistema una gran cantidad de energía lo que es un desperdicio, ya que no se obtiene la ganancia energética que se desea. Este rango es usado generalmente en instalaciones a nivel industrial. pH: El valor óptimo de pH para la digestión metanogenica es de 6.5 a 7.5, estos valores se mantienen normalmente de forma automática y pocas veces necesita ajustes. Sin embargo cuando la carga esta compuesta de porciones inadecuadas y el biodigestor se hace funcionar en malas condiciones, el valores de pH puede variar, cuando baja a 5 o sube a 8 puede inhibirse el proceso de fermentación o incluso detenerse. Presión: La presión es un factor importante a tener en cuenta, ya que muchos tipos de bacterias que intervienen en la digestión anaerobia son sensibles a los cambios bruscos de presión, especialmente los generados por el exceso de hidrógeno. Además una presión muy alta puede tener como consecuencia la explosión del biodigestor o escapes que permitan el ingreso de oxígeno lo cual es fatal para las bacterias anaerobias. Estos problemas se pueden evitar instalando válvulas de control de presiones o haciendo un uso continuo del biogás producido.
  • 11. Relación carbono-nitrógeno El carbono (C) y el nitrógeno (N2) son las principales fuentes de alimentación de las bacterias que generan el metano, el carbono es la fuente de energía y el nitrógeno contribuye a la formación de nuevas células, estas bacterias consumen 30 veces más C que N2 por lo que la relación optima de estos elementos es de 30:1, aunque a relaciones mas bajas (20:1 estiercol de cerdo) puede lograrse buena producción de biogás. 6. VENTAJAS Entre las múltiples ventajas que existen en el uso de Biodigestores y la necesidad que ha surgido de buscar alternativas de reciclaje, se resalta principalmente el uso de estos en la contribución a la reducción de problemas de contaminación y optimización en el uso de aquello que se considera desechos, ayudando el aprovechamiento de estos a la minimización de impactos ambientales ocasionados por la mala disposición de excretas, residuos orgánicos, buscando un equilibrio ambiental. La instalación de Biodigestores representa también un beneficio económico, ya que produce gas metano, el cual puede ser utilizado para la calefacción y la iluminación, reduciendo así el uso de energía eléctrica convencional, siendo una forma de producir energía menos contaminante, contrario lo que sucede con el uso de combustibles fósiles. Reducen la contaminación ambiental al convertir las excretas de origen animal en residuos útiles, logrando la protección del suelo, de las fuentes de agua y pureza del aire, ya que dichas excretas contienen microorganismos patógenos, larvas, pupas de invertebrados que sin un buen uso podrían convertirse en plagas y enfermedades representativas para las plantas, animales y humanos. La utilización del efluente como bioabono con un alto contenido mineral y buena calidad nutricional para las plantas y para la producción de fitoplancton. El uso de estos bioabonos reduce el uso de fertilizantes químicos, cuya producción y utilización tiene consecuencias negativas para el ambiente. El mejoramiento de las condiciones sanitarias de hogares rurales, por medio de la buena disposición de estos residuos orgánicos.
  • 12. 7. DESVENTAJAS A continuación se presenta algunas desventajas que se pueden mencionar respecto a los biodigestores.  Requiere de un trabajo diario y constante, actividades frecuentes de limpieza, cambio de filtros. [4] Para el tipo de Biodigestor de Flujo Continuo uno de los problemas que se pueden tener de este tipo de biodigestor por usar la funda plástica de doble capa, es que se deben realizar inspecciones periódicas del estado de la cubierta, buscando detectar fugas, rasgaduras y daños en general. También hay que realizar limpiezas en forma periódica, para evitar el crecimiento de plantas y arbustos cercanos al biodigestor que pueden poner en riesgo el plástico. Otros modelos pueden ser de costos elevados, aunque de mayor duración. Dentro de las desventajas es posible identificar dificultades técnicas resultantes de la construcción de biodigestores:  El biodigestor debe encontrarse cercano a la zona donde se recoge la materia orgánica o sustrato; y a la zona en la cual se realiza su consumo. Esto se debe a que el transporte tanto de la biomasa para realizar el proceso, como el biogás y el fertilizante (biol) que se obtienen, aumentarían los costos.  Debe mantenerse una temperatura constante y cercana a los 35 ºC. Esto puede encarecer el proceso de obtención en climas fríos. Debido a que, La temperatura marcará la actividad de las bacterias que digieren el estiércol, y cuanto menor temperatura, menor actividad tendrán éstas, y por tanto será necesario que el estiércol esté más tiempo en el interior del biodigestor. De esta forma la temperatura marca el tiempo de retención [5]. Por ello, es necesario estimar un tiempo de retención según la temperatura a la que se trabaje (Tabla 1). 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 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
  • 13. necesario para que las bacterias que tendrán menor actividad, tengan tiempo de digerir el lodo y de producir biogás. Tabla 2. Tiempo de Retención según la temperatura Fuente: Programa de Desarrollo Agropecuario (PROAGRO). 2008. Bolivia.  En este proceso se obtienen algunos lixiviados como subproductos, tales como el ácido sulfhídrico (H2S), el cual es tóxico, causa malos olores y es corrosivo, una de las consecuencias de la disminución del tiempo de vida útil de los equipos. dependiendo del sustrato de partida y de la presencia o no de bacterias sulfatorreductoras. La presencia de SH2 hace que se genere menos CH4, disminuyendo la capacidad calorífica del biogás y encarece el proceso por la necesidad de depurarlo. El tratamiento de este subproducto se lleva a cabo con la instalación de un filtro para la retención del mismo, El tamaño del filtro y su capacidad estará en función del volumen de biogás producido y de la concentración en partes por millón (ppm) del ácido sulfhídrico y se instalará antes del medidor del flujo de biogás y la línea de alimentación en donde se ubique el equipo de generación de electricidad y/o el aprovechamiento térmico (motogenerador, caldera, entre otros). El filtro se deberá reemplazar con cierta periodicidad, conforme a las indicaciones del fabricante para asegurar que la retención y la concentración del ácido sulfhídrico (ppm) que contiene el gas que está entrando a los equipos de aprovechamiento sea el indicado por los fabricantes de estos equipos. Otra alternativa es la colocación de sellos de seguridad en los cuales se debe incluir un bombril o un estropajo húmedo para capturar el ácido sulfhídrico, causante de posibles malos olores (ver Grafica 3). este Filtro también se debe reemplazar con cierta periocidad.
  • 14. Grafica 3. Sello de seguridad donde se incluye el bombril o el estropajo para retener el H2S En caso de no contar con las medidas de seguridad se puede correr el riesgo de causar explosión. Esto es debido a el no cumplimiento de las normas de instalación de suministro de gas combustible destinado a usos residenciales y comerciales (NTC 2505) [2]: - El material de las tuberías debe resistir la acción del gas y del medio exterior con el que están en contacto, de lo contrario, las tuberías deben estar protegidas - Los sistemas de tuberías para suministro de gases combustibles deben ser totalmente independientes - El trazado de las tuberías en ningún momento debe afectar los elementos estructurales de la edificación tales como vigas y columnas 8. CONCLUSIONES  La utilización de biodigestores ofrece grandes ventajas para el tratamiento de los desechos orgánicos de las explotaciones agropecuarias, además de disminuir la carga contaminante de los mismos, extrae gran parte de la energía contenida en el material mejorando su valor fertilizante y controlando, de manera considerable, los malos olores.  El impacto del biodigestor económico es inconstante. la adopción de la técnica y los resultados exitosos depende de aspectos como localización (disponibilidad de combustible tradicional) y la manera en la que la tecnología se introduce, adapta y mejora según las condiciones locales y técnicas  La tecnología del biogás no ha sido totalmente desarrollada en las zonas rurales del país, en parte porque no se han realizado las inversiones como tampoco se ha suministrado una tecnología lo suficientemente aceptable para el usuario.
  • 15. 9. BIBLIOGRAFIA [1.]http://compinformatidf.files.wordpress.com/2009/09/trabajofinal080909.pdf [2].http://www.inifapcirpac.gob.mx/publicaciones_nuevas/Implementaci%C3%B3n %20de%20Biodigestores%20para%20peque%C3%B1os%20y%20medianos%20p roductores%20porc%C3%ADcolas.pdf [3].http://www.unac.edu.pe/documentos/organizacion/vri/cdcitra/Informes_Finales_ Investigacion/Octubre_2011/IF_DECHECO%20EGUSQUIZA_FIPA/CAPITULO%2 0N%BA%2005.pdf [4]. Fideicomiso de Riesgo Compartido (FIRCO).Especificaciones técnicas para biodigestores pequeños tipo laguna. 2013. Mexico. [5] Programa de Desarrollo Agropecuario (PROAGRO), Biodigestores Familiares – Guía de diseño y manual de instalación, Bolivia. 2008. BIOCYCLE. Marina, California pilot anaerobic digester for SSO. California, 2013, vol. 54 Issue 3. JOURNAL OF ENVIRONMENTAL ENGINEERING. S. Phoolphundh , K. Hathaisamit and S. Wongwises.Performance of two-stage upflow anaerobic sludge blanket reactor treating wastewater from latex-processing factory. 2013, p141. JOURNAL OF ENVIRONMENTAL ENGINEERING. Alawi S, Zainuri B, Meisam T, The effect of higher sludge recycling rate on anaerobic treatment of palm oil mill effluent in a semi-commercial closed digester for renewable energy. 2009, Vol. 5 Issue 1, p57. INTERNATIONAL JOURNAL OF ENVIRONMENT AND POLLUTION. Kothiyal Sapna Sethi Arvind K. Nema. Stabilisation of municipal solid waste in bioreactor landfills - an overview. 2013, p18. JOURNAL OF ENVIRONMENTAL ENGINEERING. Influence of discontinuing feeding degradable cosubstrate on the performance of a fluidized bed bioreactor treating a mixture of trichlorophenol and phenol. 2012, p527.