UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE NICARAGUA “Sirviendo a la Comunidad”

Centro de Estudios Biotecnológicos

MANUAL DE OPERACIÓN DE LAS PLANTAS DE BIOGÁS DE PRESIÓN HIDRÁULICA DE TAMAÑO FAMILIAR 

Este manual fue elaborado por la empresa propietaria de la tecnología y traducido por el Centro de Estudios de Biotecnología (CEBiot). En él encontrará la información básica para la puesta en marcha y operación de un biodigestor de presión hidráulica de tamaño familiar (6 ó 10 m3), así como la solución de los problemas más frecuentes en la digestión anaerobia dentro del biodigestor. Se incluye además información sobre las medidas que se deben cumplir para la operación segura de los biodigestores.

Versión en español (ampliada)

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Contenido Conocimientos básicos sobre biogás ........................................................... 3 1.  Que es biogás ......................................................................................... 3 2.  Condiciones necesarias para la producción de biogás ........................... 3 3.  Usos del biogás y los residuos ................................................................ 3 

Uso y mantenimiento diario de la planta de biogás ..................................... 4 1.  Primera carga de alimentación y operación inicial de la planta de biogás ............................................................................................................ 4 2.  Mantenimiento diario de la planta de biogás. ....................................... 5 

Medidas de seguridad para el uso del biogás .............................................. 5 1.  Evitar el rango de explosión y eliminar las llamas .................................. 5 2.  Presión ................................................................................................... 6 3.  Características técnicas del medidor de presión .................................... 7 4.  Equipos que utilizan biogás .................................................................... 7 5.  Protección del medio ambiente ............................................................. 8 6.  Ventajas de la tecnología de producción de biogás ............................... 8 

Apéndice .................................................................................................... 9  

Tabla 1. Relación entre el volumen de la planta de biogás y las cabezas de ganado mantenidas ........................................................ 9 Tabla 2. Material fresco necesario para producir 1 m3 de biogás .... 9 Tabla 3. Parámetros para el material fresco ................................... 10 

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Conocimientos básicos sobre biogás

1. Que es biogás El biogás es un combustible producido durante el proceso de fermentación anaerobia de biomasa como heces, estiércol, residuos de comida, hierba, paja, etc. Este biogás contiene de 55 a 70% de metano (CH4), de 30 a 45% de dióxido de carbono (CO2), vapor de agua, monóxido de carbono (CO) y trazas de hidrógeno de azufre (H2S). El poder calorífico es de 5142 Kcal/m3.

2. Condiciones necesarias para la producción de biogás  

2.1. Ambiente anaerobio estricto: Las bacterias que producen metano son particularmente sensibles al oxigeno y no pueden sobrevivir en ambientes aerobios, por tanto, la llave del éxito para la producción de biogás en un reactor de digestión anaerobia (planta de biogás) es proporcionarle en su construcción un ambiente estrictamente anaerobio, o sea, sin presencia de oxígeno.

2.2. Inóculo suficiente: Las bacterias metanogénicas necesarias para la fermentación anaerobia (cepas) provienen del lodo anaerobio activo, Estos lodos necesarios para poner en marcha una planta de biogás constituyen el inòculo y pueden provenir de plantas de tratamiento de agua o del alcantarillado. También se puede utilizar como inóculo el estiércol de vaca o de cerdo.

2.3. Temperatura adecuada para la fermentación: Las materias metanogénicas pueden

fermentar biomasa a una temperatura entre 8 y 650C. Mientras más alta sea la temperatura, mayor actividad tendrán las bacterias metanogénicas y mayor será la producción de biogás.

2.4. pH apropiado: Las bacterias metanogénicas crecen en un ambiente neutro o

ligeramente alcalino, por lo que el valor de pH del líquido interior de las plantas de biogás debe controlarse y mantenerse entre 6.8 y7.5.

2.5. Adecuada relación carbono - nitrógeno: Cuando la relación carbono - nitrógeno de

la materia alimentada sea de 20-30:1, las bacterias anaerobias estarán activas y por consiguiente, la producción de biogás será más rápida. En la Tabla 3 del Apéndice se muestra la relación carbono : nitrógeno para diversos sustratos.

3. Usos del biogás y los residuos 

3.1. El principal componente del biogás es el metano (CH4) cuyo contenido normalmente oscila entre 55 y 70%. El CH4 es un combustible con baja emisión de carbono (energía limpia), que puede ser usado directamente como combustible en sustitución del combustible Diesel, del gas natural o del gas licuado del petróleo y también puede ser utilizado para la generación de electricidad.

3.2. El residuo líquido y los lodos de las plantas de biogás son buenos fertilizantes

orgánicos que pueden ser utilizados en la agricultura.

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Uso y mantenimiento diario de la planta de biogás

1. Primera carga de alimentación y operación inicial de la planta de biogás 

1.1. Preparación del inóculo: Como inóculo se puede utilizar estiércol de vaca o residuos de una planta de biogás en marcha. En la primera carga de alimentación para la operación inicial, se debe adicionar al material de alimentación, una cantidad de inóculo mayor del 10% de la capacidad del digestor (1 m3 para una planta de 10 m3). Mientras más inóculo se añada, más fácil será la operación inicial.

1.2. Primera alimentación: Mezclar el material fresco con el inóculo y cargar el digestor por la tubería de entrada. La concentración de sólidos en la primera carga de alimentación debe estar entre 4 y 6%.

1.3. Sellar la planta de biogás con agua: Después de que se depositen dentro del digestor el material fresco y el inóculo, adicione agua hasta que el nivel de agua esté sobre el tope del gasómetro. Cuando se adiciona el agua, las válvulas del gasómetro deben estar abiertas de forma que se pueda desplazar el aire contenido en el gasómetro. El agua que se añade a la planta de biogás puede ser agua residual doméstica, agua almacenada o agua de pozo, pero no puede ser nunca agua tóxica. La temperatura del agua debe estar por encima de los 20 0C. En caso de inviernos fríos, es una buena opción usar el agua tibia de pozo.

1.4. Prueba de ignición: Se producirá biogás de 3 a 10 días después que la planta de biogás se selló con agua. Usualmente el biogás producido en los primeros días no puede hacer combustión, porque la concentración de metano es muy baja. Si no se logra encender el biogás, se debe liberar todo el contenido del gasómetro y repetir la prueba de ignición hasta que el biogás pueda encender.

1.5. Ajustes de la operación inicial: Cuando se produce un evento de acidificación, el contenido de metano baja tanto que el biogás no puede encender por un largo tiempo o, la producción de biogás disminuye rápidamente, pudiendo llegar incluso a detenerse completamente y además el color del líquido dentro del reactor se pone amarillo. Para resolver este problema hay diferentes vías que se pueden utilizar, en dependencia del nivel de acidificación que se tenga:

a. Si el pH no está por debajo de 6.0, la planta de biogás puede ajustar su pH automáticamente. Los valores de pH irán aumentando gradualmente y la producción de gas se normalizará, pero este proceso puede durar mucho tiempo. Para reducir el tiempo de este proceso de estabilización se puede agregar más inóculo.

b. Si el pH está por debajo de 6.0, se debe sacar líquido del interior del digestor y poner la misma cantidad de inóculo dentro del reactor, al mismo tiempo agregar un poco de cal o de ceniza de plantas para ajustar el pH por encima de 6.0.

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c. Si el pH ha sido ajustado por encima de 7 y la planta de biogás aun no produce biogás, significa que dentro del digestor hay productos químicos que matan a las bacterias metanogénicas. En este caso, se debe limpiar el biodigestor y llenarlo nuevamente con inóculo y material fresco.

d. Si el pH ha sido ajustado por encima de 7 y la planta de biogás trabaja normalmente pero con una producción de gas muy baja, significa que hay fugas en las tuberías de gas. En ese caso hay que chequear el sistema de de tuberías y reparar los salideros.

e. Cuando la temperatura de la planta de biogás esté por debajo de 10 0C, se detendrá la producción de biogás. Por lo tanto, en los países donde la temperatura baja mucho en invierno, las plantas de biogás deben ser aisladas térmicamente, cubriéndolas con una capa de aislante o construyendo un invernadero.

2. Mantenimiento diario de la planta de biogás. 

2.1. Para mantener la producción constante de biogás, después de aproximadamente 30 días del día en que la planta de biogás comenzó a producir biogás normalmente, se debe adicionar al reactor, con regularidad, material fresco de fermentación.

2.2. Para mantener una producción de por lo menos 5 m3/día en una planta de 10 m3, se debe alimentar diariamente 150 kg de estiércol de vaca o 110 kg de estiércol de cerdo o 50 kg de restos de comida.

2.3. En el periodo de operación normal, se puede aumentar la concentración de sólidos en el alimento hasta 8 o 10%. El líquido de reboso del digestor puede ser reciclado.

Medidas de seguridad para el uso del biogás

El equipamiento utilizado, la presión a que están sometidos y las medidas de protección del medio ambiente que se apliquen, están estrechamente relacionados con la seguridad de los sistemas de biogás. Por lo tanto, para un uso seguro del biogás hay que cumplir rigurosamente con los procedimientos que más abajo se detallan:

1. Evitar el rango de explosión y eliminar las llamas   Cuando el contenido de biogás en el aire está del 7% al 26%, la mezcla resultante

está en el rango explosivo. En esa situación la presencia de fuego provoca explosión o incendio. Sin embargo, en condiciones adecuadas de funcionamiento, este accidente puede evitarse por completo.

Particularmente importante es el cuidado con el uso del fuego. Las pruebas de encendido del biogás deben hacerse en una estufa, no debe probarse el fuego directamente en una tubería, ya que en ese caso se corre riesgo de explosión por retroceso del fuego.

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En aras de la seguridad, no apile paja, tallos de maíz, yesca u otros materiales combustibles alrededor de las lámparas, las cocinas y las tuberías de biogás. Sea cuidadoso(a) cuando utilice el fuego cerca de los equipos de biogás.

Es necesario tener preparados los extintores de incendio. Cuando se aprecie el olor a huevos podridos, característico de la presencia de biogás

ya que éste contiene siempre una pequeña cantidad del gas Sulfuro de Hidrógeno (SH2), abra rápidamente las puertas y ventanas y cierre la válvula principal de la fuente de gas y apagar de inmediato el fuego o la llama.

2. Presión Los Biodigestores de Presión Hidráulica utilizan un sistema de tuberías de gas a

presión entre los digestores y los aparatos. Esas tuberías se deben considerar no de forma aislada, sino formando parte de una cadena de control y tienen pocos problemas con la presión debido a que son diseñados científicamente y se han dimensionamiento adecuadamente. Las medidas de protección se pueden adoptar fácilmente, tanto en condiciones de alta presión como de baja presión y, en general, el uso cotidiano de los sistemas a presión no causa problemas.

Cuando la presión reflejada en el manómetro sea demasiado grande, se debe utilizar biogás a tiempo o en caso contrario el sistema libera el gas excedente, espontáneamente y de forma segura.

La lectura de los manómetros debe chequearse frecuentemente y deben mantenerse constante los niveles de agua en el digestor y en los gasómetros.

Los equipos que utilizan el biogás (lámparas, cocinas, calentadores, generadores, etc.) resisten perfectamente la presión del sistema, por lo cual su utilización es segura.

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Para detectar posibles salideros, las válvulas, tuberías y conexiones de biogás se deben chequear mediante aplicación de agua jabonosa. Las burbujas que se forman indicarán la presencia de salideros.

3. Características técnicas del medidor de presión 

• Prestaciones y características Este instrumento se utiliza para la medición de la presión del biogás en los distintos recipientes y aparatos y está fabricado de un material durable, altamente resistente a la corrosión y fácil de instalar.

• Parámetros técnicos  El medidor de presión utiliza la unidad de presión internacional estándar kilo Pascal (kPa), la que

equivale a 10,2 cm de columna de agua.

• Instalación El manómetro debe estar instalado en la tubería entre el digestor de biogás y el equipo donde se utilice el biogás, mediante una toma de tipo T, según se muestra en la figura adjunta. El medidor de presión se debe instalar en la pared, apartado 2 metros del equipo y a una altura del suelo mayor de 1,5 metros.

!Atención!  • El manómetro debe estar instalado en un lugar seco. • Se prohíbe sumergir el indicador de presión en agua para prueba de fugas. Las pruebas

se harán con solución jabonosa en las conexiones.

4. Equipos que utilizan biogás  Los equipos que utilizan el biogás son

seguros durante su operación normal. Los conductos de entrada y salida de los

digestores y la parte superior del cuello de los digestores y de los gasómetros de presión hidráulica deben estar tapados, de manera que se evite causar daños al personal o animales (Ver figura adjunta).

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Antes de entrar al digestor de biogás para realizar reparaciones se debe chequear la calidad del aire para lo cual se coloca un pequeño animal en su interior, para comprobar que la calidad es buena. Además, durante todo el trabajo de mantenimiento, debe permanecer personal en el exterior, observando la situación del personal que trabaja dentro.

5. Protección del medio ambiente  El biogás contiene una cierta cantidad de Sulfuro de Hidrógeno (H2S) y gases

combustible como el Metano (CH4), así como Monóxido de Carbono (CO) e hidrocarburos pesados, entre otros. Para que el contenido de H2S se reduzca hasta un nivel seguro, se emplean equipos desulfuradores, los cuales dejan siempre un contenido mínimo de H2S que permita que el olor característico del mismo permita detectar los escapes de biogás. Esa cantidad es suficientemente pequeña como para no causar daños a las personas o contaminación.

El material líquido residuo del proceso es el que queda en el fondo del digestor después de la fermentación y está compuesto por abundantes ácidos orgánicos como el ácido húmico, proteínas, nitrógeno, fósforo, potasio y elementos traza y constituye un fertilizante de alta calidad así como alimento para peces y otros animales. Es rico además en aminoácidos, vitaminas del complejo B, complejo de enzimas hidrolíticas, ciertas auxinas y materiales diversos que protegen los cultivos de las plagas. Normalmente contiene menos de 1% de sólidos.

El material sólido residual, que se separa del residuo líquido, se utiliza principalmente como fertilizante orgánico.

6. Ventajas de la tecnología de producción de biogás • Producción de energía limpia y renovable a partir de estiércol y residuos

producidos localmente. • Solución de problemas de tratamiento de residuales. • Se obtiene fertilizante orgánico mejorado. • Se reducen las emisiones de uno de los Gases de Efecto Invernadero más

importantes: el CH4 (1 tonelada de CH4 produce el mismo efecto que 21 toneladas de CO2).

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Apéndice

Tabla 1. Relación entre el volumen de la planta de biogás y las cabezas de ganado estabuladas

Ítem Unidad Cerdo Vaca Oveja Pollo Heces diarias kg. 3.0 15.0 1.5 0.1 Contenido de materia seca % 18 17 25 30 Planta de 6 m3 5 1 20 167 Planta de 8 m3 7 2 28 222 Planta de 10 m3 8 3 32 278

Tabla 2. Material fresco necesario para producir 1 m3 de biogás

Material fresco Contenido de agua %

Tasa de producción de biogás por Kg de

materia seca (m3/kg)

Material fresco necesario para producir

1 m3 de biogás (kg) Material

seco Material fresco

Estiércol de cerdo 82 0.25 4.00 22.23 Estiércol de vaca 83 0.19 5.26 30.96 Estiércol de pollo 70 0.25 4.00 13.34 Heces humanas 80 0.30 3.33 16.67 Paja de arroz 15 0.26 3.84 4.53 Paja de trigo 15 0.27 3.70 4.36 Tallos de maíz 18 0.29 3.45 4.21 Hierba fresca 76 0.455 2.20 9.17 Jacintos de Agua 93 0.31 3.23 46.15

 

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Tabla 3. Parámetros para el material fresco

Material fresco C% N% C:N

Contenido de metano del biogás producido

(%)

Tiempo para

obtener gas (d)

Contenido de materia seca (%)

Tasa de producción

de gas por kg de materia

seca (L/Kg)

Tasa de producción

de biogás por kg de materia fresca (L/Kg)

Paja seca de trigo 46 0.53 87:1 59 82 425 348 Paja seca de arroz 42 0.63 67:1 61 83 409 340 Tallos de maíz 40 0.75 53:1 53~59 90 80 412 Hierba fresca 11 0.54 26:1 70 60 24 455 107 Estiércol fresco de oveja

16 0.55 29:1

Estiércol fresco de vaca

7.3 0.29 25:1 50~60 90 17 205 35

Estiércol fresco de cerdo

7.8 0.60 13:1 65 60 18 425 77

Heces frescas humanas

2.5 0.65 2.9:1 50 30 20 426 85

Estiércol fresco de caballo

10 0.24 24:1 60 90 279