Biodigestión

5/13/2018 Biodigesti n - slidepdf.com

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Gabriel Enrique Leal Documento 040711

Tecnología de biogás y biodigestores Rev.03 05/02/09

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PRODUCCIÓN DE

GAS METANO Y ABONO ORGÁNICOPOR MEDIO DE BIODIGESTORES





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TABLA DE CONTENIDO





1 ASPECTOS TÉCNICOS

1 OBJETO

El objetivo principal de este documento es proveer información técnica básica parala gestión sostenible de las basuras orgánicas y el estiércol, tanto en el sector rural como en

el urbano, mediante la utilización de biodigestores y la producción de biogás y abonoorgánico a partir de estos residuos.





2 REFERENCIAS NORMATIVAS

No se han encontrado normas específicas para el tema. Se recomienda tener encuenta las normas relativas a instalaciones a gas en lo referente a tuberías de conducción,mangueras, acoples y demás componentes del sistema, contenidas en las Normas TécnicasColombianas – NTC- citadas a continuación.

NTC 1746. Tubos de polietileno para conducción de gases a presión enconstrucciones y obras civiles.

NTC 2505. Instalación para suministro de gas en edificaciones residenciales ycomerciales.

NTC 3458. Higiene y seguridad. Identificación de tuberías y servicios.

NTC 3527. Reglas comunes aplicables a la construcción y ensayo de los artefactosque emplean gases combustibles para usos domésticos, comerciales e industriales.

NTC 3728. Gasoductos. Redes de Distribución Urbana de Gas.

NTC 3631. Ventilación de recintos interiores donde se instalan artefactos que

emplean gases combustibles para uso doméstico, comercial e industrial.

NTC 3567. Ductos metálicos para la evacuación por tiro natural de los productos dela combustión de gas.

NTC 3833. Conductos de gas. Especificaciones para el diseño e instalación desistemas para la evacuación de productos de la combustión de los artefactos de gas para usodoméstico, comercial e industrial.

NTC 3838. Gasoductos. Presiones de operación permisibles para el transporte,distribución y suministro de gases combustibles.

NTC 4282. Instalación para suministro de gas en edificaciones industriales.





3 DEFINICIONES1

3.1 Biogás

Es la mezcla de gases producidos por bacterias metanogénicas que transformanmaterial biodegradable durante la digestión o fermentación de la materia orgánica en ausencia deaire y específicamente de oxigeno, es decir en condiciones anaerobias. Está compuesto de 60 a

80% de metano, conocido también como gas natural o gas Grisú; 30 a 40% de dióxido decarbono y trazas de otros gases como nitrógeno, ácido sulfhídrico, monóxido de carbono ehidrógeno. El biogás tiene un poder calorífico entre 4.500 y 6.500 kcal/ m3 y es uncombustible confiable si su contenido de metano es superior al 50 % (Sasse et al 1991).

Tabla 1 - Composición del biogásComponente PorcentajeMetano 60 – 80Gas Carbónico 30 – 40Hidrógeno 5 – 10Nitrógeno 1 – 2Monóxido de Carbono 0 - 1.5

Oxígeno 0,1Ácido Sulfhídrico 0 – 1Vapor de agua 0,3

Características del MetanoDensidad 1,09 kg/m3Solubilidad en agua BajaPresión crítica 673.1 Psia*Temperatura crítica 82,5ºC*Poder calorífico 4500 a 6500 kcal/ m3

En términos generales se lo define como una mezcla de gases cuya composiciónvaría de acuerdo con los detalles de su producción (Hesse 1983;).

Entre sus propiedades físicas mas notorias se encuentra su capacidad de quemarsecasi sin olores, con llama azul y un calor de combustión equivalente a 21,5 MJm-3 (573

1 A partir de: Unidad de Planeación Minero Energética. Formulación de un Programa Básico deNormalización para Aplicaciones de Energías Alternativas y Difusión. Documento ANC-0603-19-01. Guíapara la Implementación de Sistemas de Producción de Biogás. Versión 01. Unión Temporal ICONTEC – AENE. Bogotá, D.C., Marzo de 2003





BTU por pie cúbico o 5.135 kcalm3), valor que puede variar entre 19,7 y 23 MJm3. Sutemperatura de auto-ignición es similar a la del metano puro y varía de 923 K hasta 1.023 K(650-750 C). Como media, el biogás no purificado produce de 20 a 23 MJm3 (4.700-5.500kcalm3) (Hesse 1983).

Un metro cúbico de biogás totalmente combustionado es suficiente para2: generar 1.25 kw/h de electricidad 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

En principio, todos los motores pueden ser adaptados a biogás, pero los más usadosson los motores de gas-Otto y los de gas-Diesel (Dohne 1998). Un metro cúbico de biogáspuede compararse con 0.4 kg. de aceite diesel, 0.6 kg. de petróleo o 0.8 kg de carbón.

Su presión de almacenamiento define la distancia a la que se puede transportar através de tuberías. Con una presión de 0.8 kN m2 (8 cm de columna de agua) se puedetransportar 1 m3

de biogás por hora en una tubería de 1.27 cm (1/2”) a una distancia de 20

m; en tuberías de 1.91 cm (3/4”) a 150 m de distancia ; en una tubería de 2.54 cm (1”) a500 m. Si se aumenta el diámetro de conducción, las distancias se deben disminuir.

3.2 Caloría

Cantidad de calor necesario para elevar un grado centígrado un gramo de agua. Enesta unidad se expresa también el contenido energético de los alimentos, pero se emplea unmúltiplo de ella, la Kilocaloría. Una Kilocaloría (Kcal) equivale 3,96800 BTU, sigla deBritish Thermal Unit. Es una unidad para medir la cantidad de energía contenida en unmaterial dado. Técnicamente un BTU es la cantidad de calor requerida para subir un gradoFahrenheit la temperatura de una libra de agua.

2 Principales usos del biogás según Hesse (1983)





3.3 Carga del Digestor

Esta indica el volumen de biomasa que se introduce al sistema o el material quedebe ser procesado y con que frecuencia. Las plantas de biogás domésticas y de pequeñasgranjas se alimentan con cargas de hasta 1,5 m3 /día.

Las plantas con cargas mayores pueden requerir control de temperatura y agitaciónmecánica.

3.4 Contenido Total de Sólidos

Indica la fracción del peso total de sólidos orgánicos en la mezcla acuosa. Seexpresa en porcentaje

3.5 Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO)

Medida del oxigeno requerido por las bacterias para la oxidación de la materiaorgánica presente en las aguas.

3.6 Digestión Anaerobia

Proceso de oxidación y transformación de la materia orgánica en gas y lodos, enausencia de aire, que se realiza en la naturaleza como parte de la cadena alimenticia de

ciertos microorganismos (bacterias anaerobias). El gas resultante en este proceso se conocecomo biogás. El proceso de digestión tiene lugar en un digestor sellado el cual crea lascondiciones ideales para que las bacterias metanogénicas fermenten el material orgánico sinpresencia de oxigeno. Durante este proceso el 30 a 60% de la materia orgánica esconvertida en biogás.





3.7 Digestión Criofílica

Se realiza a temperaturas entre 10 ºC y 20 ºC. A esta temperatura la reacción esmuy lenta y casi nula, la carga debe permanecer en el digestor más de 100 días; laproducción de Metano se detiene debajo de los 17 ºC.

Este es el principio utilizado por los refrigeradores domésticos para conservar,alimentos perecederos, entre los 4 ºC a 6 ºC. Por debajo del punto de congelación del aguacesa completamente cualquier fermentación, por lo cual, la carne congelada se conserva casiindefinidamente.

3.8 Digestión Mesofílica

Se realiza a temperaturas entre los 17 ºC y 40 °C (60 – 104 ºF). Con una temperaturaóptima de 35 – 37 ºC (95-99 ºF), la carga debe permanece en el digestor 15 a 30 días. Estetipo de proceso tiende a ser más confiable y tolerante que el proceso termofílico, pero laproducción de gas es menor y se requieren digestores de gran tamaño.

A esta temperatura la fermentación es rápida y efectiva desde el punto de vista de

velocidad de degradación de la materia orgánica. Es por esta razón que los alimentos sepudren rápidamente en tierra caliente cuando no están refrigerados.

3.9 Digestión Termofílica

Se realiza a temperaturas mayores entre los 40 ºC y 64 ºC ( 104-149 °C) en untiempo de 12 a 14 días. La producción de metano es más alta, los caudales más rápidos,mejor eliminación de patógenos y virus, pero requieren tecnología más costosa, consumen

más energía y requieren mayor asistencia y monitoreo.

A una temperatura ideal de 55 ºC la fermentación es extremadamente rápida yefectiva, pero también es supremamente sensible a los cambios bruscos de pH y temperatura.En el rango criofílico el estiércol del ganado tardaría aproximadamente 120 días endegradarse, mientras que en el mesofílico, puede durar entre 40 y 55 día y en el rangotermofílico la operación tardaría unos 4 a 5 días. Se deduce entonces que con un control





adecuado de temperatura de la masa en fermentación, se puede lograr una aceleraciónconsiderable en la velocidad del proceso.

3.10 Efluente

Subproducto de la digestión anaerobia el cual es una solución orgánica estabilizadaque puede ser utilizada como fertilizante, para riego y piscicultura.

3.11 Estiércol Líquido

Es el orín de los animales que tiene un contenido de sólidos de menos de 3%. Elorín se “lava” utilizando agua fresca o reciclada. Estos residuos también pueden utilizarsepara la obtención de biogás en climas cálidos.

3.12 Estiércol

Son las heces fecales de los animales. En general el estiércol posee un contenido desólidos de 8% a 25%, dependiendo del tipo de animal. Este puede ser mezclado con aguapara ser alimentado al digestor en relación de 10 a 1.

3.13 Gas Metano

Es un hidrocarburo conocido también como gas de los pantanos. Es más ligero queel aire, incoloro, inodoro e inflamable. Se encuentra tanto en el gas natural como en el gasgrisú de las minas de carbón, en los procesos de las refinerías de petróleo y como productode la descomposición de la materia orgánica y en los pantanos. Es apreciado comocombustible y tiene un punto de fusión de 182,5 °C y un punto de ebullición de 161,5 °C.En el aire se encuentra en pequeñas cantidades y su presencia en la atmósfera contribuye





notablemente al calentamiento global del planeta y al cambio climático por lo que se leconsidera como gas de invernadero. Su fórmula es: CH4.

3.14 Grado de Digestión

Este indica cuánto gas se obtiene en comparación con la producción potencial. Ladiferencia con el 100% indica qué cantidad de materia orgánica no ha sido procesada. Enplantas de biogás sencillas, el grado de digestión alcanza alrededor del 50%. Esto significaque la mitad de residuos orgánicos queda sin aprovechar y salen como fertilizantes en elefluente.

3.15 Masa de Agua

Cantidad de agua necesaria para mezclar con la materia prima con el fin de obtenerla carga diaria al digestor, en las condiciones de mezcla de 10 partes de agua por 1 desólidos orgánicos.

3.16 Masa Orgánica Seca (SO)

Es el contenido de materia orgánica de un estiércol expresado como masa orgánicaseca. Para el proceso de digestión son importantes sólo los componentes orgánicos ovolátiles de los residuos orgánicos, por lo tanto se trabaja solamente con la parte orgánicadel estiércol.

3.17 Materia Prima

Es la totalidad de residuos orgánicos que pueden recolectarse y que pueden serutilizados para cargar el biodigestor. Esta guía utiliza los términos residuos orgánicos y





materia prima para destacar la importancia de considerar este material como un recursorenovable (biomasa).

3.18 Niveles de Amoniaco

Concentración de iones NH4 en la mezcla acuosa (agua más estiércol) utilizada paracargar el biodigestor, este parámetro cobra importancia cuando se utilizan determinadosmateriales que contienen un alto porcentaje de nitrógeno, como es el caso del estiércol deaves, el cual acidifica la carga del biodigestor e inhibe el proceso de gasificación.

3.19 pH

Concentración de íones hidrógeno (H+) o hidróxidos (OH+) que determinan laacidez o basicidad de una sustancia. El pH se mide de 0 a 14 siendo 7 una solución neutra,de 0 a menor de 7 ácida y mayor de 7 a 14 básica. La concentración de CO2 en la carga, laconcentración de ácidos volátiles y la propia alcalinidad de la materia prima hacen variar elpH del biodigestor.

3.20 Potencial de Producción de Biogás

Se refiere al volumen de gas teóricamente obtenible de una materia prima, enfunción de la producción específica y de la cantidad disponible de materia orgánica seca.Aunque el producido no puede juzgarse independientemente de otras variables del proceso.

3.21 Producción Específica de Gas

Es la cantidad de gas medido en m3 que se obtiene de un biodigestor por unidad demasa orgánica seca alimentada al mismo. En la práctica ella indica la producción de gasque se obtiene de una determinada materia prima durante un tiempo de retención dado y ala temperatura de operación del digestor.





3.22 Relación Carbono Nitrógeno

Proporción entre el carbono y nitrógeno presentes en la mezcla de carga. La

literatura reporta que la relación Carbono/Nitrógeno está ligada directamente a laproducción, entre mayor sea esta relación y se ajuste al intervalo recomendado (20 a 30partes de carbono por una de nitrógeno) mayor será la producción de gas por unidad demateria útil. Esta es una de las razones por las cuales el estiércol animal constituye lamateria prima de mayor difusión.

3.23 Sólidos Totales (ST)

Es el contenido de sólidos totales presentes en un estiércol, orín o material orgánicoque se alimenta a un biodigestor, se expresa en porcentaje o peso de sólidos secos.

3.24 Tiempo de Retención (TR)

Es el lapso (en días) durante el cual la carga alimentada permanece en el digestor y

es el tiempo necesario para la digestión del material orgánico a la temperatura de operacióndel digestor. El TR es inversamente proporcional a la temperatura.





4 TECNOLOGÍA DE PRODUCCIÓN DE BIOGÁS

4.1 PROCESOS DE FERMENTACIÓN EN UNA ETAPA

4.1.1 Lagunas de Oxidación

Estas lagunas o lagos de estabilización para aguas residuales y desperdicioscontaminantes en general, han sido práctica común en muchas partes del mundo y usadasdurante varios siglos.

En estos lugares ocurren dos tipos de fermentación al tiempo. En la superficie yhasta cierta profundidad el proceso es Aeróbico, debido a la interacción del Oxígeno delaire con el Agua y la acción del viento en la superficie de la laguna. Se produce eldesprendimiento de gases en forma de Dióxido de Carbono (CO2) y Amoníaco (NH3).

En las partes más profundas, aproximadamente 1,5 metros, el proceso es Anaeróbio,

con desprendimiento de Gas Metano (CH4), Dióxido de Carbono (CO2) y Acido Sulfhídrico(H2S) en pequeñas cantidades.

Este sistema tiene dos inconvenientes, el mal olor producido por los gases que salena la atmósfera y la gran extensión que ocupan.

En lagunas pequeñas es posible cubrir la superficie con aceite o algún tipo de grasapara lograr una única y mayor actividad de fermentación anaeróbia y disminuir la DemandaQuímica de Oxígeno (QOD) y la Demanda Biológica de Oxígeno (BOD) de las aguasnegras que entran en ellas, su profundidad se puede incrementar hasta 4 - 5 metros;funcionan como enormes colectores solares pasivos, absorviendo energía y aumentando la

temperatura interna, lo cual lógicamente, acrecienta su velocidad de reacción y porconsiguiente su efectividad.





4.1.2 Rellenos Sanitarios

En la mayoría de ciudades del mundo la disposición de desechos sólidos se ha

realizado mediante rellenos sanitarios, unos construidos técnicamente y otros, los más,simplemente acumulando las basuras indiscriminadamente sobre un lote de terreno.

Actualmente, estos rellenos brindan la posibilidad de producir Gas Metano de laBiomasa con alto contenido de sólidos, tal como se presenta en los desperdicios de lasindustrias alimenticias y los sobrantes de cosechas.

Tal como ocurre con las lagunas de oxidación, en la parte superior de los rellenos seproduce una fermentación Aeróbia y en las inferiores una Anaeróbia, causa de los malosolores que se perciben en los alrededores de los rellenos.

Este sistema, causa la contaminación de las aguas subterráneas por el deslave decompuestos solubles que arrastran las aguas lluvias, afectando la acidez del terreno con laconsiguiente destrucción de la vegetación y descarga de microorganismos que en muchoscasos son de tipo patógeno. Estas condiciones también afectan la alcalinidad, acidez ydureza de las aguas superficiales y subterráneas expuestas a su contacto.

El Barrio Class de Bogotá fue construido sobre un relleno sanitario; sus habitantesaprovecharon el gas metano al enterrar en el suelo un tubo perforado de unas 2" dediámetro y obtener un flujo de Gas combustible que llevado adecuadamente hasta estufas yfogones servía para la cocción de alimentos.

4.1.3 Pozos Sépticos

Es el más antiguo y sencillo digestor anaeróbio que se conoce, utilizadonormalmente para la disposición de aguas negras domésticas. Se cree que de allí deriva eluso potencial de los gases producidos por la fermentación anaeróbica, para el usodoméstico.

En la ciudad de Exeter, Inglaterra, se utilizó en el año de 1895, el gas de un pozo"debidamente diseñado", para el alumbrado público de las calles. Posteriormente, durantela década de 1920 varios equipos de estos se construyeron y utilizaron en diferentes lugaresde Inglaterra.

En otra ciudad, Birmingham en 1911, el principio de operación de los pozossépticos proporcionó la base tecnológica para diseñar una de las primeras plantas de





digestión Anaeróbica, capaz de manejar las aguas negras de una gran ciudad y producirelectricidad. De allí partió la tecnología básica de fermentación anaeróbica que operaactualmente en ciudades como Miami, Chicago, Los Angeles y Washington en los EstadosUnidos.

Para la correcta operación de estos pozos es requisito indispensable aislar las aguasnegras que caen en él, de las que contienen jabón o detergentes, siendo éste uno de loserrores más comunes en la construcción de pozos; las viviendas conectan todos losdesagües de duchas, lavamanos, lavaderos y lavaplatos con la cañería de aguas negras queconduce al pozo séptico. El efecto de los jabones y en especial los detergentes, inhibe laacción metabólica de las bacterias, razón por la que los pozos se colmatan con rapidez ydejan de operar, haciendo necesario destaparlos frecuentemente para recomenzar laoperación.

Cuando no es posible separar las aguas negras de las jabonosas, como en el

alcantarillado urbano, es necesario hacer un tratamiento químico con Polímetros a las aguasnegras a fin de solucionar el problema antes de iniciar la fermentación anaeróbica.

La tecnología de los biodigestores permite producir biogás y fertilizante líquido,mediante el tratamiento de desechos orgánicos, por el proceso de digestión anaerobia. Estetipo de fermentación es un proceso natural, que ocurre en ausencia de oxígeno (sin aire) yproduce, como resultado final, un gas combustible conocido como Biogás o gas Metano(CH4) y Dióxido de Carbono (CO2), además de un efluente líquido alcalino que es unexcelente abono orgánico. Aunque es conocido por el hombre desde tiempo atrás ha sidopoco utilizado, especialmente en países del continente suramericano.

En el desarrollo de este proceso ocurren simultáneamente tres etapas dentro delsistema:

1. Primera EtapaOcurre una hidrólisis generalizada de la materia orgánica compleja adicionada al

digestor, realizada por encimas producidas por diversas bacterias: proteolíticas, lipóticas y

carbolíticas, que destruyen inicialmente las proteínas, grasas y carbohidratos presentes.

2. Segunda EtapaEl producto de la primera etapa, es tomado por un segundo tipo de bacterias,

conocidas generalmente como acidogénicas, que transforman la materia orgánica

hidrolizada, en ácidos orgánicos de bajo peso molecular, principalmente ácido acético(CH3COOH) y ácido propiónico (C2H5COOH).

3. Tercera EtapaLos ácidos de bajo peso molecular obtenidos, son a su vez tomados por un tercer

grupo de bacterias, llamadas propiamente metanogénicas, que los transforman en GasMetano y Dióxido de Carbono.





El comportamiento microbiológico es más complejo que estas tres etapas; dentro deun biodigestor en operación ocurren multitud de reacciones y fermentaciones simultáneasde docenas de bacterias diferentes, que trabajan de forma simbiótica y elaboran granvariedad de productos, que a su vez son tomados por otras bacterias que retransforman para

otros grupos. Por lo anterior, con el Bio Gas se encuentran trazas de Hidrógeno (H2),Nitrógeno (N2), Acido Sulfhídrico (H2S) y otros. Cualquier cambio brusco que ocurradentro del digestor en funcionamiento destruirá el delicado equilibrio establecido en elsistema y el proceso se detendría o desviaría la reacción para otro lado.

Casi un 75% del Gas Metano producido durante el proceso, proviene del ácidoacético formado en los pasos intermedios. El Hidrógeno producido por algunas bacterias serecombina en forma casi instantánea con Dióxido de Carbono para formar Metano y Aguaen un proceso llamado de Bio metanización.

Varios factores alteran el proceso de fermentación anaeróbia; el más importante de

ellos es el cambio en la acidez del sistema. El punto óptimo de fermentación está entre los7.2 y 7.8 de la escala de pH, es decir un tanto alcalino.

Una vez establecida la reacción metanogénica total, con la adición de las bacteriasadecuadas en cantidad y calidad suficientes y se haya estabilizado el pH de la misma porencima de 7.2, la reacción es muy estable y la gran cantidad de Bio masa en fermentaciónactúa como una solución Buffer, que se opone a cualquier cambio brusco dentro de ella. Sipor algún motivo se llegara a bajar el pH a 6.5 o menos, cesa completamente la producciónde Metano, pero la fermentación continuaría, produciendo principalmente Dióxido deCarbono.

Otro factor importante a tener en cuenta para la adecuada fermentación es latemperatura de la masa durante el proceso, en tres rangos de operación bien definidos:

1. El criofílico, que opera por debajo de los 15 ºC (59 ºF).

2. El mesofílico, opera entre los 17 ºC y los 40 ºC (60 a 104 ºF).

3. El termofílico, que opera a temperaturas entre los 40 a 64 ºC (104 a 149 ºF)con un ideal de 55 ºC.

El grado y la calidad de la agitación interna que se logre, es otro factor que ayuda a

mejorar y acelerar la eficiencia de la fermentación anaeróbica, pues da oportunidad a lasbacterias de estar en contacto con material no digerido.

Un factor limitante del proceso anaeróbio es el de la presión total de operación.Cuando la presión hidrostática a que están sometidas las bacterias es superior a 4 PSI, suvelocidad de trabajo se reduce en un 50%. Con el aumento de presión disminuye elrendimiento pero no llega a detenerse el proceso.





En digestores sencillos, cuyo ancho es menor que la profundidad y sin más efecto deagitación que el burbujeo del gas producido, cuando sube a la superficie, no se debesobrepasar una profundidad efectiva de líquido de 3.6 metros. Si se ha de sobrepasar esta

profundidad, es necesario proporcionar agitación mecánica para que las bacterias puedanoperar a diferentes profundidades.

4.2 GENERALIDADES DEL PROCESO

Inicialmente la carga (residuos orgánicos previamente recolectados y tratados) seadiciona al digestor por medio de un tanque de carga. La digestión anaerobia tiene lugar enel digestor (tanque sellado) el cual crea las condiciones ideales para que las bacteriasfermenten el material orgánico en condiciones libres de oxigeno. Es posible que el digestor

necesite de calentamiento y de agitación para lograr dichas condiciones y para que de estamanera las bacterias conviertan la materia orgánica en biogás. Durante este proceso entreel 30 y 60% de los residuos orgánicos se convierten en biogás.

El biogás producido es atrapado en la parte superior del digestor y es removidodejando una tubería por la cual sale el gas colectado. Se utiliza un medidor de gas paramonitorear el flujo de gas. Algunas veces se necesita un lavador de gases para limpiarcomponentes corrosivos contenidos en el biogás como el ácido sulfhídrico. Ya que elespacio de almacenamiento de gas es limitado (Volumen bajo la cubierta), se utiliza unregulador de presión que controla el exceso de presión desde la cubierta. El biogás calientese enfría a medida que viaja a través de la tubería y que el vapor de agua en el gas se

condensa. Un drenaje remueve el condensado producido.

Cuando la producción de biogás es continua este puede ser almacenado en untanque, donde se recomienda su recolección y/o combustión; el biogás se utiliza paragenerar calor o electricidad o ambos.

Otro subproducto de este sistema es el efluente, el cual se puede almacenar para serutilizado como agua para riego o fertilizante líquido.

Como se presenta en la Figura 1, un sistema de biogás se compone de los siguientessubsistemas:

Sistema de recolección de residuos Digestor Sistema de almacenamiento del efluente Sistema de conducción de biogás Equipos o sistemas de utilización del biogás





Figura 1. Componentes de un sistema de Biogás

4.3 ORIGEN Y RECOLECCIÓN DE RESIDUOS3

Los biodigestores son una alternativa de manejo de residuos para su recolección yalmacenamiento por restricciones de tipo sanitario, ambiental y operacional. Estos residuospueden ser líquidos, semisólidos o sólidos y deben ser acondicionados antes de iniciar elproceso de producción de biogás, para lograr las mejores condiciones de la carga y permitirasí el desarrollo y la acción de las bacterias. La preparación previa a que se someten losmateriales depende de su naturaleza.

El tamaño de las instalaciones es un indicador primario de sí la recuperación debiogás será económicamente factible. Las instalaciones grandes generalmente producensuficientes residuos, de manera continua, para mantener un proyecto de biogás. Lasinstalaciones agropecuarias por ejemplo, tienen rendimientos de biogás predecibles ydisponibles para utilizar como energía, en cualquier época. Debe anotarse que el criterio detamaño no es absoluto y algunas fincas pequeñas también pueden realizar exitosamenteproyectos de recuperación de biogás.

La utilidad y costos de un biodigestor se deben evaluar por la producción de biogásy los demás beneficios, tales como tratamiento de aguas, disposición de desechos y la

disponibilidad de agua para riego y fertilizante líquido.

Aunque su potencial de uso se extiende al sector urbano y su aplicación enagricultura urbana puede constituir una solución alternativa interesante en la ormulación de

3 Adaptado de: A Manual For Developing Biogás Systems at Commercial Farms in the United States,AgStar Handbook, First edition, EPA, US, Julio 1997, Chapter 2.





proyectos de seguridad alimentaria, por el momento la producción de biogás se adaptamejor en fincas que recolectan residuos líquidos o semi sólidos los cuales tienen poca oninguna disposición. Esto hace que las condiciones para recolectar los residuos asegurenuna alimentación continua al digestor y una producción de gas también continua.

4.3.1 Origen de los Residuos

El origen de los residuos puede ser rural o urbano. Los residuos orgánicos que sepueden encontrar en granjas o fincas pueden provenir de las siguientes fuentes:

Animales: Estiércol y orín de ganado (vacuno, porcino, equino, etc.),

gallinaza. Residuos del procesamiento de vegetales. Otros materiales, cuya composición debe ser evaluada ya que pueden afectar

el funcionamiento del sistema. Una evaluación ambiental debe identificar elimpacto de la utilización de las diferentes materias primas, las cuales puedenser:

Residuos industriales orgánicos: de industrias de bebidas(Cervecerías), de industrias piscícolas, de industrias de papel ytextiles (Arcilla blanqueadora), de industrias lácteas (Suero lácteo),de hatos (elaboración de queso y yoghurt).

Residuos de semillas oleaginosas Excrementos humanos

Los residuos sólidos urbanos – RSU- se clasifican en ordinarios, peligrosos,hospitalarios, escombros y lodos, como se aprecia en el cuadro No.1 a continuación. A suvez es necesario clasificarlos por su origen y por su tipo, debido a que en las ciudades seproducen una gran variedad de residuos que en las zonas rurales son escaso cuando noinexistentes.

De éstos, los residuos ordinarios orgánicos son utilizables en los procesos dedigestión anaerobia para la producción de biogás y de abono orgánico.





Cuadro No.1 Clasificación de los residuos sólidos urbanos

Es importante tener en cuenta que las sustancias tóxicas presentes en las materiasprimas deben ser mínimas y que ciertos materiales no deben ser cargados al digestor ya queinterrumpen o retardan el proceso. Los materiales tóxicos que inhiben la digestión son porejemplo el amonio, los residuos de pesticidas, metales pesados, aceites y grasas.

Los residuos deben estar libres de sólidos y otros materiales como arena, rocas y

piedras. Algunos materiales sólidos como el aserrín o la paja muchas veces se mezclan conlos residuos. La aglutinación de sólidos bloquea las tuberías del digestor y obstaculiza laoperación. Solamente una pequeña cantidad de sólidos es tolerada por la mayoría dedigestores y en muchos casos se debe eliminar o reducir la adición de sólidos a losdigestores, mediante la construcción de un sedimentador antes del ingreso de la materiaprima.

Así mismo, otros materiales como residuos medicinales (Antibióticos) detergentes,ácidos o bases, sustancias con elementos halógenos, etc., pueden ser nocivos para la acciónde las bacterias anaerobias. Aunque estos materiales no han sido un problema eninstalaciones de digestores a gran escala, no se han determinado límites para estos

componentes, por lo que se debe evitar que este tipo de sustancias se añadan a los residuosconque se carga el digestor.

CATEGORÍA ORÍGENTIPÓ

ORGÁNICO INORGÁNICO PELIGROSOS

Residuosordinarios

ResidencialesPequeños productores

Grandes productores

Plazas de mercado

Barrido y limpieza áreas públicas

Residuos verdes

Residuospeligrosos

Residenciales, pequeños productores

Industriales, sector servicios

Residuoshospitalarios

PatógenosAnatomopatológicos

Escombros

Excavaciones

Materiales inertes de obraResiduos de obra

LodosTratamiento de aguas residuales

Limpieza sistemas de alcantarillado





4.3.2 Almacenamiento de los Residuos

La materia prima puede ser almacenada cerca al digestor o en otro sitio, aunque la

necesidad de minimizar el transporte afectará la decisión de ubicar el punto dealmacenamiento o el biodigestor. Los residuos orgánicos necesitan instalaciones dealmacenamiento apropiadas, las cuales deben planearse de acuerdo a las condiciones yregulaciones ambientales, de higiene y seguridad.

Generalmente, muchas comunidades urbanas marginadas o instalacionesagropecuarias recolectan los residuos en un solo punto de almacenamiento. Estasinstalaciones que recolectan y entregan los residuos en un punto en común cada día o cadatercer día son las mejores candidatas para implementar la tecnología de producción debiogás. El punto en común puede ser una laguna, piscina, pila, tanque (para reducir elescape de olores) u otra estructura similar. Para esto, se deben tener en cuenta las

siguientes recomendaciones:

Recolectar residuos en un solo punto hace más fácil cargar el digestor. Eneste punto, los residuos pueden ser mezclados con agua y homogeneizadosantes de que entren al digestor.

Si la instalación no tiene un punto en común de recolección, se debe evaluar laposibilidad de unir los puntos de producción o de recolección. Si hay dos otres puntos de producción o de recolección de importancia, puede ser posibleutilizar más de un biodigestor.

4.3.3 Cantidad de Residuos

El principal propósito del manejo y control de la carga al digestor es maximizar lacalidad y cantidad de los productos y por tanto de los beneficios ambientales y económicosde ésta. Dependiendo del producto que se desee obtener se afectará el criterio de calidad dela materia prima.

Cualquiera que sea el producto que se necesite, biogás o efluente, los otros serán

afectados. Se debe realizar un balance ya que el sistema podrá ser viable solamente si seaprovechan todos los productos del biodigestor.

Aunque existen muchos factores que influyen en la producción de biogás a partir deresiduos orgánicos, la cantidad y calidad de los residuos recolectados determina la cantidadde biogás a ser producido. La cantidad de residuos producidos está directamenterelacionada con el número de animales o el tipo de basuras que se generen, sin embargo, se





tiene una mayor producción de biogás, si los residuos son frescos y se alimenta elbiodigestor con regularidad, evitando los contaminantes. De acuerdo con esto, la cantidadde animales (ganado vacuno, porcino, etc.) o de basuras orgánicas condicionan el potencialde producción de biogás y su proporción condicionan qué otros detalles técnicos se deben

tener en cuenta.

En instalaciones agropecuarias, se debe mantener como número mínimo 2 – 3animales productores de residuos, como vacas, cerdos o caballos entre otros etc.), lasinstalaciones deben mantener esta población relativamente constante en el año, lo cualasegurará que una cantidad consistente de materia orgánica este disponible, de lo contrario,las bacterias morirán de inanición. La cantidad de residuos recolectados es crítica para elfuncionamiento del digestor. Si la cantidad de residuos producidos diariamente es mayorque la capacidad de diseño se reducirá el tiempo de retención disminuyendo la producciónde biogás y si es menor la población bacteriana disminuirá por la falta de alimento.

Para maximizar la producción de biogás, los factores clave serán el contenido dematerial orgánico y el contenido total de sólidos de la mezcla de carga. El contenido totalde sólidos depende del tipo de animal que produce el residuo y de la estrategia de manejode residuos. La fisiología del animal y el régimen alimentario determina el porcentaje desólidos orgánicos. El estiércol puede tener un contenido total de sólidos de 8 a 25%,dependiendo del tipo de animal. Adicionar agua fresca, agua residual o inyectar aguareciclada disminuye el contenido total de sólidos, de los residuos recolectados, hastavalores inferiores al 10%, que es lo deseable.

Las instalaciones que recolectan residuos líquidos o semi sólidos son las mejorescandidatas para proyectos de producción de biogás.

Para las instalaciones que manejan residuos sólidos con bajos contenidos de agua ohumedad y de difícil disolución en agua, no es posible adaptar esta tecnología. Éstasnecesitarán incorporar otros sistemas de manejo de residuos; deben considerarse otrasopciones de manejo de residuos como el compostaje.

4.3.4 Calidad de Residuos

La calidad de la materia prima en términos del rendimiento del gas dependerá enparte de su frescura, entre más fresca sea, mayor será el rendimiento del gas y tendrá menospeligro de acidificarse.

Las materias primas ácidas o básicas pueden inhibir o incluso dañar las bacterias enel digestor.





Si bien la digestión anaerobia es un proceso complejo y largo, el cual puedeajustarse a pequeños cambios, los cambios drásticos de materia prima deben evitarse y sedebe tener cuidado en realizar la mezcla con las cantidades de agua recomendadas.

El carbono y nitrógeno presentes en la mezcla de carga debe estar e una proporciónde entre 20 y 30 a 1, es decir 20 a 30 partes de carbono por una de nitrógeno.

4.3.5 Pretratamiento de los Residuos

Las diferentes clases de materia prima requieren diverso tratamiento, según suconsistencia sea sólida o líquida. Algunos ejemplos de pretratamiento incluyen:

Adición de agua hasta lograr una relación de 10 partes de agua por una partede sólidos presentes en los residuos o en la mezcla de carga.

Separación de sólidos inertes y materiales extraños, como ladrillo, arena,gravas, troncos, etc.

Acondicionar los residuos vegetales tales como pasto, paja, hojas, tamo,mediante un proceso de corte o picado fino, molienda, maceración, etc. Losequipos para esto pueden ser costosos.

Mezcla y homogenización de residuos y calentamiento.

4.3.6 Relación Carbono Nitrógeno C/N

Si la relación C/N es alta, el nitrógeno será consumido rápidamente por las bacteriasmetanogénicas para formar proteínas y no reaccionará con el material restante, por tanto laproducción de gas será alta. De otra parte, si dicha relación es muy baja, es decir, donde elnitrógeno sea abundante, el nitrógeno será liberado y acumulado en forma de amoniaco, elcual incrementara el pH de la carga en el digestor. Un pH mayor que 8.5 comenzará amostrar efectos tóxicos en la población de bacterias metanogénicas. Los materiales con una

relación C/N alta pueden mezclarse con aquellos de baja relación C/N para dar la relaciónpromedio deseada a la carga, que es de 20 a 30 partes de carbono por una de nitrógeno.





4.4 CARACTERISTICAS DEL BIODIGESTOR

El digestor es el componente del sistema de biogás que optimiza naturalmente el

crecimiento y proliferación de un grupo de bacterias anaerobias que descomponen y tratanlos residuos dejando como subproducto gas combustible y un efluente liquido rico ennutrientes y materia orgánica estabilizada.

Basados en limitaciones externas como inversión, eficiencia del tratamiento,rendimiento de la energía neta y rendimiento de las operaciones, el rango de las tecnologíasdisponibles varía desde los sistemas muy rudimentarios hasta los más sofisticados tanto aescala doméstica como a escala comercial. La elección de cual características del sistemade manejo de residuos existente o que se planee instalar el cual determina el método decarga del digestor.

4.4.1 Temperatura

Como se explicó, la temperatura es uno de los principales factores que afectan elcrecimiento de las bacterias responsables de la producción de biogás. La producción debiogás puede ocurrir en cualquier sitio que se encuentre en el rango de temperatura de 4ºC a68ºC. A medida que la temperatura aumenta, la tasa de producción de gas también se

incrementa y por ende disminuye el tiempo de retención de la materia orgánica dentro deldigestor. En algunos casos se hace necesario implementar un sistema de calorsuplementario para mejorar el rendimiento del proceso.

4.4.2 Método de Carga

El no cargar un digestor por una semana puede conducir a una pérdida en la

producción de biogás. Más importante aún es que el cargar el digestor en intervalosirregulares puede interrumpir el proceso biológico y causar que el sistema trabajeineficientemente o hasta detenerlo completamente. Por lo tanto, muchos digestores sondiseñados para ser cargados diariamente. Con cargas continuas y descargas de material delsistema, las bacterias trabajan eficientemente y se procesan grandes cantidades de residuos.





La recolección diaria de residuos es también eficiente en términos de conservar losvalores de nutrientes del residuo y preservar su potencial producción de gas. Cualquierdescomposición de material orgánico fuera del digestor reducirá la producción de biogás,por lo tanto, es mejor cargar residuos frescos al digestor. Si no se recolectan diariamente

residuos, debe considerarse la opción de convertirse a esta práctica.

4.4.3 Tiempo de retención

Esta variable depende de la temperatura ambiente y junto con la carga del digestordeterminan las dimensiones del sistema. La Figura 2 presenta el tiempo de retención endías en función de la temperatura ambiente. Es importante resaltar que no existe un criterio

unificado para obtener el tiempo de retención, por tanto se han hecho ejercicios desimulación de la variación del tiempo de retención con datos de temperatura reportados porvarias fuentes.

La distribución de estos datos genera una curva cuya tendencia logarítmica permiteobtener el valor aproximado de los días de retención necesarios para que el proceso seacompleto en un biodigestor para una temperatura establecida. Como resultado se observaque el coeficiente de correlación entre la temperatura y el tiempo de retención es de 0.88, elcual aunque no es el optimo, permite obtener tiempos de retención con mayor precisión quecon los datos que reporta la literatura de manera independiente en la Tabla 2.

Tabla 2. Tiempo de retención en días reportado por varias fuentes

Temperatura0C

BRITISHBIOGEN

PA GTZ IIT CIPAV CONICIT

5 N.D. N.D. N.D. N.D. N.D. N.D.10 N.D. N.D. 100 N.D. N.D. N.D.15 N.D. N.D. N.D. N.D. N.D. N.D.20 N.D. N.D. 40 N.D. N.D. N.D.25 N.D. N.D. N.D. N.D. 50 N.D.26 N.D. N.D. N.D. 30 N.D. N.D.30 30 N.D. N.D. N.D. 40 3035 15 20 20 N.D. 30 2040 N.D. 15 N.D. N.D. N.D. N.D.

45 N.D. N.D. N.D. N.D. N.D. N.D.50 14 N.D. 8 N.D. N.D. N.D.55 12 N.D. N.D. N.D. N.D. N.D.60 N.D. N.D. N.D. N.D. N.D. N.D.

N.D. = No DisponibleFuente: Formulación de un programa de normalización para aplicaciones de energías alternativas. UPME. Marzo 2003





Figura 2. Tiempo de retención en función de la temperatura

Fuente: Formulación de un programa de normalización para aplicaciones de energías alternativas. UPME. Marzo 2003

4.4.4 PH

El pH de la materia prima indica si el proceso de digestión se lleva a cabo encondiciones adecuadas. Las bacterias responsables del mecanismo de producción de biogásson altamente sensibles a cambios en el pH, permiten un rango de variación entre 6 y 8unidades de pH, teniendo como óptimo un pH de 7 a 7,2. en caso de alteraciones del pH, laacidez resultante se contrarresta agregando un poco de cal a la materia en el biodigestor.

4.4.5 Tipo de biodigestores

Digestores Convencionales: Son los de tipo familiar usualmente conocidos comoPlantas de Bio Gas concebidos bajo dos corrientes principales de diseño a saber:

Sistema Hindú o KVICK y Sistema Chino o SZCHAWN, los cuales se describen acontinuación, así como algunas variantes que se han surgido a partir de estos dos modelos.





Sistema Hindú o KVICK

Este sistema fue desarrollado en la India en la década de los 50, después de laSegunda Guerra Mundial, basado en las experiencias de Franceses y Alemanes durante la

guerra, pues en este periodo, campesinos de esos países recurrieron a los digestores paraobtener combustible para los tractores y calefacción doméstica en el invierno. Pasada laguerra, cuando los combustibles fósiles fueron fáciles de conseguir y bajaron de precio, seregresó a la comodidad de los hidrocarburos.

Dado que la India es pobre en combustibles convencionales, el Gobierno organizó laKVICK (Kaddi Village Industri Commision), en la estación experimental de Ajithmal enEthawa, de donde salió el típico digestor conocido como Hindú y cuya principalcaracterística es la de operar a presión constante. También de allí surgió el nombre de BioGas para designar a este combustible obtenido a partir del estiércol animal.

Este tipo de digestor está compuesto por un tanque o pozo generalmente demampostería, enterrado en el suelo utilizando la tierra como aislante para evitar pérdidas decalor y como soporte de las paredes que ayude a contrarrestar la presión hidrostáticainterna de la Bio masa en fermentación.

Recibe carga orgánica mezclada con agua en una proporción de 1:1 y máximo de1:5, por un tubo que conecta con la parte inferior del tanque. Esta carga fresca desplaza porsimple rebose de la parte superior a la que allí se encuentra y que se recolecta en un tanqueexterno para tal fin. Este efluente hidrolizado se utilizará posteriormente como abonoorgánico digerido o como suplemento alimenticio, rico en proteínas, para la cría de peces ode animales domésticos en general.

En la parte superior está cerrado por una campana metálica o de otro material comomadera, plástico o fibra de vidrio, que acumula los gases producidos por la fermentación yque se encuentra flotando sobre la bio masa en descomposición, con lo que se logra laestanqueidad y la hermeticidad necesarias. El peso de la campana hace las veces decompresor, pues comprime el gas dentro de ella y la mantiene flotando hasta que fluya, porla tubería de conducción, al lugar de consumo.

Una de estas plantas tipo Hindú, trabaja normalmente con una presión constante deoperación en el gas, del orden de 10 a 12 centímetros de columna de agua (CA), equivalente a1/4 o 1/5 de libra por pulgada cuadrada.

Este digestor es el prototipo de la sencillez en su concepción y su operación, puesfue ideado para ser manejado por campesinos de muy escasa preparación.





Sistema Chino o SZCHAWN

Dado el éxito del sistema Hindú y su amplia difusión en los años 50 y 60, el gobiernoChino hizo un esfuerzo grande de divulgación y adaptación de ésta tecnología a sus propias

necesidades.

El gran problema de La China en ese momento no era energético, sino sanitario yalimenticio; para resolver estos dos graves problemas se desarrollo específicamente elDigestor Tipo Chino.

Tradicionalmente la China ha utilizado las excretas humanas como fuenteinsustituible de abono orgánico para toda clase de cultivos. Aunque esta práctica se hautilizado durante milenios, los problemas de contaminación ambiental y sanitarios del sectorrural, no se habían resuelto. Con la utilización del Biodigestor se eliminan los malos olores,se recupera el abono orgánico de uso inmediato para los cultivos y además, se genera Gas

combustible para las cocinas y el alumbrado en las viviendas campesinas.

Por motivos diferentes de los hindúes, los chinos desarrollaron, por economía deconstrucción, el digestor unifamiliar que opera básicamente con presión variable. Es untanque construido totalmente en mampostería, sin campana movible y totalmente enterrado.Igual que el modelo hindú, recibe la carga fresca por un conducto que la lleva a la parte bajay entrega el efluente, por rebose, a un depósito externo en la parte superior. La diferenciaprincipal entre los dos está en la utilización de la campana; en el sistema Chino el Gas quedaatrapado con aumentos considerables de presión, pero a medida que se va gastando, éstadisminuye.

Un digestor de este tipo puede llegar a trabajar con un metro de columna de agua depresión o más, equivalente a 2 libras por pulgada cuadrada en algunos casos. Esto aumentosde presión plantean diversos problemas de carácter estructural, en especial si la construcciónes de cierto tamaño.

El mayor problema de este diseño es la permeabilidad del gas Metano a través de lasparedes de mampostería del digestor, debido a su mayor presión de operación. Es por estavariación permanente de presión, a veces aumentando y otras disminuyendo, que el digestortipo Chino tiene grandes limitaciones prácticas para el uso racional del Gas combustibleproducido; por ejemplo, es imposible hacer funcionar una nevera, un motor de explosióninterna o una lámpara para el alumbrado.

Sin embargo hay que recordar que su objetivo no fue el Gas, sino el abono orgánicoprocesado y recuperado, gracias al cual la China logró superar la crisis alimenticia y vieneaumentando desde hace unos 10 años su producción agrícola, a un ritmo sostenido del 10 %anual.





Además de la división anterior, de acuerdo con el método de carga utilizado sedistinguen dos tipos genéricos de biodigestores:

Biodigestores de flujo discontinuo: Se cargan una vez y quedan cerrados por un

tiempo fijo de retención hasta que haya terminado el proceso de fermentación y no hayaproducción de gas. En esas plantas al comienzo hay mucha masa orgánica y pocasbacterias y al final tienen muchas bacterias y poca masa orgánica. La operación implicabásicamente cargar un biodigestor que permanecerá cerrado con sustrato, un inoculante yen algunos casos, una base para mantener el pH casi neutral. El digestor es sellado, y lafermentación se realiza entre 30 y 180 días, dependiendo de la temperatura ambiente.Durante este período, la producción de gas aumenta paulatinamente hasta un máximo yluego declina. Esta fermentación se puede realizar con un contenido de sólidos orgánicosde 6 a 10%.

Digestores de flujo continuo4: Los digestores de flujo continuo son cargados y

descargados en forma periódica, por lo general todos los días. Cualquier tipo deconstrucción es apropiada para una planta continua, pero el material de fermentación debeser fluido y uniforme. Existen muchos diseños y formas según su estructura, entre loscuales pueden citarse, como los de mayor uso, tres tipos: de estructura sólida fija, deestructura sólida móvil y de balón de plástico.

Existen muchos diseños y formas según su estructura, entre los cuales puedencitarse, como los de mayor uso, tres tipos: de estructura sólida fija, de estructura sólidamóvil y de balón de plástico.

De estructura sólida fija. Constan de una cámara de gas construida de ladrillos,

piedra o concreto la cual permanece inmóvil y fija. Tanto el tope como la base del reactorson semiesfericos y están unidos por lados rectos. La estructura interna es sellada por variascapas para aislar el gas. El digestor es alimentado por un tubo de carga que es recto yfinaliza en la mitad de nivel dentro del digestor. En la parte superior del digestor se deja untapón manual para facilitar su limpieza y el conducto de salida del gas en la cubierta. Elgas producido durante el proceso es almacenado bajo el domo y desplaza algunos de loscontenidos del digestor a la cámara del efluente, lo cual produce fuerzas estructurales altas,razón por la que el reactor tiene formas semiesféricas en el tope y en la base. Serecomienda que la construcción sea bajo tierra en suelos estables y firmes. Es el tipo dedigestor más común en países en vía de desarrollo.

4 Adaptado de: Marchaim, Uri; Biogas Processes for sustainable development; FAO; 1992





Figura 3. Digestor de estructura sólida fija, tanque cilíndrico.


Digestor de estructura sólida móvil: Este digestor es en forma de bóveda esférica

(o cilíndrica) y tiene un depósito de gas móvil en forma de campana flotante. La campanapuede flotar directamente en la carga de fermentación o en un anillo de agua cilíndrico. Elgas se acumula en la campana, haciéndola subir y luego vuelve a bajar cuando se extrae elgas a través de un tubo instalado en la campana misma. Para evitar que la campana seladee, se construye un soporte de hierro como guía. La campana además de subir y bajar,es libre de girar, así puede mover la capa que eventualmente pueda flotar en la superficie dela carga de fermentación. Para su construcción se usan comúnmente ladrillos, cemento,arena y grava; para la campana flotante, lámina de acero.

Figura 4. Digestor de estructura sólida móvil.


De balón de plástico o tipo bolsa: Este modelo, que trata de aplicar las mejorescaracterísticas técnicas de los modelos Hindú y Chino fue desarrollado en la isla de Taiwan,pero el Gobierno de la antigua Alemania Federal, a través de la GTZ, agencia de





cooperación técnica, fue quien lo promovió, dentro de campañas de cooperación técnica enlos países Africanos. Está compuesto de una bolsa de plástico, caucho, polietileno ogeomembrana de PVC, completamente sellada y en forma de salchicha que se acomodasobre el piso a lo largo de una zanja en el terreno para que esté parcialmente sujeto por la

tierra en los bordes. La carga fresca entra por un extremo y la descarga se hace por elopuesto. La parte inferior de la bolsa (75% de volumen) se rellena con la carga de biomasaen fermentación, en la parte superior de la bolsa (25%) se almacena el gas mientras ésta seva inflando lentamente con una presión de operación baja, pues no se puede exceder lapresión de trabajo de la misma. Los tubos de entrada y salida están sujetos directamente a lapared de la bolsa. Aunque este digestor actúa como un reactor de tapón de flujo, el gaspuede almacenarse en una bolsa separada. El material plástico o de caucho para la planta,tiene que ser elegido con cuidado: Resistente a la intemperie y a los rayos ultravioleta. Sepuede recomendar para todos aquellos sitios donde no haya peligro de que se dañe la paredde la bolsa y donde predominen temperaturas altas y constantes. Este tipo de digestor esmuy económico y fácil de transportar por su bajo peso, en especial en aquellos sitios de

difícil acceso. Al ser hermético se reducen las pérdidas, pero por su fragilidad requieredisciplina social de las personas que lo manejan o que están a su alrededor, para evitar que lodañen con algún objeto corto punzante; también es un incoveniente su corta vida, pues alestar a la intemperie, los rigores del clima lo deterioran en pocos años.

Su operación es muy eficiente al ser del tipo Tapón (Plug Reactor) y puede serconstruido en mampostería con el consiguiente aumento de precio. Según estos principios sedesarrolló el modelo Xochilco - México, pero presenta los mismos problemas dehermetización del modelo chino al aumentar la presión en las horas de no utilización del Gas

Figura 5. Digestor de balón de plástico


Existen otros tipos de digestores desarrollados recientemente y en proceso deinvestigación entre los cuales pueden nombrarse los de Filtro Anaeróbico, Reactor dedeflector anaeróbico, Procesos de contacto Anaeróbico, Digestores tubulares inclinados,etc., entre los cuales vale la pena mencionar:

De tapón de flujo: A pesar de ser similar al digestor de balón de plástico, esconstruido con diferentes materiales y clasificado separadamente. Consiste de una zanja





construida con concreto o con una membrana impermeable. El digestor se cubre con unacubierta flexible anclada al suelo, al concreto o al acero galvanizado. Estos tanquesespeciales son rectangulares y tratan residuos que contengan de 11% a 13% total de sólidos.

De mezcla completa: Son tanques especiales, construidos sobre o bajo tierra, quetratan residuos orgánicos cuya concentración de sólidos está en un rango de 3 a 10%.

De alta velocidad o flujo inducido: Estos son utilizados comúnmente eninstalaciones industriales o semi industriales. Generalmente trabajan a presión constante, porlo que se podrían catalogar como Digestores Tipo Hindú Modificado. Conocidos comoCSTD (Conventional Stirred Digestor), se diferencian de los digestores convencionales enque se les ha agregado algún tipo de agitación mecánica, continua o intermitente, que permiteal material aún no digerido, entrar en contacto con las bacterias activas y así obtener buenadigestión de la materia orgánica, con tiempos de retención hidráulica relativamente cortos, dehasta 15 días.

Además de la ventaja que significa el menor tiempo de operación, existen otras comoel evitar la formación de una costra de material dentro del digestor; lograr la dispersión demateriales inhibitorios de la acción metabólica de las bacterias, impidiendo concentracioneslocalizadas de material potencialmente tóxico para el sistema; ayudar a la desintegración departículas grandes en otras más pequeñas, que aumentan el área de contacto y por lo tanto lavelocidad de digestión; mantener una temperatura más uniforme de la bio masa dentro deldigestor para una reacción y degradación más uniformes; inhibir el asentamiento de partículasbio degradables de mayor tamaño; permitir una más rápida separación y el ascenso del gas amedida que se va formando dentro del digestor; mejorar las condiciones de control yestabilidad de la bio masa dentro del digestor.

Digestores de Segunda y Tercera Generación: Constituyen un concepto nuevodentro de la tecnología de fermentación anaeróbica al combinar las ventajas de varios tipos dedigestores en una sola unidad, facilitando el manejo y procesamiento de materialbiodegradable de diverso origen y calidad.

Generalmente los desechos de origen animal, excrementos de cualquier clase, sonprocesados en digestores convencionales de tipo continuo, que periódicamente reciben cargay entregan por desalojo efluente ya digerido. El tiempo de operación continua de estosequipos es bastante largo y requiere un mínimo de atención al momento de cargarlos, comoes el evitar introducir elementos extraños tales como arena, piedra, metal, plásticos o

cualquier otro tipo de material lento o imposible de digerir. Luego de unos cuatro o cincoaños se debe detener su funcionamiento para hacer una limpieza general y retirar sedimentosindigeridos.

Cuando en un digestor convencional de tipo continuo se introducenindiscriminadamente materiales orgánicos de origen vegetal como pasto u hojas de árbol,sobrantes de cosechas o basuras bio degradables, que tienden a flotar en el agua por su alto





contenido celulósico, terminan por atascarlo y parar su operación efectiva en poco tiempo,incluso días, dependiendo de la cantidad de material suministrado.

Para evitar taponamientos, la materia de origen vegetal se procesa en digestores

convencionales en tandas o carga única (Batch Digestors) en ciclos de 60 a 80 días, lo quesupone que para el suministro de gas y efluente durante un año, se debe disponer mínimo decuatro unidades con una producción alternada. Estas soluciones representan un alto costo yun gran esfuerzo.

Buscando un tipo de digestor ideal y sin los inconvenientes citados, se llegó alconcepto de digestor de Segunda y Tercera generación, siendo los clásicos modelos Hindú oChino, los de la primera.

Este nuevo modelo de digestor retiene la materia de origen vegetal, que normalmentetiende a flotar, dentro de las zonas de máxima actividad bacteriana como son la inferior y la

de sobrenadante intermedia, para que las bacterias tengan tiempo de atacar, hidrolizar yprocesar efectivamente el material en descomposición; al mismo tiempo permite que losgases y el material parcialmente degradado sigan el recorrido del proceso normal dentro deldigestor.

El Digestor de Segunda Generación divide al convencional en dos cámaras, una deellas a un nivel inferior del resto del digestor. Utiliza compartimentos en ferrocemento omampostería, espaciados adecuadamente para retener los materiales y las partículas sólidasgrandes, pero permite el paso del gas y los líquidos. A este modelo se puede adicionar hastaun 25% de carga de origen vegetal sin que se atasque o paralice la operación.

El Digestor de Tercera Generación modifica radicalmente al de tipo Hindútradicional, aunque sigue los lineamientos de esta escuela. Ha logrado una eficiencia detrabajo en forma continua que permite cargarlo con toda clase de materiales, hasta un 50 o60% de materia de origen vegetal mezclada con excrementos, empleando una sola unidad quetrabaja en forma de digestor continuo.





Opera básicamente en dos niveles. En la parte baja del mismo se construye un túnel olaberinto, que sirve para retener temporalmente todos los materiales que tienden a flotar; conlas divisiones internas se divide el laberinto en una serie de cámaras independientes perocomunicadas entre sí de forma continua. Por medio de planos inclinados y ranuras delgadasen las placas de ferrocemento que conforman el techo del laberinto, se permite el paso del gasy del material ya hidrolizado y degradado.

Los materiales lentamente digeribles, que completan su ciclo de degradación

anaeróbica en más de 100 días, pueden hacerlo al tiempo con excrementos que requierenmucho menos tiempo, entre 15 y 20 días.

El digestor de tercera generación es la mezcla de varios digestores en una unidad. Ellaberinto es típico del sistema de Tapón o Bolsa, con longitudes efectivas de 20 a 30 metros,es el sistema más sencillo y práctico de todos los digestores de tipo convencional; lasdiferentes cámaras independientes (6 o más según el diseño) brindan las ventajas de losdigestores de carga única; al final del recorrido y en la parte superior, se encuentra la últimarecamara, grande, que equivale al digestor tipo indú, con su campana flotante, carga por laparte inferior y salida del efluente por rebose en la superior.

Este tipo de digestor en especial, ofrece una doble ventaja económica, ya que por unlado se construye una sola unidad del tamaño adecuado a las necesidades en lugar de variasindependientes más pequeñas; y por otro lado se elimina el costo de mano de obra necesariapara estar cargando y descargando periódicamente las unidades de carga única.

Aparte de los digestores de flujo discontinuo, todos los diseños presentados seconocen como sistemas de crecimiento suspendido y cuando no hay reciclaje de sólidos, el





tiempo de retención es igual al tiempo de retención de los sólidos biológicos. La Tabla 3resume las características de los digestores más utilizados, y la cual puede ser servir de guíapara la selección del digestor más adecuado para cada caso particular de acuerdo con losresiduos disponibles y el monto de la inversión requerida.

Tabla No.3 Características de los tipos de digestores

CARACTERISTICAS DE ESTRUCTURASÓLIDA FIJA

DE ESTRUCTURASÓLIDA MÓVIL

DE BALÓN DEPLÁSTICO

Cámara de digestión Esférica / bajo tierra Esférica / semiesférica SemiesféricaNivel de tecnología Madura Madura MaduraPresión de gas No constante Constante Muy baja presión de gas,

requiere sobrepeso paraaumentarla

Localización óptima Todos los climas Todos los climas Todos los climasVida útil 20 años 20 años 5 añosVentajas Bajos costos de

construcción.No posee partes móviles.No posee partesmetálicas que puedanoxidarse.No tiene partesexpuestas, por eso estáprotegido contra lasbajas temperaturas.

Fácil manejo.

El gas almacenado esmedible a través delnivel de la campana.

Bajos costos de

construcción.Fácil transporte einstalación.Construcción horizontaly plana que favorece enlos lugares con alto nivelfreático.

Desventajas La presión puede sermuy alta, por eso lacúpula tiene que sercuidadosamente sellada;

porosidades y grietaspueden afectar la planta.

Alto costo deconstrucción de lacampana.En la mayoría de los

casos, la campana esmetálica y por tantosujeta a corrosión.Más costos demantenimiento causadopor trabajos de pintura.

El material plástico estásujeto a daños y tieneque ser protegido.

4.5 PRODUCCIÓN Y CONDUCCIÓN DE BIOGÁS5

El sistema de conducción de gas remueve el biogás desde el digestor y lo transportahacia su uso final. Este sistema puede incluir: tubería, bomba de gas o turbina, medidor degas, regulador de presión y evacuadores del condensado, en caso de ser requeridos. En la

5 Instituto de investigaciones tecnológicas; PLANTAS DE BIOGÁS: DISEÑO, CONSTRUCCIÓN YOPERACIÓN; Bogotá; 1990





Figura 6 se presenta una línea de conducción para una instalación típica, sus dimensionesdependen de lo siguiente:

Del flujo de gas que se desea transportar

De la distancia existente entre la planta y el lugar de uso.

Estas dos variables se utilizan para fijar el diámetro de tubería adecuada a los deseosdel consumidor y a las características del diseño. Las plantas de Biogás utilizan casisiempre manguera o tubería de polietileno, PVC6, debido a que estos materiales no sonafectados por la acción del ácido sulfhídrico. La línea de conducción de gas irápreferiblemente enterrada o recubierta para evitar el deterioro (cristalización) por la luzsolar. De lo contrario, se colocará elevada para evitar daños físicos causados por personaso animales.

Una línea de biogás debe ir provista de los siguientes accesorios, cuya localización e

instalación se pueden ver en la Figura 6, Figura 7 y Figura 8, estas figuras dan una ideaaproximada de los accesorios requeridos para realizar estas operaciones y de su colocaciónen la línea.

Válvulas: Se utilizan mínimo dos válvulas para gas (Figura 7). La primera oprincipal irá instalada inmediatamente después del almacenamiento del biogás, al comienzode la conducción y sobre el niple de salida. La segunda se monta al final de la línea, en ellugar de uso. Estas válvulas, cuyo tamaño debe ser compatible con el diámetro de latubería, deberán estar construidas en acero inoxidable, polietileno o PVC7 para evitar lacorrosión por el ácido sulfhídrico.

Trampas de ácido sulfhídrico: Están constituidas por un recipiente relleno conmaterial de hierro finamente dividido formando un lecho poroso a través del cual debecircular el gas, para que el H2S reaccione con el metal y se deposite en el lecho. Lacondición de porosidad se alcanza utilizando como relleno virutas de hierro o esponjillasmetálicas de cocina. Estos materiales tienen la ventaja de ser de bajo costo y de oponerpoca resistencia al flujo de gas, aspecto importante en razón de las bajas presiones que semanejan en este tipo de sistemas. La forma del recipiente y las características del materialutilizado para su construcción dependen del gusto del propietario de la planta. El únicorequisito es el de que sean completamente herméticos para evitar fugas de gas.

Trampas de llama: La trampa de ácido sulfhídrico actúa también como trampa de

llama no solo por la presencia del relleno sino por el mayor diámetro del recipiente conrelación a la línea de conducción.

Trampas de agua: El agua arrastrada por el gas se separa cuando la corrienteencuentra en su trayectoria una expansión brusca y una contracción posterior. Para lograr

6 La norma NTC 1746 especifica los materiales aceptados para el transporte de gas. 7 IDEM.





este propósito será suficiente instalar sobre la línea un accesorio idéntico a las trampas desulfhídrico, con la diferencia de que no se necesitará el relleno de material de hierro. Lastrampas están provistas de un grifo de purga por donde se debe evacuar periódicamente elagua depositada en el fondo. Es posible encontrar varios tipos de trampas y materiales de

construcción, entre ellas:

Rectangulares construidas en hierro o en acero, pintadas con elmismo material empleado en el terminado y protección de lacampana.

Cilíndricas, en acero. Estas se construyen a partir de secciones detubería estándar de 2” o más. Al igual que las anteriores, requierende pintura interior y exterior para protegerlas de la corrosión.

Cilíndricas en PVC, polietileno o caucho. Se construyen también apartir de tuberías estándar o se arman utilizando los accesoriosdisponibles en el mercado. No requieren pintura protectora pero

deben en lo posible no exponerse a los rayos del sol.Figura No.6 Esquema típico de una línea de conducción de gas


Figura No.7 Válvulas para gas





Figura No.8 Accesorios para la purificación de gas.


4.6 UTILIZACIÓN DEL BIOGÁS8

El propósito de esta sección es determinar cómo se utilizará el biogás en la finca oen el entorno urbano donde se implemente este sistema. Se presentan algunos factoresimportantes a ser considerados para determinar una opción de utilización de biogás y sedescriben las opciones potenciales de uso del gas. Existen algunos factores importantes quese consideran cuando se selecciona una opción de utilización del biogás:

Clase de energía utilizada: Cuando se utiliza electricidad, gas natural, propano odiesel como energía, el biogás puede utilizarse para reemplazar la compra de energía, paraproducir electricidad, calor o refrigeración. Para muchas fincas, el mayor beneficio de laopción de uso del biogás será como combustible en motores de generación eléctrica para

8 Adaptado de: A Manual For Developing Biogas Systems at Commercial Farms in the UnitedStates, AgStar Handbook, First edition, EPA, US, Julio 1997.





uso en la propia finca o para vender fuera de ella. Otras opciones incluyen utilizar biogáscomo combustible para hornos de aire forzado, calentadores y refrigeradores de adsorción.

Cuánta energía se utiliza y cuando: Los requerimientos energéticos del lugar

variarán diaria y temporalmente. Por ejemplo el aire y calor acondicionados son usostemporales; la iluminación se utiliza en la noche; el ordeño dos veces al día por 4 horas; laventilación de porquerizas varía con el tiempo y la temporada. Muchas operaciones en lasfincas tienen el potencial de producir bastante o todas sus necesidades energéticas si serecolectan y se convierten todos los residuos orgánicos en biogás.

La producción potencial de energía respecto a las necesidades energéticas: Cuando se adapta la disponibilidad de biogás con los requerimientos energéticos, se debetener en cuenta que el biogás es producido todo el año y que el biogás almacenado por másde 12 horas es costoso. Por lo tanto, el uso del biogás más rentable es aquel que utiliza elbiogás todo el año. Los usos directos del gas, como calefacción y refrigeración varían

temporalmente. Además, estas opciones pueden usar solamente una fracción de la energíapotencial del gas. Diseñar un sistema para este uso limitado no será rentable, a menos queel sistema sea diseñado para control de olores. Las fincas de gran tamaño estarán en mayorcapacidad de compensar la producción de energía del biogás con su utilización que lasfincas pequeñas.

La electricidad como energía primaria requerida: Las bombas eléctricas,ventiladores, motores, compresores al igual que iluminación están en uso generalmentetodo el año. La producción de electricidad para utilización en la finca es la opción másviable.

Mantenimiento de los motores de generación: El fácil acceso para las labores demantenimiento y disponibilidad de partes y servicios son consideraciones críticas.

Tabla No. 4 Opciones de uso potencial del gas

Opción Aplicación

Generación eléctrica Apropiada para muchas instalacionesCombustión Directa Cocinas, iluminación.Calderas/Hornos Uso por temporadas o en situaciones especialesRefrigeración Refrigeración en hatos (aproximadamente el 15

al 30% del uso de electricidad en hatos);enfriamiento temporal y en situaciones especiales





4.6.1 Generación de Electricidad

Los hatos modernos y las porquerizas requieren una cantidad significativa de

electricidad para operar los equipos. Los criaderos de ganado porcino requieren una grancantidad de calor circulante, pero pocas disponen del calor del agua caliente. Casi todasutilizan lámparas eléctricas para calentar y calentadores suplementarios de propano paramantener la temperatura. De la misma manera, 30% del consumo eléctrico de un hato seusa para refrigerar leche. La tecnología más utilizada para generar electricidad es un motorde combustión interna con un generador. Recobrando el calor residual de estos motores seobtiene calefacción y agua caliente para usos en la finca o para calentar el digestor, con loque se mejora el rendimiento de energía total del sistema.

4.6.2 Combustión Directa

El biogás recuperado puede ser usado directamente como combustible. Las fincasutilizan solamente una cantidad limitada de estos combustibles comparados con laelectricidad.

Calentamiento: El calentamiento es usualmente una operación temporal. Lascalderas y hornos pueden ser operados con biogás para producir calor. Por lo tanto estepuede ser un uso eficiente del gas, que por lo general no es tan conveniente como la

electricidad. Sin embargo, en algunas situaciones esta puede ser la mejor opción.

Calderas: Las eficiencias en la conversión están típicamente entre 75 a 85%. Lasfincas requieren agua caliente todo el año, pero generalmente es mayor la cantidad debiogás disponible que de agua caliente requerida. Las porquerizas para alimentar y paracriar en climas fríos son el único tipo de fincas donde los requerimientos de calor podríanconsumir más o todo el potencial de producción de biogás disponible. Una caldera defundición a gas natural se utiliza para muchas aplicaciones agropecuarias. El aire y elcombustible mezclados requerirán de ajustes y quemadores que deberán ser alargados paraun gas con bajo BTU. Estas calderas están disponibles en un amplio rango de tamaños,desde 45,000 BTU/hora y más. El biogás no tratado puede quemarse en estas calderas.

Hornos: Se utilizan en porquerizas en lugar de calentadores de quema directa. Elbiogás deberá ser tratado para remover el H2S para prevenir que este penetre en losdiferentes sitios. Este tipo de unidades de quema de biogás no son muy difundidos y noson utilizados por múltiples razones.





Refrigeración: Los hatos utilizan cantidades considerables de energía pararefrigeración. Aproximadamente 15 a 30% de la carga de electricidad de un hato se utilizapara enfriar la leche. Los refrigeradores a gas están disponibles comercialmente y seutilizan para este propósito. Para algunas fincas, esta puede ser la opción más rentable para

la utilización de biogás. Los refrigeradores a gas producen agua fría para enfriar la leche ypara aire acondicionado. Los hatos refrigeran la leche todos los días del año. El aguarefrigerada o el glicol se utilizan en sistemas de pre refrigerado en lugar de agua de pozo.Un hato requiere 0.014 toneladas de refrigerante por hora de ordeño por cabeza por día.Esto es casi 15% de la producción potencial de biogás de la misma vaca (una ton derefrigerante = 12,000 BTU/hora).

Los refrigeradores de doble efecto, producen agua caliente y fría simultáneamente,están disponibles para aplicaciones de más de 30 ton y pueden ser acoplados al digestor.

4.6.3 Consumo

Es importante anotar que la mayoría de gasodomésticos y equipos que utilizan gas,vienen diseñados de fabrica para trabajar con GLP y gas propano a alta presión, por lo quees necesario modificar el dispositivo o fisto que regula el flujo de gas. Cuando se pasa deGLP o gas propano a gas natural el orificio del fisto es ampliado, para el caso del gasproveniente de biodigestores el orificio del fisto debe ser ampliado aún más, puesto queeste gas es el que menos tiene presión y por tanto para mantener un mismo flujo se requiere

un fisto con orificio de mayor diámetro. Esta operación la debe realizar un técnico conexperiencia en gasodosmésticos.

La utilización de gas y consumos para algunos gasodomésticos típicos se presentanen la Tabla 5.





Tabla No.5 Utilización y consumo de biogás

EquipoConsumo de biogás enm3 /hora

Estufa de cocina 0.150 – 0.200

Fogón para cocinar alimentos de los alimentos o frutas 0.300

Lámpara de gas equivalente a una bombilla de 60 W 0.100

Calentadores para lechones o cría de levante 0.250

Calentadores para cría de pollos 0.150

Nevera de absorción de amoníaco

Motor biogás – diesel por b.h.p 0.420Producción de 1 kWh de corriente eléctrica con una mezclabiogás diesel

0.700


4.7 UTILIZACIÓN Y ALMACENAMIENTO DE EFLUENTE

El efluente que permanece luego que el gas se ha producido se bombea a un tanquede almacenamiento, luego de lo cual puede ser distribuido directamente al suelo. Sinembargo, este producto se considera parcialmente tratado en esta etapa, y para almacenarlose requieren instalaciones de almacenamiento, ya que los nutrientes presentes en el efluentedeben ser aplicados al suelo o a los sembrados en épocas determinadas. El tamaño de lainstalación y del período de almacenamiento debe ser adecuado para los requerimientos de

la finca.Como alternativa el efluente puede separarse en fibra y líquido. La fibra se utiliza

para tratamiento de suelos o para compostaje. El líquido contiene un rango de nutrientes yse utiliza como un fertilizante el cual se vende o se utiliza en la finca como parte del plande manejo de nutrientes para los sembrados que se tenga previsto. Estos subproductos de ladigestión anaerobia pueden, por lo tanto, ayudar a los agricultores a reducir susrequerimientos de fertilizantes sintéticos y otros reacondicionadores de suelos que sonfabricados utilizando métodos menos sostenibles.

Además, los efluentes del biodigestor se utilizan para estimular el crecimiento de

algas en estanques piscícolas y por lo tanto proveen de alimento a los peces. De maneraalterna, debido a su alto contenido orgánico, el efluente debe ser utilizado como unsuplemento en la alimentación de animales. Estas aplicaciones deben ser evaluadas segúncada caso.

Los sólidos de la digestión del estiércol de los hatos se venden solos o mezcladospara compostaje, suelos y recuperación de suelos. Los mercados regionales para estosproductos, existen; se venden al por mayor o a consumidores directos.





Por ningún motivo el efluente puede ser descargado o vertido a cursos o cuerpos deagua naturales o a sistemas de alcantarillado, ya que no cumple los requisitos de calidad oremoción de materia orgánica que exige la Ley Colombiana9.

9 Decreto 1594 de 1984, Minsalud.





5 CONDICIONES DE DISEÑO Y SELECCIÓN

5.1 REQUERIMIENTOS

Se presentan algunas condiciones y requerimientos que deben tenerse en cuenta parala selección preliminar y el buen diseño de sistemas de producción de biogás y abonoorgánico, a partir de residuos orgánicos tanto rurales como urbanos. Dentro de estos se

encentran los siguientes10:

Diseño: debe ser simple tanto para la construcción como para la operación ymantenimiento.

Materiales: Se deben utilizar materiales que estén disponibles localmente. Sedebe emplear un tipo de material resistente a la corrosión, con propiedades deaislamiento efectivas.

Duración: La construcción de una planta de biogás requiere cierto grado depráctica. Una planta de corta vida podría ser económicamente rentable peropuede no ser reconstruida una vez su vida útil termine. Sería necesarioconstruir plantas más durables, pero esto puede aumentar los costos en la

inversión inicial. Se deben implementar dispositivos de seguridad. Utilizar el mínimo de equipo mecánico y eléctrico. Implementar control ambiental en la disposición y uso del efluente.

Un sistema ideal de producción de biogás debe ser de muy bajo costo en términosde costos de producción por unidad de volumen de biogás.

Particularmente y dependiendo de la escala del sistema para el diseño se tendrá encuenta:

Recepción apropiada de residuos e instalaciones de carga Digestor, tanque de carga, dispositivos de mezcla, almacenamiento de biogás,

tanque de descarga y calderas para proveer calor al digestor (si se requiere).

10 Adaptado de BritishBiogen, Anaerobic Digestion of farm and food processing residues, GoodPractice Guidelines, pag 30 -31





Equipo de transporte que puede incluir tubería, válvulas, tea, descarga decalor.

Tubería para remover el agua condensada. Equipos de combustión y/o de generación eléctrica

5.2 CÁLCULO DE LA CANTIDAD DE RESIDUOS ORGÁNICOS

Con el potencial de residuos producidos por animal y su peso vivo promedio, puedeestimarse la cantidad de desechos orgánicos producidos diariamente y los requerimientosde adición de agua para mezcla y homogenización. Cuando no es posible obtener datosexactos sobre ésta en Kg./día, puede estimarse utilizando la siguiente tabla.

Tabla 6 - Valores y características del estiércol de algunos animales11

Clase de animal

% por peso vivo % del material de digestión

Relación C/NP -Producción debiogas (m3 degas / 1 Kg. SO)PE -Estiércol PO – Orina % EST Sólidos

% SO Sólidosorgánicos

Vacunos 5 4 15-16 13 20 0.250

Cerdos 2 3 16 12 13 0.350Caprinos,ovejas 3 1.5 30 20 30 0.200

Caballos 5 4 25 15 20 0.250Avícolas,gallinas 4.5 4.5 25 17 5-8 0.400

Humanos 1 2 20 15 8 0.300

Fuente: Formulación de un programa de normalización para aplicaciones de energías alternativas. UPME. Marzo 2003 También, puede realizarse la digestión anaerobia con materiales vegetales frescos o

desechos agrícolas como paja, tamo, hojas, pasto, etc., varias veces, con lo que se producemás biogás que utilizando solamente estiércol. Se aconseja utilizar residuos vegetales sólocomo material aditivo a los desechos.

11 Difusión de la tecnología del biogás en Colombia, GTZ, 1987





Tabla 7 - Valores y características de algunos desechos vegetales 12

Material fresco %EST Sólidostotales

%SOSólidos

orgánicos

P - Producción de biogas(m3de gas / 1 Kg. SO)

Paja de arroz 89 93 0.220Paja de trigo 82 94 0.250Paja de maíz 80 91 0.410Hierba fresca 24 89 0.410Jacinto de agua 7 75 0.325Bagazo 65 78 0.160Desechos de verdura 12 86 0.350Desechos orgánicos de cocina 15 10 0.250


12 Difusión de la tecnología del biogás en Colombia, GTZ, 1987





6 OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE UN SISTEMA DEBIOGÁS

El correcto desempeño de los sistemas de biogás depende de un adecuado manejo.En términos generales las principales fallas se deben a la falta de soporte técnico para losoperarios, falta de tiempo de los encargados del manejo, escaso conocimiento o pocointerés para mantener el sistema operando. Un buen manejo del digestor implica una serie

de condiciones que se explican a continuación:

1. Soporte Técnico: Existen componentes claves del sistema con los cuales elpropietario/operador debe familiarizarse. El fabricante o distribuidor debeenseñar al propietario la operación y el mantenimiento del sistema de biogás conlos estándares básicos en aspectos de ingeniería sobre la utilización del equipo,con un conocimiento completo sobre los aspectos de seguridad industrial, paraque estén preparados para reconocer los problemas y como resolverlos. Esimportante resaltar en que casos se requerirá del soporte técnico competente delfabricante o distribuidor.

2. Mantenimiento: Normalmente los biodigestores no requieren mantenimientofrecuente debido a la ausencia de piezas mecánicas móviles, sin embargo elencargado debe tener conocimientos generales de reparación de motores,mantenimiento, revisión, reparación y control de problemas y averías en tuberíasy conocimientos de soldadura. Es importante que las partes que puedan requerirservicio y reparación sean accesibles. Estos servicios los ofrecen muchas veceslos fabricantes o distribuidores de equipos, lo cual constituye un factorimportante a la hora de tomar una decisión sobre la adquisición de ciertosequipos.

3. Tiempo: El mantenimiento y monitoreo diario del sistema toma entre 15 y 30

minutos y eventualmente también se requerirá tiempo para una reparación o paramantenimiento preventivo.

4. Pertenencia: El propietario debe aceptar el sistema como de su propiedad yquerer operarlo, debe entender como funciona la tecnología y estarcomprometido con el éxito del sistema. Los sistemas donde el manejo se deja





como labor temporal de la actividad o se encarga a terceras personas, fallan porfalta de motivación e incentivos.

6.1 GARANTÍA DE CALIDAD

Un factor determinante en el diseño de un digestor es que cumpla con losrequerimientos del usuario para todo el proyecto. Para su correcto funcionamiento se debegarantizar la calidad de la materia prima y el rendimiento del sistema por parte delfabricantes.

Se consideran garantías de funcionamiento algunos de los factores siguientes:

6.1.1 Materia Prima

Los ganaderos, agricultores y usuarios en general, deben ser conscientes de lasenfermedades producidas por residuos orgánicos y del peligro de contraer alguna de éstas,por lo que requieren un entrenamiento especial para evitar riesgos a la salud o evitar elriesgo de llevar enfermedades a otros lugares. Los principales riesgos asociados a estaactividad son:

Patógenos

Las materias primas inevitablemente contienen agentes patógenos de plantas oanimales (como Salmonela) y parásitos (como Cryptosporidium) en diferentes grados y endiferentes materiales, los cuales pueden ser peligrosos para la salud humana y animal. Senecesita por lo tanto tomar precauciones, especialmente si los residuos provienen dediferentes sitios.

La pasteurización (calentar los residuos a 70ºC por 30 minutos o por más tiempocon una temperatura más baja (ej. 55ºC durante cuatro horas) es el único método queasegura la eliminación completa de agentes patógenos. Debe anotarse que la pasteurizaciónpuede afectar el balance de energía: a mayor calentamiento y velocidad se utiliza másenergía.

El proceso de digestión anaerobia que se realiza en el digestor probablemente noeliminará totalmente los agentes patógenos presentes en la materia prima, por lo que senecesita bastante precaución. En algunos casos, dependiendo de la cantidad inicial depatógenos presentes en la materia prima, los niveles de estos luego de la digestiónpermanecerán lo suficientemente altos para causar enfermedades en aquellas personas quetrabajan con las materias primas antes y después del tratamiento, o que puedan tener algún





contacto con dichas materias primas. A los trabajadores debe indicárseles el nivel de riesgoy las medidas que se tomarán para controlarlo. Esta es un área muy compleja que continúaen investigación. Los peligros se reducen si se toman algunas precauciones, tales como:

Utilizar fuentes de materia prima conocidas y fiables Control de calidad cuidadoso y análisis de materias primas Monitoreo y control de enfermedades en los animales que producen los

residuos Higiene personal

Parásitos

La digestión anaerobia que se realiza a 35ºC (conocida como digestión mesofílica,utilizada por la mayoría de agricultores) reduce el número de posibles larvas y huevos dealgunos gusanos parásitos a niveles que no se detectan luego de una semana, sin embargogeneralmente existe poco control de Ascaris, Tenias y Cryptosporidium. Aunque, el

oosicyst (un tipo de huevo) de los gusanos el cual puede infectar cualquier animal si loingiere, permanece luego de 50 días a 35ºC. La digestión a 55ºC reduce significativamentela cantidad de oocysts, pero muchos permanecen, incluso luego del proceso de digestión,por periodos extensos de tiempo. La digestión mesofílica no reducirá significativamente elpotencial de infección de residuos contaminados por parásitos.

Bacterias patógenas

Los experimentos con estiércol de cerdo han mostrado que la digestión mesofílicadurante cuatro días destruirá el 90% de una población de la bacteria Salmonella, sinembargo los bajos niveles de la bacteria persisten incluso luego de 70 días de digestión.Esta persistencia puede deberse a una mezcla pobre en el digestor, permitiendo que algunas

bacterias sobrevivan en la superficie. Manejada apropiadamente, la digestión anaerobiapuede reducir los niveles de bacterias con un factor más grande, pero pueden persistirniveles bajos debido a una mezcla deficiente. La digestión anaerobia en el rangomesofílico reducirá significativamente los niveles de bacterias patógenas, pero no laseliminará completamente de los residuos y deberán determinarse las medidas requeridaspara controlar los daños potenciales en la salud humana.

Virus

Las investigaciones han mostrado que la digestión anaerobia mesofílica reduce lacantidad de virus en muestras de agua residual, pero unidades de virus pueden encontrarsepresentes, incluso luego de extensos periodos de digestión.





6.1.2 Prácticas que disminuyen el contenido de sólidos

La adición de agua a los residuos puede ser deliberada (ej. Procesos de adición de

agua) o incidental (dilución por lluvia). Ya que el porcentaje de sólidos es el factor decontrol para determinar cual digestor utilizar, conocer el grado de dilución de los sólidoscon agua es importante. El exceso de agua y el volumen de residuos incrementado puedelimitar la capacidad de manejo de residuos y de las instalaciones de almacenamiento. Todael agua que entra al sistema de manejo de residuos debe ser contabilizada para diseñar eldigestor.

Proceso de adición de agua fresca: En hatos, procesar el agua del sitio de ordeñoes una fuente de líquidos al alcance del sistema de manejo de residuos. Muchasporquerizas gastan varios días a la semana lavando el sitio con fines sanitarios. El agua esutilizada para refrescar a los cerdos y vacas y esto puede contribuir con el proceso. Los

cerdos gastan agua cuando la beben o juegan con los bebederos. Estas prácticascontribuyen de 1 a 4 galones de agua fresca residual por galón de estiércol de cerdo añadidoal sistema de recolección.

Recolección con agua: El estiércol puede ser recolectado en porquerizas o hatosutilizando sistemas de reciclaje lavando con agua. Las porquerizas pueden usar unarecolección en fosa de alimentación donde 4 a 12 pulgadas de agua fresca o reciclada semantiene bajo los pisos de la porqueriza y es reemplazada cada una o dos semanas. Lasfincas pequeñas pueden utilizar mangueras de lavado diario. Esta recolección diluye losresiduos frescos pero suministra diariamente sólidos volátiles frescos al sistema. Si todoslos residuos son recolectados diariamente, entonces no habrá pérdidas de sólidos volátiles

aptos para la digestión. La recarga en fosas provee algo de residuos viejos al sistema, conpocas pérdidas de digestibilidad. Los residuos que son recolectados por remoción con aguason diluidos a menos del 2% total de sólidos. Un manejo cuidadoso de sistemas de recargade fosas permiten la recolección de residuos con un contenido de sólidos mayor al 3%.

Dilución por lluvia: Los residuos dejados en lotes abiertos mientras llueve serándiluidos, obteniendo residuos con bajo contenido de sólidos.

Ya que la cantidad de agua adicionada a los residuos varía en cada finca, la diluciónde sólidos con agua debe ser evaluada con base en el sitio específico.





6.1.3 Prácticas para incrementar concentración de sólidos

Adición de material seco: El contenido de sólidos en los residuos puede

incrementarse por adición de paja, arena o aserrín. Los materiales para cultivogeneralmente se secan y se utilizan para absorber residuos líquidos. Estas prácticasconstituyen un manejo de residuos sólidos con equipos como trituradoras de residuos. Lapaja, hojas y en especial jacintos de agua sólo se pueden adicionar a determinados sistemas,previo tratamiento especial y bien picada, para evitar la formación de capa flotante.

6.2 RECOMENDACIONES PARA EL SISTEMA

Para asegurar un rendimiento óptimo del digestor deben considerarse los siguientesaspectos:

Nivel de amoniaco: Para un correcto funcionamiento, los niveles de amoniacodentro de los digestores deben mantenerse por debajo de los 2.000 mg/litro.

Mantenimiento del pH en el digestor:

Tabla 8 - Valores de pH para la Producción del BiogásPH Producción

7 – 7.2 Óptimo

6.2 Retarda la acidificación

7.6 Retarda la amonización

De esta tabla se deduce que la carga de fermentación debe ser neutra, es decir, nialcalina ni ácida. Si la carga del digestor es demasiado alta, el valor del pH disminuye y esnecesario agregar correctores de pH como la cal para aumentarlo o el ácido paradisminuirlo.

En caso de cambiar el tipo de materia prima que se utiliza para la carga, se deberedimensionar el biodigestor para adaptarlo a las nuevas condiciones.

No introducir en el digestor fertilizantes fosfatados. Las condiciones deausencia de aire producen compuestos de fósforo altamente tóxicos.

No hacer llama en sitios cercanos.

No usar el gas inmediatamente después de retirar el efluente del tanque dealmacenamiento del digestor. Al realizar esta operación de descarga puedeproducirse eventualmente un efecto de presión negativa que puede tener comoconsecuencia devolver la llama al digestor y provocar una explosión ó Introduciraire al digestor, lo cual sería nocivo para el proceso. Por ello se recomiendacompensar el sistema alimentando al digestor una cantidad igual (carga diaria) al





volumen de efluente retirado del tanque. Efectuada esta operación se dejatranscurrir un tiempo prudencial (no más de ½ hora) para que se restablezca lapresión positiva antes de usar el gas.

Como una buena práctica, sin importar su tamaño, se debe tener en cuentaqué se hará cuando el digestor alcance el final de su vida útil.

Con respecto a la localización del biodigestor, se deben tener en cuenta lassiguientes recomendaciones:

No debe estar próximo a corrientes o nacimientos de agua.Evitar las zonas con tráfico continuo de personas o animales.Localización cerca del sitio donde se usa el efluente.La distancia mínima a lugares muy calientes o donde haya llama debe ser

de 30 metros.

El digestor debe ser diseñado para funcionar como parte de las operacionesde la instalación.

1.2.1 LimpiezaEn términos generales el digestor, sea de estructura sólida fija o de

estructura sólida móvil, debe limpiarse internamente cada dos años. Para realizaresta operación se utilizarán guantes y botas de caucho siguiendo el procedimientodescrito a continuación:

Suspender la carga diaria.A los 15 días aproximadamente, cerrar la válvula de gas y desconectar la

línea

de conducción. Dejar escapar el gas abriendo la válvula.Desocupar el digestor utilizando un balde de plástico o una bomba, si lahay. El contenido del digestor se usa como abono, diluido en una proporción deuna parte de efluente en tres partes de agua.

Para efectuar una buena limpieza se Lavan las paredes, el fondo y elalmacenamiento de gas con un cepillo de cerdas duras, no metálicas y agua, nose debe usar jabón ni ningún tipo de detergente pues cualquier residuo de estosinhibe la acción de las bacterias deteniendo el funcionamiento del aparato.

Al final se retiran con balde las aguas de lavado.Conviene inspeccionar el tanque para descubrir filtraciones. Si las hay,

proceder a su reparación.

1.2.2 Líneas de conducciónInspección periódica (preferiblemente todos los días en el momento de

efectuar la carga) de la línea de gas en las uniones, válvulas, acoples y demásaccesorios para detectar fugas. Si éstas se presentan, deben repararse deinmediato, cambiar las piezas o sellar los escapes con pegante comercial paraPVC o con resina epóxica.





Purgar periódicamente las trampas de agua y de ácido sulfhídrico,utilizando el grifo de drenaje de la respectiva caja.

Revisar semanalmente el relleno de trampa de ácido sulfhídrico. Si elrelleno está “gastado”, remplazarlo por material nuevo para garantizar el correcto

funcionamiento de la trampa.





Tabla 9 - Diámetro de tuberías de conducción de biogás13

FLUJO DEBIOGÁS(m3 /hora)

DISTANCIA AL LUGAR DE USO (metros)25 50 100 150

0.45 ½” 1m a 25 m: ¾” ¾” ¾”

25 m a 50 m: ½”

0.68 ½” ¾” ¾” 1m a 100 m: 1”

100 m a 150 m: ¾”

0.90 ½” 1” ¾” 1m a 100 m: 1”

100 m a 150 m: ¾”

1.35 ½” ¾” 1m a 75 m: 1” 1”

75 m a 100 m: ¾”

1.81 ½” 1” 1m a 50 m: 1 ½” 1m a 100 m: 1 ½”

50 m - 100 m: 1” 100 m a 150 m: 1”

1.2.3 Limpieza del gasEl biogás producido usualmente necesita diferentes grados de limpieza, tan pronto

como sea posible, luego de su generación por dos razones principales:El gas es corrosivo y puede dañar los motores.Por razones de seguridad e higiene; es necesario realizar una evaluación de riesgo.

Alternativamente, la zonificación puede utilizarse para excluir al personal de lasáreas que puedan representar un riesgo. En general, no es aconsejable quemar el gasproducido en otra parte que no sea un motor para producir electricidad o en un quemadorpara producir calor.

Existen diferentes formas de limpiar el gas. Lo mejor es escoger el equipoapropiado, consultar a los fabricantes sobre los mejores métodos para requerimientos deplantas específicos y asegurar que quien va a manejarlo este completamente entrenado paraoperarlo eficientemente.

2 RIESGOS EN LA OPERACIÓN

Una buena práctica requiere una planeación y manejo cuidadosos para asegurar queel beneficio de los productos de la digestión anaerobia, incluyendo la producción sosteniblede energía, sea acorde con el manejo sensitivo y efectivo del sistema. Como en todo

desarrollo industrial agrícola o pequeño, la operación del esquema tendrá algún riesgo deimpacto ambiental negativo. Todos estos aspectos requieren ser direccionados con el fin deobtener los permisos respectivos y para que puedan ser realizados bajo las condicionesplaneadas.

13 Anil K Dhussa, Designing biogás distribution system Bioenergy, Renews 2, 1983





Algunos de estos impactos y sus actividades de mitigación, pueden ser mínimos eninstalaciones pequeñas. Sin embargo, incluso los sistemas a mayor escala puedencompararse más fácilmente con otros desarrollos agrícolas que con instalaciones

industriales.

En general y especialmente en instalaciones de mayor escala, se deben atender lossiguientes aspectos:

Emisiones al aire: Existe el potencial de emisiones de metano (gas de efectoinvernadero) a la atmósfera por fugas del sistema. Es importante asegurar la combustióneficiente ya que el monóxido de carbono (por riesgos a la salud humana), los óxidos denitrógeno (precursor de la lluvia ácida) y los componentes orgánicos volátiles(contaminantes tóxicos del aire) son liberados a niveles inaceptables sí el biogás no sequema completamente.

Emisiones al suelo y cursos de agua: Los cursos de agua podrían ser afectados pordescargas, resultado de un almacenamiento deficiente de la materia prima, de uninapropiado almacenamiento del efluente o por su derrame. Se requerirán contenedores enel sitio en caso de presentarse derrames accidentales o escapes que afecten los cuerpos deagua, si esto sucediera debe notificarse de inmediato a la autoridad ambientalcorrespondiente. Las medidas de prevención de la contaminación de suelos deben tomarseen la etapa de planeación.

Trazas de amoniaco y de ácido sulfhídrico: Pueden surgir durante la producción delgas, del almacenamiento de las materias primas y en los recipientes de mezcla o tanquestransportadores. La exposición a cualquiera de estos gases puede ocasionar enfermedades ola muerte. Los niveles presentes en el biogás pueden variar amplia y cíclicamente, el

dióxido de carbono, el amoniaco y el ácido sulfhídrico son todos gases tóxicos y estánsujetos a regulaciones como sustancias peligrosas para la salud.Personas que trabajan con sistemas de biogás: Deben conocer el riesgo de

exposición a estos gases y a otras sustancias peligrosas como los patógenos, con el fin detomar medidas para controlar este riesgo.

Identificar los riesgos: Durante el diseño del sistema o en la etapa de construcción,se pueden presentar situaciones de riesgo durante la operación normal o durante elmantenimiento y reparación. Su clara identificación hará que la operación subsecuente dela planta sea más fácil.

Una buena práctica contempla el uso de medios para controlar riesgos. Los

controles pueden incluir remover los elementos tóxicos del gas, estabilizar totalmente lossistemas cerrados, sistemas que minimicen o concentren las sustancias peligrosas, sistemasde aireación local y general o como último recurso, equipos de seguridad personal. Loscontroles utilizados no deben depender de la aireación (que puede crear riesgos encualquier sitio debido a la naturaleza de los gases emitidos).





3 CONDICIONES ESPECIALES

Con base en la información obtenida de los pasos anteriores se puede realizar una

evaluación inicial. Incluso si no se cumplen uno o más pasos, aún existe la posibilidad paraproducir biogás bajo ciertas circunstancias.

La recuperación del biogás se justifica bajo ciertas condiciones especiales comopodrían ser:

Problemas severos de olores: En algunas fincas, los olores asociados con residuosorgánicos atentan contra la calidad del aire, son un daño para los vecinos. En áreas dondeestos problemas son significativos, la instalación de un sistema de producción de biogásserá favorable, ya que este remueve los olores. Utilizar digestores con el fin principal decontrolar los olores es un beneficio si los costos de no controlar son substanciales.

Problemas ambientales: Los residuos orgánicos son una fuente de contaminaciónagrícola la cual afecta canales, suelos y aguas subterráneas. Los sistemas de biogás ayudana reducir esta contaminación dando al propietario un punto de control y ganancia delmanejo de residuos.

Alto costo de la energía: Los altos costos de la energía favorecen este tipo deproyectos. Lugares pequeños podrían mantener potencialmente proyectos de recuperaciónde gas rentables.

Alto costo de fertilizantes comerciales.





REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

BritishBiogen, Anaerobic Digestion of farm and food processing residues, Good

Practice Guidelines.

EPA, A Manual For Developing Biogas Systems at Commercial Farms in theUnited States, AgStar Handbook, First edition,US, July 1997

GTZ, Difusión de la tecnología del biogás en Colombia, Cali, 1987

Instituto de Investigaciones Tecnológicas; Plantas de biogás: diseño, construcción yoperación; Bogotá; 1990

Marchaim, Uri; Biogas Processes for sustainable development; FAO; 1992

Martinez, Arturo; Tecnología de la fermentación anaerobia; Bogotá, sin fecha.

UNIDAD DE PLANEACIÓN MINERO ENERGÉTICA. FORMULACIÓN DEUN PROGRAMA BÁSICO DE NORMALIZACIÓN PARA APLICACIONES DEENERGÍAS ALTERNATIVAS Y DIFUSIÓN. Documento ANC-0603-19-01. GUÍAPARA LA IMPLEMENTACIÓN DE SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE BIOGÁS.Versión 01. Unión Temporal ICONTEC – AENE. Bogotá, D.C., Marzo de 2003

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