VALORIZACIÓN DEL ESTIÉRCOL DE CERDO A TRAVÉS DE LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS

Antonio Carlos López Pérez

ASOCIACIÓN COLOMBIANA DE PORCICULTORES FONDO NACIONAL DE LA PORCICULTURA

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INTRODUCCIÓN

A partir de la Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Medio Ambiente Humano en 1972 en Estocolmo ha crecido la conciencia sobre el deterioro del medio ambiente y sus consecuencias y en la Cumbre de La Tierra en Río de Janeiro en 1992 la mayoría de los Jefes de Estado se sintieron comprometidos con la problemática del medio ambiente. El informe “Nuestro Futuro Común” presentado en 1987 por la Comisión Brundtland introdujo el término de “desarrollo sostenible”el cual se convirtió en la base de cinco documentos de acuerdo de la Cumbre de la Tierra. Después de la Conferencia de Río, el concepto de desarrollo sostenible se ha vuelto fundamental a nivel nacional e internacional y se define como aquel que “satisface las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las futuras generaciones para satisfacer sus propias necesidades”. En Colombia este principio está consignado en la Constitución Nacional.

Los problemas actuales para implementar el esquema de desarrollo sostenible en la agricultura se relacionan principalmente con las dificultades conceptuales y con la falta de metodologías operacionales. La agricultura sostenible abarca varios ámbitos, como la preservación de recursos naturales, las tecnologías limpias, las tecnologías de bajo costo con el mínimo uso de insumos industriales, cultivos orgánicos, etc.

Las instituciones que rigen la política ambiental y que promueven el desarrollo sostenible deben decidir sobre la estructura de incentivos, diseñar las políticas y ser capaces de ponerlas en práctica, involucrar al sector privado y asegurar la participación de las comunidades.

En el marco de desarrollo sostenible, impulsado por el Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial en coordinación con el sector empresarial, se estableció el Programa de Producción Más Limpia.

La globalización de la economía, la necesidad de aumentar la competitividad de la industria nacional en los mercados mundiales, que exigen cada vez más la producción ambientalmente limpia y mayores controles ambientales, inducen un cambio progresivo hacia las nuevas tecnologías, más respetuosas con el medio ambiente.

Cada año, la actividad microbiana libera entre 590 y 880 millones de toneladas de metano a la atmósfera. Cerca del 90% del metano emitido proviene de la descomposición de biomasa. El resto es de origen fósil, o sea relacionado con procesos petroquímicos. La concentración de metano en la atmósfera en el hemisferio norte es cerca de 1.65 partes por millón.

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I. FUENTES DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA Normalmente se habla en forma independiente de la energía solar y eólica, subrayando su disponibilidad ilimitada. Sin embargo, estas fuentes de energía enfrentan grandes restricciones debido a su intermitencia y baja densidad, lo cual obliga que para su utilización se requiera contar con almacenamiento de energía para días nublados o de calma y ello hace que sus costos se eleven en un alto grado. a. Energía solar. Se ha hecho énfasis en colectores planos en virtud de que su tecnología puede ser artesanal.

Su utilidad cubre el suministro de agua caliente para diversos usos domésticos o industriales y la requerida en el digestor para su carga y calefacción.

b. Energía eólica. Se basa en las distintas formas de utilizar la energía del viento. Su aplicación será la generación de energía eléctrica, bombeo de agua y disponibilidad de energía mecánica, abriendo de esta manera la posibilidad de un sinnúmero de actividades productivas.

c. Energía hidráulica. La utilización de pequeñas caídas de agua, así como de ríos de pequeño caudal es sumamente atractiva mediante ruedas hidráulicas, microturbinas y motores hidráulicos que podrían dar, a los sistemas integrados, energía en forma continua para generación de energía eléctrica y energía mecánica.

d. Digestores de desechos orgánicos. La fermentación anaerobia de desechos animales y vegetales bajo ciertas condiciones de presión y temperatura, produce gas metano en cantidad proporcional a la cantidad disponible de desechos.

Tabla. Usos y aplicaciones de los diferentes sistemas de generación de energía

Usos Solar Eólico Hidráulico Biogás Alumbrado X X X X Cocina X X Bombeo agua X X X Industria mecánica y eléctrica X X X Industrias (eléctrica térmica) secado, destilación, agua caliente.

X X

El poder calorífico del biogás lo convierte en un combustible apreciable, tanto en el ámbito doméstico, alumbrado y cocción de alimentos, como en la industria, en la producción de energía calorífica, mecánica o eléctrica al ser usado en caldera o en motores de combustión interna. Tabla . Poder calorífico de diferentes combustibles y su equivalente referido al biogás

Combustible Poder calorífico kcal / m3 Poder calorífico kcal / kg Equivalentes a 1000 m3 de biogás

Biogás Gas natural Metano Propano Butano Electricidad Carbón Petróleo Fuel Oil

5.335 9.185 8.847

22.052 28.588

860 kcal / kw-hr --- --- ---

--- --- --- --- --- ---

6.870 11.357 10.138

1.000 m3 581m3 603 m3 242 m3 187 m3

6.203 m3 776 kg 470 kg 526 kg

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El biogás es incoloro, inodoro e insípido, por lo que es difícil detectarlo; pero por tener una densidad menor que la del aire su peligrosidad asfixiante y explosiva disminuye al construir locales altos y con ventilación. La temperatura crítica del metano es – 82º C (116.5º F) y una presión crítica de 45.8 kg / cm2 (673 psi), características que obligan a utilizar el gas en su estado natural, ya que el equipo para licuarlo consume demasiada energía y lo hace incosteable en unidades de poca producción. Con respecto al CO2 es necesario tratar el gas con soluciones de sosa o de cal para eliminarlo o reducirlo. Con ello se puede asegurar el incremento de su poder calorífico, pero la economía del sistema lo afecta considerablemente, además de complicarlo. Un análisis de costo – beneficio de la ganancia de poder calorífico contra consumo de reactivos, de agua y de energía llevarán sin duda a concluir que es más ventajoso usar el gas con CO2. Las presiones a las que con regularidad se comprime el biogás son de 7 a 10 kg / cm2 en instalaciones pequeñas, de 28 a 35 kg / cm2 en instalaciones de tratamientos de aguas negras de tamaño regular y de 135 a 200 kg / cm2 en grandes instalaciones. Ventajas al comprimir el gas: � Se facilita su transporte por tubería a los diferentes puntos de servicio; � Su volumen se reduce considerablemente y es posible abastecer cilindros para usar el biogás en vehículos

con motor de combustión interna de cuatro tiempos; � Se reduce el volumen del contenedor primario del digestor; � El gas puede ser empleado en motores diesel o gasolina estacionarios, diseñados o adaptados para gas; � La homogeneidad del gas aumenta por tener volúmenes considerables almacenados en el mismo punto. Desventajas al comprimir el gas: � Casi el 25% de la energía procedente del digestor necesita ser utilizada para comprimir el gas. A su vez, la

eficiencia de compresión es 25%; � Se estaría comprimiendo 1/3 de gas que no es combustible; � Las posibilidades de fuga aumentan; � Los problemas de mantenimiento son mayores; � Hay problemas de especialización de personal. Al decidir el sistema de lavado, compresión y almacenaje de biogás y conocer además el volumen producido por día, se puede decidir la forma de energía en la que se va a transformar el gas. Estas alternativas serían básicamente: � Tener toda la energía disponible como electricidad; � Tener un sistema combinado como energía calorífica y energía eléctrica; � Tener toda la energía directamente como energía calorífica. Tabla . Consumo de biogás en l/h y kcal / h considerando un poder calorífico de 6.000 kcal / m3

Uso l / h kcal / h Lámpara de capuchón Quemador para estufa Quemadores para horno Estufa con 4 quemadores y 1 horno Soplete de gas para plomero

100 320 420

2068 250

600 1.920 2.520

12.408 1.500

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Refrigerador de adsorción 0.064 m3 (2.285 ft3) Motor de combustión interna

83 500

500 HP - h

Cinética del proceso digestivo La situación de la digestión anaeróbica es bastante compleja en comparación con la mayoría de las fermentaciones aeróbicas estériles (por tanda o continuas). Esto se debe a la participación de varias poblaciones diferentes de organismos, a la naturaleza homogénea de los sustratos típicos y a la falta de linearidad resultante de diversos tipos de inhibición. La complejidad de la situación se puede deducir, en parte, analizando el siguiente cálculo de los valores de crecimiento específicos a 37º C de las tres poblaciones que participan en la digestión, según Bryant. Los valores de u son aproximaciones. Tabla. Velocidades de crecimiento calculadas a 37º C para microorganismos involucrados en la digestión anaerobia

Clase de organismo Tasa de crecimiento u**, hr-1 Formadores de ácidos 0.1 – 0.3 Formadores de hidrógeno ? Formadores de metano 0.1 – 0.03

1 N **En donde u = ------- ln ------- No = número inicial de bacterias t No Desde luego existe la posibilidad de que las poblaciones se desincronicen. Lo que con mayor frecuencia ocurre es la formación excesiva de ácido, debida a una adición demasiado rápida de sustrato. En esas condiciones, las productoras de metano no pueden utilizar el ácido con la misma rapidez con que se genera. El ácido producido puede entonces inhibir a las productoras de metano y disminuir o frenar por completo la producción de gas. En este punto, el valor de u es de cero y la situación conocida como “acidificación” es grave y bastante difícil de corregir. Para evitar el problema de acidificación con frecuencia se utiliza una práctica de digestión que consiste en añadir el sustrato tan lentamente como sea necesario para que la tasa de producción de ácido y de otros productos intermediarios se mantenga baja al limitar el sustrato. De esta manera, los productores de metano, último eslabón de la cadena, son capaces de utilizar el hidrógeno y los ácidos precursores en la misma cantidad en que se producen. La digestión anaerobia consiste en la transformación de la materia orgánica contenida en el fango en una mezcla de gases y dióxido de carbono (CO2) en ausencia de oxígeno. Este gas puede ser recogido y utilizado como combustible. De esta forma, la digestión anaerobia, como método de tratamiento de residuos, permite reducir la cantidad de materia orgánica contaminante y, al mismo tiempo, producir energía. El que uno de estos dos objetivos predomine sobre el otro depende de las necesidades de descontaminación del medio y/o de la naturaleza y origen del residuo. El proceso al igual que el compostaje se desarrolla por acción enzimática de los microorganismos que estabilizan la porción fermentable de los residuos a través de las diferentes etapas. Estas fases son: � Fase hidrolítica. En la cual las bacterias descomponen los complejos orgánicos de los carbohidratos,

lípidos y proteínas a compuesto más sencillos como azúcares. � Fase ácida. En la cual se forman formiatos, acetatos y propionatos, etanol, hidrógeno y gas carbónico.

Durante esta fase el pH en el digestor baja a valores menores a 5.

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� Fase metanogénica. Las bacterias anaerobias actúan sobre el sustrato de la fase anterior formando metano y gas carbónico, mediante la reducción del metanol y ácido acético.

Las bacterias metanogénicas son organismos claves en el digestor, su desarrollo es muy lento y son extraordinariamente sensibles a las variaciones que se producen en el medio que las alberga. Está totalmente comprobado que la digestión de los lodos se realiza a cualquier temperatura; sin embargo, el tiempo que se tarda en completar la digestión es variable y está en relación con ella. En este sentido, existen dos grandes clases de bacterias metanogénicas, cuyas temperaturas de desarrollo son muy diferentes: las bacterias mesófilas, cuya temperatura óptima está entre 33º y 45º C y las termófilas, en las que la temperatura se encuentra entre 50º y 60º C. La digestión mesofílica es la más empleada hoy en día. El efluente sufre un proceso de calentamiento hasta elevar su temperatura por encima de los 35º C, de modo que el digestor pueda mantenerse a la temperatura media de proceso de 35º C, estimada como idónea para el desarrollo de las bacterias mesófilas. El biogás producido en el digestor de contacto es conducido a un gasómetro de almacenamiento previo, que elimina la humedad. En este punto tiene lugar la dosificación de cloruro férrico, con el objeto de eliminar el ácido sulfhídrico producido durante el proceso. Valorización del estiércol de cerdo a través de la producción de biogás La oxidación anaerobia se define como aquella en que la descomposición se ejecuta en ausencia de oxígeno disuelto y se usa el oxígeno disuelto de compuestos orgánicos, nitratos y nitritos, los sulfatos y el CO2, como aceptador de electrones. En el proceso conocido como desnitrificación, los nitratos y nitritos son usados por bacterias facultativas, en condiciones anóxicas, condiciones intermedias, con formación de CO2, agua y nitrógeno gaseoso como productos finales. El uso de los sulfatos y el CO2 como aceptadores de electrones requiere condiciones estrictamente anaerobias, es decir ausencia de oxígeno y nitratos. Los carbohidratos contienen oxígeno que puede ser usado como aceptador de electrones; una porción del carbohidrato es oxidado en CO2 y ácidos orgánicos mientras que otra porción es reducida en aldehidos, cetonas y alcoholes. Prácticamente, la descomposición anaerobia es posible con todos los compuestos orgánicos que contienen oxígeno en sus moléculas. En el tratamiento anaerobio se puede, por lo tanto, considerar que ocurren los procesos básicos de la descomposición anaerobia, es decir: desnitrificación, reducción de sulfatos, hidrólisis y fermentación acetogénica y metanogénica. El proceso microbial es muy complejo y está integrado por múltiples reacciones paralelas y en serie, interdependientes entre sí. En su forma más elemental, se puede considerar el proceso anaerobio de descomposición de la materia orgánica compuesto de dos etapas: fermentación de ácidos y fermentación de metano, que ocurren simultáneamente. En la fermentación ácida, los compuestos orgánicos de estructura compleja, proteínas, grasas, carbohidratos, son primero hidrolizados en unidades moleculares más pequeñas y sometidos a biooxidación para convertirlos en ácidos orgánicos de cadena corta, principalmente ácido acético, propiónico y butírico; alcoholes, hidrógeno y CO2.

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En la fermentación metanogénica, los microorganismos metanogénicos, en condiciones estrictamente anaerobias, convierten los productos de la fermentación ácida en CO2 y CH4, principalmente. Se muestra la representación gráfica de Zeikus para la oxidación anaerobia de compuestos orgánicos. Inicialmente las bacterias hidrolíticas, mediante transformaciones enzimáticas, fermentan los compuestos de masa molecular baja como los azúcares, aminoácidos, ácidos grasos y glicerol; adecuados para ser usados como fuente de energía y de carbón celular. Estos compuestos son usados por las bacterias acetogénicas para producir ácido acético, propiónico, butírico, valérico y fórmico; CO2 o hidrógeno, metanol, las bacterias del metano producen metano, dióxido de carbono y agua. La fermentación de metano en el proceso de digestión anaerobia ha sido esquematizada por Parkin y Owen. El esquema supone una serie de tres etapas: (1) hidrólisis, licuefacción y fermentación; (2) formación de hidrógeno y ácido acético; y (3) fermentación de metano; etapas realizadas por cinco grupos bacteriales principales, cada uno con metabolismo dependiente de los otros grupos involucrados en el proceso. Para la hidrólisis y licuefacción del material orgánico complejo y/o insoluble, las bacterias fermentativas producen y excretan enzimas hidrolíticas. Este eslabón del proceso es esencial y puede limitar la fermentación de metano, por ello se considera muy importante proveer una población grande de microorganismos, un sustrato orgánico concentrado y mezcla y temperatura uniforme dentro del reactor. Una vez hidrolizados los compuestos orgánicos complejos, las bacterias forman ácidos orgánicos, por ejemplo ácido propiónico, butírico y valérico, así como ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono. Durante esta etapa fermentativa no existe realmente estabilización, sino una transformación de material orgánico complejo en compuestos más simples. La población bacterial formadora de ácidos puede ser facultativa anaerobia, viable en presencia de oxígeno; o anaerobia obligada, para lo cual el oxígeno es tóxico; o una combinación de las dos. Para que la producción de ácidos sea continua, el hidrógeno debe ser removido pues es inhibitorio de las bacterias formadoras de ácidos. Los grupos de bacterias fermentativas, acetogénicas productoras de hidrógeno y acetogénicas consumidoras de hidrógeno producen básicamente hidrógeno, dióxido de carbono y acetato; las metanógenas reductoras de CO2 y aceticlásticas producen metano. Para manetener una digestión eficiente debe haber producción de metano y debe mantenerse una concentración baja de hidrógeno. La estabilización o remoción biológica anaerobia de DBO ocurre en la etapa de formación de metano, porque éste es poco soluble en el agua y se evapora con el gas que sale del reactor. El CO2 producido también escapa como gas o es convertido en alcalinidad bicarbonácea. La bacteria del metano es estrictamente anaerobia y se cree que sólo puede usar ácido acético, fórmico, metanol o hidrógeno como fuente de energía. La producción de crecimiento biológico es mínima puesto que el oxígeno de los compuestos orgánicos, o sustrato, es removido y reemplazado por hidrógeno; el residuo es reducido y la mayoría de la energía liberada en el catabolismo anaerobio permanece en el metano y no es utilizada en síntesis celular. En términos de DQO, la producción de metano en la digestión anaerobia fue esquematizada por McCarty. Según dicho esquema, aproximadamente un 72% del metano formado proviene de la descomposición del acetato por las bacterias aceticlásticas, un 13% del ácido propiónico y un 15% de otros productos intermedios. Los porcentajes reales serán, posiblemente, diferentes para distintos residuos; sin embargo, la mayor parte del metano producido provendrá de la fermentación del ácido acético, el cual es el ácido predominante en la fermentación de carbohidratos, proteínas y grasas. Por otra parte, el ácido propiónico se forma principalmente durante la fermentación de carbohidratos y proteínas. Por ello, en el proceso son muy importantes las bacterias que utilizan ácido acético y ácido propiónico. Las ecuaciones verbales que resumen el proceso anaerobio, incluyendo crecimiento, serían:

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Bacterias Materia orgánica + nutrientes --------� células + Ácidos volátiles + Alcoholes + H2 + CO2 Bacterias Ácidos volátiles + Alcoholes + H2 + CO2 + Nutrientes ----� Células + CH4 + CO2 Los principales productos de la fermentación ácida, los cuales son, a la vez, la fuente de formación de metano, se incluyen en la tabla 4.1. Algunos mecanismos típicos de formación de metano se muestran en la tabla 4.2. Según McCarty las condiciones óptimas para un proceso anaerobio eficiente son: (1) Nutrientes suficientes; (2) pH entre 6.5 y 7.6; (3) Temperatura en el intervalo mesofílico de 30 – 38º C o en el intervalo termofílico de 50 – 60º C; (4) Ausencia de oxígeno y (5) Ausencia de sustancias tóxicas. Tabla 4.1 Productos principales de la fermentación ácida Ácidos volátiles: Ácido fórmico HCOOH Ácido acético CH3COOH Ácido propiónico o láctico CH3CH2COOH Ácido butírico CH3CH2CH2COOH Ácido valérico CH3CH2CH2CH2COOH Ácido isovalérico (CH3)2CHCH2COOH Ácido capróico CH3CH2CH2CH2CH2CH2COOH Otros productos: Hidrógeno H2 Dióxido de carbono CO2 Metanol CH3OH Metilamina (CH3)3N Tabla 4.2 Mecanismos típicos de formación de metano

1. Descomposición de Ácido acético Bacteria aceticlástica CH3COOH ---------------------------------� CH4 + CO2 CH3COO- + H2O � CH4 + HCO3- 2. Reducción de CO2 Metanógenas reductoras de CO2 CO2 + 4H2 ----------------------------------� CH4 + HCO3- 3. Descomposición de ácido propiónico CH3CH2COOH + 0.5H2O ----------� CH3COOH + 0.25 CO2 + 0.75CH4 4. Descomposición de ácido fórmico 4HCOOH � CH4 + 3 CO2 + 2H2O 5. Descomposición de metanol 4CH3OH � 3CH4 + CO2 + 2H2O

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6. Descomposición de metilaminas 4(CH3)3N + H2O � 9CH4 + 3 CO2 + 6H2O + 4NH3

Cualquier reacción o condición que impida la formación del metano produce una reducción de eficiencia en remoción de DBO en el proceso anaerobio. Una de las reacciones que compite con la reacción metanogénica es la reducción de sulfatos a sulfuros por las bacterias reductoras de sulfato. Esta reducción consume DBOUC que sería convertida en metano. Las formas más comunes de sulfuros son la de HS- y el H2S; como el HS- y el H2S permanecen en solución, la DB no es removida de ella puesto que solamente se hace un cambio de materia orgánica en sulfuros. Los sulfatos son primero reducidos a sulfitos y luego a tiosulfitos y azufre, antes de ser reducidos a sulfuros. Si existe una proporción alta de materia orgánica / sulfatos, la reacción procede hasta los sulfuros, pero si hay gran cantidad de sulfatos y poca materia orgánica, las reacciones metabólicas se detienen en los sulfitos y tiosulfitos. Cuando el SO4- es completamente reducido a sulfuros, se consumen 2 g de DBOUC / g SO4- -S; por lo tanto, un agua con 100 mg SO4-S / L y DBOUC de 300 mg / L consumiría aproximadamente 200 mg / L de DBOUC para reducción del sulfato y dejaría sólo 100 mg DBOUC para producción de metano, con lo cual se disminuye la producción de gas y se deteriora la remoción de DBO. La presencia de bacterias reductoras de sulfatos afecta adversamente la metanogénesis: CH3COO- + SO-4 + 1.5 H+ � CO2 + HCO3- + 0.5 H2S + 0.5 HS- + H2O En resumen, en el proceso anaerobio, las bacterias Ácidogénicas y las metanogénicas conforman una simbiosis que hace posible el proceso. En el reactor, las bacterias no metanogénicas y las metanogénicas deben estar en equilibrio dinámico, el reactor debe carecer de OD, debe estar libre de sustancias inhibidoras como los metales pesados y los sulfuros, debe mantener pH entre 6.5 y 7.6, así como suficiente alcalinidad para prevenir pH < 6.2, valor al cual ya no trabajan las bacterias metanogénicas. Además, como la tasa de crecimiento de las metanógenas es lenta, se deben proveer tiempos de retención prolongados. En un digestor de lodos, operado apropiadamente, la alcalinidad oscila normalmente entre 1000 y 5000 mg / L – CaCO3 y los ácidos volátiles se encuentran en concentraciones menores de 250 mg / L.

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II. BIODIGESTORES

2.1 ¿Qué es un biodigestor?

Un biodigestor es, en términos generales, un compartimiento hermético en el cual se fermenta la materia orgánica en ausencia de oxígeno. Como fruto de este proceso se obtiene un gas combustible que posee aproximadamente 66% de metano y 33% de bióxido de carbono.

El material resultante de la biodigestión, o efluente, puede ser directamente usado como abono y como acondicionador del suelo, pues los nutrientes como el nitrógeno se tornan más disponibles, mientras los otros como el fósforo y el potasio no se ven afectados en su contenido y su disponibilidad.

Las principales ventajas de los biodigestores son: � Los residuos de la producción porcina no necesitan tratamiento antes de su inclusión en el biodigestor. � Obtención de energía (biogás). Puede ser empleada en la cocción de alimentos, calefacción de cerdos

pequeños o reemplazo de combustible en el funcionamiento de motores. Esta producción neta de energía puede aumentar sensiblemente la rentabilidad de las explotaciones ganaderas, especialmente las de gran tamaño. Cada 1000 kg de peso vivo de cerdo produce 4.8 kg de sólidos volátiles por día que pueden ser digeridos para producir 2 m3 de biogás que tienen el calor equivalente a 2 litros de propano, los cuales se pueden quemar en un generador para producir 3.5 kilowats/día.

� Se reduce el problema de olores generado por el almacenamiento de estiércol en la granja. � Se mantiene el valor fertilizante del estiércol. La mitad o más del nitrógeno orgánico se convierte en

amoniaco (NH3-N). Una pequeña cantidad de fósforo (P) y potasio (K) se sedimenta como lodo en la mayoría de los digestores.

� Su manejo es sencillo y no requiere mantenimiento sofisticado. � Protección del ambiente por reducción de la carga contaminante de los residuos cuando se hacen

vertimientos puntuales o a cuerpos de agua. La digestión anaerobia en un digestor puede reducir la DBO y los sólidos suspendidos totales (SST) en un 60 – 90%. La reducción de patógenos es mayor a 99% en 20 días de tiempo de retención hidráulica (TRH) de digestión mesofílica.

• El estiércol digerido es más fácil de almacenar y de bombear. � El área necesaria para el procesamiento de la excreta es menor si se compara con los sistemas de

tratamiento aeróbicos. � Para algunos materiales, el costo es relativamente bajo y se puede recuperar la inversión gracias a que se

economiza en la compra de otras fuentes de energía y de abonos. A continuación se relacionan algunos aspectos de importancia de la digestión anaerobia. Tabla. Ventajas del proceso de digestión anaerobia en relación a los factores que se indican.

Factor Ventajas de la digestión anaerobia Variabilidad en la composición

Homogeneización de la composición, más intensa cuanto mayor es el tiempo de retención.

Malos olores y compuestos orgánicos volátiles

Eliminación de ácidos grasos volátiles (AGV) y otros compuestos fácilmente degradables. La materia orgánica resultante es lentamente o difícilmente degradable; el estiércol digerido no presenta olor desagradable y es un producto más estable. En procesos térmicos posteriores se evitan problemas por volatilización de compuestos

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orgánicos. La reducción o eliminación de AGV disminuye la fitotoxicidad a los cultivos por estos compuestos.

Reducción de materia orgánica y total. Mineralización.

Reducción de sólidos totales y volátiles. Reducción de materia orgánica degradable y mantenimiento de las concentraciones de nutrientes. Transformación de nitrógeno orgánico a amoniacal. En caso de separar fase acuosa, el producto resultante presentará menor volumen, manteniendo la misma riqueza fertilizante.

Distribución de partículas y de fracción soluble

Homogeinización en la distribución de partículas, lo cual favorece el diseño y aplicación de procesos posteriores de secado. Hidrólisis de partículas de pequeño tamaño y coloidales, y reducción de orgánicos solubles, con lo cual se facilita la separación entre fases solubles y en suspensión.

Consistencia Consistencia pastosa de la fracción sólida de la porcinaza digerida, lo cual favorece su manipulación y peletización.

Alcalinidad Disminución muy significativa de la relación de alcalinidad para favorecer un proceso posterior de nitrificación, total o parcial. A su vez, y debido a la reducción de materia orgánica, el consumo energético en este proceso será inferior al de la Nitrificación de la fracción líquida de la porcinaza fresca.

Balance energético Balance energético positivo y proceso productor neto de energía renovable. Contribuye a disminuir las necesidades externas de energía para procesos térmicos posteriores. Permite el tratamiento de mezclas con otros residuos para optimizar la producción energética (codigestión), y facilitar la gestión integral de residuos orgánicos en la zona de aplicación del plan (cogestión).

Emisiones de gases de efecto invernadero

El proceso contribuye a la disminución en la generación de gases de efecto invernadero, si el metano producido sustituye una fuente no renovable de energía.

Plantas de tratamiento anaeróbico Los componentes básicos de una planta de tratamiento anaeróbico son: Tanque de mezcla. Es una caja de mampostería o concreto donde se realiza la mezcla de estiércol y agua, que luego se introduce en la cámara de digestión a través del tubo de entrada. Biodigestor (reactor o fermentador). Es un tanque donde se produce la fermentación anaeróbica. Usualmente se construye en concreto o mampostería de ladrillo, fibra de vidrio, acero inoxidable y las plantas tipo balón con material plástico. El gasómetro. Es la sección donde se almacena el gas; el gasómetro y el digestor pueden constituir un solo cuerpo o estar separados. Tanque de descarga. Recibe el material digerido o efluente. En el caso de la lanta de cúpula fija, sirve además, como tanque de compensación de presiones. El efluente. Lodo bastante fluido constituido por la fracción orgánica que no alcanza a fermentarse y por el material agotado (biomasa muerta). Su composición química, el contenido de materia orgánica y otras propiedades, dependen de las características de la materia prima utilizada y de factores ambientales.

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2.2. Tipos de biodigestores

Principalmente se conocen en nuestro medio tres tipos de biodigestores: De cúpula fija, de cúpula móvil y biodigestor tipo salchicha. Estos biodigestores son de flujo continuo lo que permite la entrada y salida constante de fluido. A continuación se hace una breve descripción de cada uno de ellos: De Cúpula Fija

Son aquellos armados en una sola estructura que por regla general es hecha en materiales rígidos (concreto, bloques o ladrillos). Debido a la alta presión que pueden alcanzar en su interior y a la constante variación de la misma, se recomienda su construcción en forma de domo, bajo tierra en suelos estables y firmes, y la impermeabilización de la parte interna de la estructura a fin de evitar el escape de líquido y gases. Estos factores hacen obligatorio el uso de mano de obra altamente calificada para su diseño y construcción.

Biodigestor de Cúpula Fija o Tipo Chino El modelo de cúpula fija tiene como principal característica que trabaja con presión variable; sus principales desventajas, son que la presión de gas no es constante y que la cúpula debe ser completamente hermética, ello implica cierta complejidad en la construcción y costos adicionales en impermeabilizantes. Sin embargo, este modelo presenta la ventaja de que los materiales de construcción son fáciles de adquirir a nivel local, así como la inexistencia de partes metálicas que pueden oxidarse y una larga vida útil si se le da mantenimiento, además de ser una construcción subterránea. De Cúpula Móvil

Los biodigestores de este grupo tienen dos estructuras: la primera al igual que en los de estructura sólida fija, va enterrada y hecha en concreto, bloque o ladrillo; la segunda en la mayoría de los casos es una campana metálica que “flota” sobre la primera estructura.

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Biodigestor de Cúpula Móvil Se caracteriza por tener un depósito de gas móvil a manera de campana flotante. Esta campana puede flotar en la masa de fermentación o en un anillo de agua. Las ventajas de este tipo de planta son que trabajan a presión constante y se puede determinar la cantidad de gas almacenado por el nivel de la campana; pero tiene como desventaja que está expuesto a la corrosión ya que las campanas son generalmente metálicas. Últimamente se ha experimentado con fibra de vidrio y se han obtenido buenos resultados. Además, presenta costos altos de construcción y de mantenimiento, debido al uso periódico de pintura anticorrosiva. De Estructura Flexible

Los altos costos de inversión requeridos para la construcción de biodigestores de estructuras sólidas, impiden que las personas con pocos recursos económicos tengan oportunidad de instalar uno de estos diseños, razón que motivó en Taiwán, en los años 60 la idea de hacer las cámaras de digestión en materiales flexibles (membranas de nylon y neopreno) que aun eran costosas. En los 70 fue usado un material de menor costo, subproducto de las refinerías de aluminio, y veinte años después se recurrió al PVC y al polietileno, material vigente hoy principalmente en América Latina y Vietnam (Polprasert, 1989; Bui Xuan An et al, 1997). Generalmente, estos materiales tienen forma tubular o cilíndrica con la entrada y la salida del material situados en los extremos opuestos y la salida de gas en el centro. El modelo tipo balón, consiste en una bolsa o balón plástico completamente sellado, donde el gas se almacena en la parte superior, aproximadamente un 25% – 30 % del volumen total. Tiene como desventajas que debido a su baja presión es necesario colocarle sobrepesos al balón para aumentarla. Su vida útil es corta, de aproximadamente 5 años y el material plástico debe ser resistente a la intemperie, así como a los rayos ultravioleta. La planta balón está compuesta de una bolsa de plástico o de caucho completamente sellada. La parte inferior de la bolsa (75% de volumen) se rellena de la masa de fermentación, mientras en la parte superior de la bolsa (25%) se almacena el gas. Biodigestor Plástico de Flujo Continuo Tipo CIPAV

Basado en el modelo Taiwanés, la Fundación CIPAV inició la investigación y promoción de biodigestores plásticos de flujo continuo en 1986.

Como fruto de las investigaciones se han estado promoviendo biodigestores que van desde 3 hasta 100 metros cúbicos construidos con polietileno tubular calibre 8 con un diseño que incluye cajas de entrada y salida del material líquido.

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Las principales ventajas de este tipo de biodigestor, comparado con otros diseños y materiales, son su bajo costo, su facilidad de construcción, instalación y manejo, y su mínimo mantenimiento. Formación y composición del biogás El proceso de formación del metano no es propiamente una fermentación, aunque es siempre un proceso anaerobio estricto, y que se denomina, en términos genéricos, como respiración anaerobia. La formación de gas metano se halla precedida de fermentación (en el caso de cultivos mixtos), la cual puede ser de diversos tipos, a saber: alcohólica, acética, butírica, propiónica, fórmica, etc. En los sistemas de producción de gas metano, a partir de diversos desechos orgánicos se pueden presentar las fermentaciones mencionadas, puesto que la diversidad microbiana así lo permite, es decir, se ha observado que la mejor producción de metano o biogás es más factible con los catabolitos de asociaciones microbianas complejas, como se ilustra en la figura ¿?, en la que participan los géneros Propionibacterium, enterobacterias, Clostridium, Butirobacterium, etc., en relación estrecha con las bacterias formadoras del metano (o metanogénicas). Las bacterias metanogénicas no han sido estudiadas tanto como otros grupos bacterianos, aunque algo se conoce de ciertas especies de los géneros Methanobacterium, Methanobacillus, Methanococcus y Methanosarcinas. Por otro lado, se sabe que las metanobacterias son anaerobias estrictas que se desarrollan a pH neutros (siendo muy sensibles a los cambios de éste) y que crecen dentro de un amplio rango de temperatura. Sin embargo, son pocos los conocimientos acerca de la obtención de energía y de los eventos involucrados en el proceso. Los primeros datos del balance estequiométrico proponían que los compuestos precursores del metano eran oxidados hasta CO2, que esta oxidación estaba acoplada a una reducción, de forma que el CO2 se transformaba en metano. De este modo, se citan reacciones acopladas de diversos géneros. Por otro lado, entre las reacciones 1ª y 1c, se podrá apreciar que el proceso de biosíntesis en unos casos es dependiente de CO2 y en otros no, y por extensión, que la dependencia es una función del sustrato. Así pues, cuando el sustrato es metanol o acetato, la formación del metano es independiente de CO2; pero cuando los sustratos son etanol, propionato o butirato es dependiente de CO2. Esto es importante, pues en algunos casos, cuando la producción de biogás es dependiente de la fermentación, ésta tiene que estar en funcionamiento continuo, de otra forma, la biosíntesis de gas metano tendería a anularse. 1. CH3 CH2 OH + 2 HOH 2 CH3 COOH + 8 [H]

8 [H] + CO2 CH4 + 2 HOH a. CH3 CH2 OH + CO2 2 CH3 COOH + CH4 4 H2 8 [H] 8 [H] + CO2 CH4 + 2 HOH b. 4 H2 + CO2 CH4 + 2 HOH 4 CH3 OH + 4 HOH 4 CO2 + 24 [H] 24 [H] + 3 CO2 3 CH4 + 2 HOH + CO2 c. 4 CH3 OH 3 CH4 + 2 HOH + CO2

2. CO + HOH CO2 + H2 CO2 + 4 H2 CH4 + HOH CO + 3 H2 CH4 + HOH

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3. 3 CH3 CH2 CH2 COOH + HOH 4 CH3 COOH + 8 [H] CO2 + 8 [H] CH4 + 2 HOH 2 CH3 (CH2)2 COOH + 2 HOH + CO2 4 CH3 COOH + CH4 4. CH3 CH2 COOH + 8 HOH 4 CH3 COOH + 4 CO2 + 4 CO2 + 24 [H] 3 CO2 + 24 [H] 3 CH4 + 6 HOH 4 CH3 CH2 COOH + 2 HOH 4 CH3 COOH + CO2 + CH4 Sistemas estáticos sin agitación mecánica Parecería que sería suficiente con mezclar el sustrato con los microorganismos y los nutrientes necesarios para obtener un digestor, sin necesidad de agitar. El sistema puede contener fracciones muy altas de sólidos sin que tenga que agitar. El sistema puede contener fracciones muy altas de sólidos sin que tenga que agitar; con sólo añadir el agua necesaria para lograr una actividad termodinámica aproximadamente de 1.0, suficiente para mantener a los microorganismos al proporcionar una fase acuosa adecuada y obtener así las rutas difusionales necesarias. McCarty muestra que aproximadamente el 80% del metano producido proviene de la descarboxilación del ácido acético de acuerdo con la reacción:

CH3-COO- + H2O -------------------- CH4 + CO3H- El metano restante proviene del dióxido de carbono, ácido fórmico y metanol, además todas las especies bacterianas metanogénicas reducen el CO2 a metano en presencia de hidrógeno:

CO2 + 4H2 ------------------- CH4 + 2 H2O Biología de la producción de metano Para diseñar, construir y operar plantas de biogás es necesario conocer los procesos fundamentales involucrados en la fermentación del metano. El proceso de producción de biogás depende de varios factores que afectan la actividad bacteriana, como son por ejemplo el tipo de sustrato, la temperatura, tiempo de retención del material a fermentar, entre otros. Substratos para la producción de biogás Los desechos utilizados como materia prima pueden ser de origen animal como estiércol de ganado vacuno, de cerdos, ovejas, caballos, etc.; de origen vegetal como pulpa de café, hojas de papa, desechos de banano, remolachas y otros; y de origen doméstico consistente en las aguas residuales de letrinas y cocina, sin contenido de jabón. Composición y propiedades del biogás El biogás es un producto de la fermentación anaeróbica, esta compuesto por una mezcla de gases principalmente de metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2). Se estima que la producción de biogás a partir del estiércol de un (1) cerdo adulto es de 0.28 a 0.34 m3 de biogás. Cuando la digestión anaeróbica ocurre en condiciones óptimas el contenido del biogás es:

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Componente Símbolo Porcentaje

Metano CH4 54 – 70 % Dióxido de carbono CO2 27 – 45 % Nitrógeno N2 0.3 – 3 % Hidrógeno H2 0 – 1.0 % Monóxido de carbono CO 0.1 % Oxígeno O2 0.1 % Sulfuro de hidrógeno H2S Trazas

El metano es la base energética del biogás. Es aproximadamente 20% más ligero que el aire (densidad en condiciones normales de 0,7 kg / m3), por lo que al contrario que el propano y butano, no se acumula a ras del suelo, disminuyendo los peligros de explosión. Es un gas inoloro e incoloro. Analizando en su conjunto, como mezcla de estos gases, el biogás tiene las siguientes propiedades: � Grado de inflamación: 6 – 12% de volumen en aire. � Temperatura de inflamación: 600 oC. � Presión crítica: 82 bar � Temperatura crítica: - 82,5 oC � Densidad: 1,2 kg / m3. � Poder calorífico (90% CH4): 7.600 kcal / m3 Factores que influyen en el proceso de digestión anaerobia Las bacterias metanogénicas se caracterizan por su crecimiento lento y por ser muy sensibles a una serie de parámetros externos que es preciso controlar para que la fermentación se verifique con la normalidad deseada. Grado de trituración. Se recomienda que en lo posible los residuos tengan un tamaño de partícula de 2.5 cm. Tiempo de retención hidráulica. Este parámetro puede definirse como el tiempo que debe permanecer el efluente orgánico en el digestor, para alcanzar los niveles de energía y/o reducción de la carga contaminante que se hayan prefijado. Estará dado por la cantidad de residuos fermentable que puede entrar al sistema por día. Este factor depende de la temperatura del medio y de la concentración de sólidos que se quiere mantener. Existen dos parámetros para identificar el tiempo de retención de las sustancias en el digestor: 1. El tiempo de retención de los sólidos biológicos (TRSB) que se determinan dividiendo la cantidad de MO

o SV que entra al digestor entre la cantidad de MO que sale del sistema cada día. EL TRSB es asumido para representar la media del tiempo de retención de los microorganismos en el digestor.

2. El tiempo de retención hidráulico (TRH) es el volumen del digestor (VD) entre la media de la carga diaria. Estos parámetros son importantes para los digestores avanzados de alto nivel, los cuales han alcanzado un control independiente del TRSB y del TRH a través de la retención de la biomasa. La medición del TRH es más fácil y más práctico que el TRSB a nivel de las granjas (An, 1996). Temperatura. La temperatura realmente no afecta la producción absoluta de gas que realmente es dependiente de las características del sustrato. Las altas temperaturas causan una declinación del metabolismo, debido a la degradación de las enzimas; y esto es crítico para la vida de las células. Los microorganismos tienen un nivel

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óptimo de crecimiento y metabolismo dentro de un rango de temperatura bien definido, particularmente en los niveles superiores, los cuales dependen de la termoestabilidad de la síntesis de proteínas para cada tipo particular de microorganismo. Las bacterias metanogénicas son más sensibles a los cambios de temperatura que otros organismos en el digestor. Esto se debe a que los demás grupos crecen más rápido, como las acetogénicas, las cuales pueden alcanzar un catabolismo sustancial, incluso a bajas temperaturas. A medida que aumenta la temperatura también aumenta la actividad metabólica de las bacterias, requiriéndose menor tiempo de retención para que se complete el proceso de fermentación. Si el tiempo de retención es demasiado corto, las bacterias son desalojadas del biodigestor más rápido de lo que pueden reproducirse, deteniéndose así el proceso. En función de la temperatura óptima de crecimiento, los microorganismos se clasifican en: psicrófilos (temperatura óptima de crecimiento inferior a 30º C); mesófilos (óptimo de crecimiento entre 30 y 45º C); termófilos (su temperatura óptima es superior a los 45º C y generalmente entre 50 y 60º C). Como consecuencia de este crecimiento específico de los microorganismos se pueden distinguir las fermentaciones psicrófila, mesófila y termófila. La operación en el rango mesófilo es el de mayor difusión. Tabla. Digestión anaerobia

Microorganismos Temperatura Duración Psicrofilos 15º C 30 - 60 días Mesófilos 35º C 20 – 25 días Termófilos 55º C 10 – 15 días

Hay que tener en cuenta que en los biodigestores de bolsa plástica se produce un efecto invernadero aumentando la temperatura interior favoreciendo la fermentación.

Tabla. Variación de temperatura en invernadero

Temperatura exterior oC Temperatura interior oC

Diferencia oC

0

5

10

15

20

25

30

2

8

16

24

32

40

48

2

3

6

9

12

15

18

La mayor cantidad de gas (80%) se obtiene en los primeros 20 días de digestión como término medio.

Período de digestión, días Gas obtenido (%)

17

Bovino Porcino

0

10

20

30

40

0.0

55.0

25.5

10.5

9.0

0.0

63.1

25.0

7.3

4.6

Por otra parte, debido a que la actividad de los microorganismos metanogénicos se ve afectada por la variación en la temperatura y pensando en que la instalación de una planta deberá tener una mínima inversión en el medio rural, es interesante comparar para una producción dada de gas, el efecto que causa la temperatura en el tiempo de residencia del fermentador, sirviendo esto de base para elegir entre un digestor calentado por algún medio externo o el digestor sin calentamiento, es decir a temperatura ambiente.

Especie Temperatura óptima OC

Tiempo residencia

Días

Gas obtenido

%

Bovino

Bovino

Porcino

Porcino

20

35

20

35

53

27

48

21

90

90

90

90

Al analizar el efluente después de la fermentación se observó que la materia orgánica era superior al 50% de los sólidos totales, lo cual hace del residuo un excelente acondicionador de suelos.

Especie % N

Base Seca

% N

como NH3

% P2O5

Base Seca

% K2O

Base Seca

% Materia

orgánica

pH

Bovino

Porcino

1.7

2.2

12

16

1.4

1.8

0.6

0.8

60

54

7.4

7.8

pH. La digestión anaerobia se desarrolla en condiciones óptimas a un pH de 7,0 – 7,2 pudiendo tener una fluctuación entre 6,7 y 7,6. El pH en el digestor es la función de la concentración de CO2 en el gas, de la concentración de ácidos volátiles y de la propia alcalinidad de la materia prima. Las bacterias responsables del mecanismo de producción de biogás son altamente sensibles a cambios en el pH. Tabla de valores de pH para la producción de biogás

pH pH pH

7 – 7,2 6,2 7,6

Óptimo Retarda la acidificación Retarda la amonización

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Los ácidos grasos volátiles (AGV) y el acetato tienden a disminuir el pH del sustrato (Marchaim, 1992). Si las bacterias metanogénicas no alcanzan a convertir rápidamente los AGV a medida que lo producen las bacterias acetogénicas, estos se acumulan y disminuyen el pH en el digestor. Sin embargo, el equilibrio CO2 – bicarbonato opone resistencia al cambio de pH. Una disminución del pH trae como resultado la inhibición del crecimiento de las bacterias metanogénicas. Ello hace que disminuya la producción de metano y aumente el contenido de dióxido de carbono y se produzcan olores desagradables por el aumento del contenido de sulfuro de hidrógeno. De manera general el pH se mantiene bastante estable a pesar de la producción de ácidos por las bacterias ya que en el medio fermentativo se generan sustancias tampones que garantizan un rango de pH adecuado. Además, la velocidad de formación de ácido depende de la velocidad de la conversión a biogás. Debe existir una proporción óptima de ambas poblaciones bacterianas, metanogénicas y no metanogénicas, lo cual se garantiza con un previo inóculo, que consiste en no menos de un 20% de estiércol líquido iniciador, que fermente no más de 21 días. Este inóculo desarrolla suficientes sustancias amortiguadoras para mantener los valores deseados de pH y genera sulfuro de hidrógeno y otros sulfuros solubles que cubren casi totalmente las altas demandas de condiciones anaeróbicas por las bacterias metanogénicas. Existen dos métodos prácticos para corregir los bajos niveles de pH en el digestor. El primero es parar la alimentación del digestor y dejar que las bacterias metanogénicas asimilen los AGV; de esta forma aumentará el pH hasta un nivel aceptable. Deteniendo la alimentación disminuye la actividad de las bacterias fermentativas y se reduce la producción de los AGV. Una vez que se haya restablecido el pH se puede continuar la alimentación del digestor pero en pocas cantidades, después se puede ir aumentando gradualmente para evitar nuevos descensos. El segundo método consiste en adicionar sustancias buffer para aumentar el pH, como el agua con cal. Las cenizas de soda (carbonato de sodio) constituyen una variante más costosa, pero previenen la precipitación del carbonato de calcio. Alcalinidad. Los medios de fermentación y sobre todo los efluentes animales presentan un poder tampón alto, debido a la presencia de compuestos disociados como bicarbonatos, carbonatos, amoniaco, ácidos orgánicos, etc. Ácidos volátiles. Un síntoma típico de mal funcionamiento de los digestores es el aumento de la concentración de los ácidos volátiles en el efluente. La inestabilidad del proceso puede estar relacionada con una sobrecarga orgánica del digestor, una entrada de elementos tóxicos o inhibidores en el efluente o una variación de temperatura. Un gran aumento de ácidos hará reducirse el pH que inhibirá progresivamente a las bacterias metanogénicas hasta bloquear completamente el proceso anaerobio. Nutrientes. Una de las ventajas inherentes al proceso de digestión anaerobia es su baja necesidad de nutrientes como consecuencia de su pequeña velocidad de crecimiento. La relación C/N puede oscilar entre 20/1 y 30/1. Según Lema et al., la relación N/P adecuada es 1/5 a 1/7.

Relación C / N

Las características nutritivas del estiércol de cerdo con respecto a la relación Carbono-Nitrógeno-Fósforo (C 250/N 6.6/F 1), favorecen el desarrollo de la fermentación anaerobia.

La importancia de las cantidades disponibles de carbono y nitrógeno en el material destinado a la digestión se debe a que la bacteria encargada del proceso anaerobio de descomposición utiliza el carbón de treinta a treinta y cinco veces más velozmente que el nitrógeno. Si la proporción carbono / nitrógeno (C/N) es superior a 30:1 en los residuos que deben ser digeridos, el nitrógeno se elimina antes que el carbono y parte de las bacterias mueren. A medida que estas se mueren, se libera el nitrógeno de las células y se va restableciendo así la

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proporción más elevada. Dado que el proceso de fermentación acaba una vez que se ha consumido todo el carbono, todo el exceso de nitrógeno permanece sin digerir en los residuos y se pierde en el aire cuando se aplica el estiércol como abono. En el proceso de asimilación de N, parte del carbono se oxidará a CO2, de esta forma la concentración de C en el fermentador se reduce cuando las bacterias recobran el N faltante. Entonces la digestión puede continuar, pero el proceso global será mucho más lento que si el material alimentado tuviera una relación más adecuada.

Si la relación es baja, por el contrario el C se terminará antes que el N, originando que el proceso de fermentación se detenga y posteriormente el material perderá el N remanente.

La idea de la digestión anaeróbica es convertir todo el carbono posible a CH4, con la menor pérdida posible de N. Elementos tóxicos. Diferentes metales, el ión amonio y especialmente los metales pesados, llegan a ser tóxicos cuando alcanzan una cierta concentración en el sustrato. Para un correcto funcionamiento, los niveles dentro de los digestores deben mantenerse por debajo de los 2000 mg / litro, lo que se logra aumentando las diluciones de entrada del material. Se debe tener en cuenta que el uso excesivo de desinfectantes en los corrales, al igual que los antibióticos en los animales, pueden provocar inhibiciones y afectaciones en el crecimiento de las bacterias metanogénicas; pues trazas de estos antibióticos pasan a las heces fecales y son arrastrados por el agua junto con restos considerables de desinfectantes (Krebs, 1991). Nivel de carga. Este parámetro es calculado como la materia seca total (MS) o materia orgánica (MO) que es cargada o vertida diariamente por metro cúbico de volumen de digestor. La MO o sólidos volátiles (SV) se refiere a la parte de la MS o sólidos totales (TS), que se volatilizan durante la incineración a temperaturas superiores a 500º C (AOAC, 1980). Los SV contienen componentes orgánicos, los que teóricamente deben ser convertidos a metano. Los residuales de animales pueden tener un contenido de MS mayor del 10%. Según los requerimientos operacionales para un reactor anaerobio, el contenido de MS no debe exceder el 10% en la mayoría de los casos (Oler, 1974). Por eso, los residuales de granjas se deben diluir antes de ser tratados. La eficiencia de la producción de biogás se determina generalmente expresando el volumen de biogás producido por unidad de peso de MS o SV. La fermentación de biogás requiere un cierto rango de concentración de MS que es muy amplio, usualmente desde 1% al 30%. La concentración óptima depende de la temperatura. Eficiencia. Representa la velocidad de conversión de la materia orgánica a biogás y fertilizante. Se puede medir por la variación del contenido de carbono, la reducción de los sólidos volátiles o por la reducción de la demanda química de oxígeno (DQO). De esta eficiencia depende la calidad del biogás y del fertilizante. El biogás es usado como cualquier otro combustible para uso doméstico e industrial, el prerrequisito indispensable es que exista la disponibilidad de quemadores diseñados especialmente para operar con biogás. Algunos aparatos en los cuales se podría utilizar son: • Estufas • Lámparas • Refrigeradores • Calentadores • Incubadoras

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• Motores de generación eléctrica En el mercado de los energéticos, la planta de biogás compite con la leña, el gas propano y la electricidad; fuentes energéticas utilizadas usualmente en la cocción; con el kerosene, las velas y la electricidad en la iluminación, sobre todo en lugares donde el servicio es deficiente o no existe; con el gas propano y la electricidad en la refrigeración y con la gasolina o el diesel, como combustible para motores. El m3 de biogás puede reemplazar 0.46 kg de gas propano, 0,7 litros de gasolina, 0,6 litros de ACPM ó 2 kg de leña, lo que previene en gran medida la destrucción de los bosques. Se ha calculado que 1 m3 de biogás utilizado para cocinar evita la deforestación de 0.335 ha de bosques con un promedio de 10 años de vida de los árboles (Sasse, 1989). Un metro cúbico de biogás totalmente combustionado es suficiente para: � 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 1 hora � Hacer funcionar una incubadora de 1 m3 de capacidad durante 30 minutos � Hacer funcionar un motor de 1 HP durante 2 horas En el mercado de los abonos, la planta de biogás compite con el estiércol fresco y con los fertilizantes químicos; ya que permite un ahorro de la cantidad de otros abonos convencionales sin disminuir la productividad y además presenta un aumento de la productividad al compararla con la de suelos no abonados. En el mercado de tratamiento de residuales; la producción de biogás puede imponerse sobre sistemas de tratamiento aeróbicos tradicionales, que son mucho más caros y complejos. Estudios realizados en Cuba han demostrado que el uso del efluente líquido representa económicamente más beneficio que el propio biogás (Carballal, 1998). Debido a que en el proceso de fermentación solo se remueven los gases generados (CO2, CH4, H2S) que representan del 5 al 10% del volumen total de material de carga, mientras que la mayoría de los nutrientes nitrógeno (N), fósforo (P), potasio (K), magnesio (Mg) y elementos menores contenidos en el líquido alimentado al biodigestor, se conservan durante el proceso de digestión. En el caso del nitrógeno, buena parte del mismo, presente en el estiércol en forma de macromoléculas es convertido a formas más simples como el amonio (NH4+), las cuales pueden ser aprovechadas directamente por la planta. Debe notarse que en los casos donde el estiércol es secado al medio ambiente, se pierde alrededor del 50% del nitrógeno. Los nutrientes anteriores son esenciales para las plantas, por tal razón el efluente del fermentador anaeróbico puede usarse como fertilizante orgánico. Los beneficios económicos y ambientales de la digestión anaerobia están ampliamente documentados. El proceso se configura como uno de los más idóneos para la reducción de las emisiones gaseosas de efecto invernadero, el aprovechamiento energético de los residuos orgánicos, su higienización y el mantenimiento del valor fertilizante de los productos tratados. Para la conservación de los aparatos operados con biogás, especialmente en los motores se debe extraer el sulfuro de hidrógeno (H2S) contenido en el gas. Para lograr esta purificación se emplean varios sistemas: • Filtros de óxido de hierro (FeO2). Para esto se puede utilizar la viruta de hierro, la cual se puede regenerar

con exposición al aire libre. El aire debe inyectarse con cuidado al filtro y puede hacerse con bombas para acuarios.

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• Adición de FeO2 al sustrato. Adicionando 500 g por cada 4000 lt de sustrato, el contenido de H2S pasa de 0,2% a 0,07%. Esta cantidad debe suministrarse diariamente.

• Aprovechamiento de la condensación de agua. Cuando se condensan grandes cantidades de vapor de agua del biogás, se absorbe allí mismo grandes cantidades de H2S, alcanzando remociones de un 30 a 40% del ácido. Este método es muy usado en climas fríos.

• Por adición de aire. Se puede inyectar aire en una proporción del 3% al 5% directamente al digestor o al sitio de almacenamiento del gas, con el fin de que el H2S se descomponga en agua y azufre elemental. Este azufre se puede adicionar al abono líquido resultando benéfico para el suelo. El suministro de aire debe ser controlado, para no crear una mezcla explosiva.

Purificación del biogás La purificación del biogás no es más que la remoción del dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno. El dióxido de carbono es eliminado para aumentar el valor del biogás como combustible. El sulfuro de hidrógeno se elimina para disminuir el efecto de corrosión sobre los metales que están en contacto con el biogás (Hesse, 1983). Para las comunidades rurales es más práctico no ocuparse de la remoción del dióxido de carbono. En general los campesinos prefieren un gas menos eficiente que tener tiempo ocupado en el control del mismo, por lo que en las pequeñas granjas esta labor se considera innecesaria. Para grandes plantas de biogás y otras específicas donde los aspectos técnicos son menos onerosos existen justificaciones económicas para la purificación. A medida que la humedad es menor, la facilidad de combustión es mayor. El agua puede ser eliminada si se pasa el gas a través de cal viva, aunque con ello se afecta el porcentaje de bióxido de carbono. La presencia de bióxido de carbono en el gas presenta el aspecto más grave: reduce el poder calorífico del combustible, y aún más, aumenta la capacidad de almacenamiento así como incrementa la presión de los tanques de almacenamiento. Esto también es causa de baja efectividad en el momento de la combustión de gas, pues requiere algo del calor producido para elevar su temperatura de ignición. A pesar de esto, la operación de absorción resulta sencilla mediante el paso del gas a través de agua de cal. El uso de este absorbente deja de ser práctico y costeable cuando se trabaja a gran escala, en este caso, se emplean sustancias como dietil amina, trietil amina, hidróxido de calcio, carbonato de potasio e hidróxido de potasio. Un análisis de costo – beneficio de la ganancia de poder calorífico contra consumo de reactivos, de agua y de energía llevarán sin duda a concluir que es más ventajoso usar el gas con CO2. El hidrógeno aumenta el poder calorífico del gas, por lo que no es necesario eliminarlo. Por otro lado, el ácido sulfhídrico se presenta en pequeñas cantidades, casi imperceptibles, cuando el ciclo de digestión se alarga más de treinta días. Esta componente afecta cuando el gas se utiliza en la operación de maquinaria, pues ayuda al deterioro del metal; si el uso que se le da al gas es sólo para combustión, la eliminación del ácido sulfhídrico no es de importancia. El método químico más simple y eficiente de remoción del dióxido de carbono es su absorción en agua de cal. El método necesita mucha atención por cuanto el agua de cal se agota y necesita recambiarse frecuentemente, lo que trae como consecuencia su preparación frecuente si no se obtiene comercialmente. El agua de cal puede sustituirse por una solución acuosa de etanolamina, la cual absorbe el dióxido de carbono (y también el sulfuro de hidrógeno). Aunque este proceso es caro para hacerlo rutinario en la purificación del biogás debido al calentamiento periódico al que tiene que ser sometida esta sustancia para su regeneración.

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Otra alternativa es utilizar otro residual fuertemente alcalino como medio de absorción de estos gases como son los efluentes de cultivos de microalgas. El líquido efluente del digestor es vertido directamente en un tanque de gran tamaño para producir el alga Spirulina. El alga es filtrada para ser usada como alimento de cerdos o patos, o bien como aditivo y el agua residual que tiene un valor de pH de 10 o más y es almacenada en un tanque cilíndrico. Esta agua se hace atravesar en contracorriente al biogás. El agua que queda como resultado de esta reacción contiene carbonato de hidrógeno la cual es rehusada en el cultivo de las algas. El dióxido de carbono es bastante soluble incluso en agua neutral (878 cc / litro a 20º C) bajo presión atmosférica, así que el lavado con agua ordinaria es quizás el método más sencillo de eliminación de impurezas. El CO2 es soluble en agua mientras que el metano no lo es. A alta presión, la solubilidad del CO2 aumenta proporcionalmente permitiendo que la concentración de metano en el biogás se incremente (Lau-Wong, 1986). Además de los métodos tradicionales de desulfuración con limaduras de hierro existe un procedimiento basado en la adición de aire al 1.5% del volumen de biogás producido (Henning, 1986). Con este método se asegura una disminución del contenido de H2S de aproximadamente 120 ppm o 0.012% en volumen de biogás.

2.3 EFECTIVIDAD DE BIODIGESTORES TIPO CIPAV EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE EXPLOTACIONES PORCINAS

Los biodigestores plásticos han sido probados en Colombia durante más de 15 años en el tratamiento de aguas residuales de la producción porcina. Durante los primeros años, el principal objetivo de la instalación de biodigestores plásticos era la producción de biogás, pero recientemente se han estado instalando con el fin principal de disminuir la contaminación de las aguas residuales y el impacto de las explotaciones porcinas sobre el ambiente.

Los principales beneficios obtenidos con los biodigestores se dan en la reducción de la carga contaminante de las aguas residuales, y la producción del biogás al que pueden darse diversos usos. Además de lo anterior, el material resultante de la biodigestión o efluente presenta mejores características como abono por tener los nutrientes en una forma más disponible.

2.3.1. Reducción de la Contaminación

Cuando se hacen vertimientos puntuales o a cuerpos de agua, los biodigestores reducen la carga contaminante de las aguas residuales, medida en términos de Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) y Sólidos Suspendidos Totales (SST) en un 60 a 90% después de pasar por el biodigestor, dependiendo del tiempo que permanezca el residuo dentro del biodigestor y de la temperatura.

La tabla 2.1 muestra el promedio de reducción de estos dos parámetros en un sistema de biodigestores en la Reserva Natural Pozo Verde en Jamundí, Valle, a 1050 msnm, con una temperatura ambiental promedio de 24 °C y un tiempo de retención de 10 días. En este sistema se tratan diariamente entre 17 y 20 m3 de aguas residuales provenientes del levante y ceba de cerdos y de un establo para ordeño de ganado. Tabla 2.1 Descontaminación promedio en dos biodigestores plásticos en la Reserva Natural Pozo Verde, Jamundí, Valle del Cauca. Parámetro Demanda Bioquímica de

Oxígeno5 (mg/l) Sólidos Suspendidos Totales

(mg/l) Entrada al biodigestor 3095 3300

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Salida del biodigestor 347 305 Porcentaje de remoción 89% 91%

2.3.2 Producción de Biogás

La composición del biogás varía de acuerdo a la composición de la carga empleada, la cantidad de materia orgánica, la temperatura y el tiempo de digestión.

El poder calorífico del biogás es de 4,500 a 6,300 Kcal por m3. Esto significa que cada m3 de biogás puede reemplazar 0.4 kg de combustible diesel o usarse para cocinar 3 comidas al día para cuatro personas (Polprasert, 1989; Bui Xuan An et al, 1996).

La producción de biogás en biodigestores de flujo continuo oscila entre 0.3 y 0.7 m3 por cada m3 de biodigestor. Un biodigestor de 75 m3 de capacidad genera, por tanto, entre 22.5 y 52.5 m3 por día, dependiendo del tiempo de retención y la temperatura.

Productos resultantes de la biodigestión del estiércol

Biogás

El gas que se produce durante la descomposición tiene un valor calorífico de 5.6 a 7.2 kwh/m3. Una vez se ha purificado el metano, su composición es muy similar a la del gas natural. El proceso de purificación elimina las porciones corrosivas, así como las no combustibles del gas original. El vapor de agua puede eliminarse haciendo pasar el gas a través de un elemento desecante, tal como el cloruro cálcico y de este modo se evita el que se produzca algún tipo de condensación en el conducto del gas, condensación que produciría un enmohecimiento de los conductos de acero ligero. El cloruro cálcico puede regenerarse mediante el calor, con el fin de eliminar el agua absorbida. Tanto el dióxido de carbono como el amoniaco pueden eliminarse haciendo pasar el gas a través de una lechada de cal, ya que ambos gases reaccionan con ella para formar carbonato cálcico y carbonato amónico. Los indicios de sulfuro de hidrógeno pueden eliminarse haciendo pasar el gas a través de limaduras de hierro, las cuales pueden luego regenerarse mediante su exposición al aire. Pero incluso después de estar purificado, el metano no puede arder en un quemador ordinario de gas natural, dado que la correcta combustión depende también de la presión a la que se suministra el gas. Si bien es posible mantener la llama en el quemador a presiones inferiores a los 2.3 kilonewtons por metro cuadrado (kN/m2) de gas, el gas no quemará con eficacia y se obtendrá menos calor. A su vez, puede diseñarse un quemador para el gas procedente del digestor, una vez que se han eliminado los componentes corrosivos, tales como el vapor de agua o el sulfuro de hidrógeno. Singh (1971) proporciona unas cifras para el metano sin purificar, con un valor calorífico de 5,8 kWh/m3, que quema en un determinado quemador con un rendimiento de un 60%, proporcionando un valor real de 3,5 kWh / m3.

En teoría, el valor calorífico del metano puro es de 14,7 kWh / kg, lo que le sitúa por encima del petróleo (entre los 11,6 y los 12,3 kWh / kg). Cuando una máquina de combustión interna se alimenta con gas natural o con metano producidos por residuos y no mediante derivados del petróleo, las emanaciones tóxicas de monóxido de carbono y de hidrocarburos sin quemar se reducen aproximadamente a la mitad. El metano únicamente puede licuarse a presiones de 34.000 kN / m2 aproximadamente.

Se estima que una vaca mantenido a cubierto proporciona el equivalente a 1,8 litros de petróleo diario, utilizando la equivalencia de que 1 litro de petróleo equivale a 1,2 m3 de gas.

24

2.3.3 Producción de abono

Los nutrientes presentes en las excretas se encuentran usualmente ligados a formas orgánicas complejas tales como proteínas, carbohidratos y lípidos. Mediante el proceso de biodigestión, estos compuestos son desdoblados dejando los nutrientes en formas simples y fáciles de asimilar por las plantas.

En los biodigestores no se destruye ninguno de los nutrientes presentes en los desechos, pero estos se hacen más disponibles para las plantas (Polprasert, 1989). Gracias al proceso de biodigestión anaeróbica el nitrógeno pasa a formas más asimilables e incrementa su disponibilidad, mientras el fósforo y el potasio no se ven afectados.

Además de su valor para proveer nutrientes, el efluente ayuda a mejorar las propiedades físicas del suelo contribuyendo a recuperar áreas con suelos degradados (Polprasert, 1989; Marchaim, 1992).

En la tabla 2.3 se presenta el contenido de nutrientes en el efluente de dos biodigestores en el Valle del Cauca, Colombia. Las dos granjas empleaban principalmente excretas porcinas en la alimentación de los biodigestores.

Tabla 2.3 Contenido de nutrientes en el efluente de biodigestores plásticos (Pedraza, 1995).

Nitrógeno

(%) Fósforo (%) Potasio (%) Calcio (%) Magnesio (%)

Biodigestor Reserva Pozo Verde

0.063 0.01 0.1 0.13 0.018

Biodigestor Hacienda Lucerna

0.07 0.01 0.045 0.02 0.01

El nitrógeno del efluente. Durante la descomposición de las proteínas de la materia prima, el nitrógeno es liberado en la forma amoniacal (NH4+). Esta forma de nitrógeno, por ser un catión, reacciona con las cargas negativas de la materia orgánica o las arcillas del suelo. Esto hace que el nitrógeno amoniacal sea más resistente a la lixiviación que otras formas de nitrógeno en el suelo, como los de nitrato y nitrito.

Aunque el nitrógeno amoniacal se fija mejor en el suelo, es sujeto a volatilización si se presentan las siguientes condiciones:

NH4+ + H2O + OH � NH3 + 2 H2O

Amonio Gas amoníaco

Afortunadamente estas condiciones se dan raramente y por ello la volatilización de amonio en muy pocas oportunidades es un problema. Generalmente el amoníaco absorbe iones de hidrógeno tan rápidamente como penetra en el suelo:

NH3 + H+ � NH4+

Las pérdidas de amonio aparecen cuando los suelos son alcalinos en la superficie y especialmente cuando son de textura gruesa con una baja capacidad de intercambio catiónico y donde altas temperaturas provocan rápida evaporación de agua.

El efluente en el estado acuoso no se presta a la pérdida de amonio por volatilización, aunque el secamiento del efluente antes de usarlo causa la pérdida del 97% de esta forma de nitrógeno.

Casos de los demás macronutrientes. El nitrógeno, el fósforo y el potasio se consideran los nutrientes más importantes dentro de un programa de fertilización. El calcio, magnesio y azufre también son macronutrientes, pero normalmente están presentes en el suelo en cantidades suficientes para el crecimiento adecuado de las plantas. Las cantidades de fósforo y potasio que se pierden por lixiviación son muy pequeñas en suelos que no

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sean muy arenosos o sujetos a inundaciones. El fósforo es ocupado por las plantas en cantidades pequeñas (de 4 a 40 kg/ha) y tiende a acumularse en el suelo. La naturaleza del suelo determina la disponibilidad del fósforo.

El potasio es absorbido por las plantas en cantidades mayores que cualquier otro elemento mineral, con la excepción del nitrógeno y a veces el calcio.

Valor fertilizante del efluente. El efecto fertilizante del efluente no es tan marcado como el de los fertilizantes químicos pues estos últimos suministran en forma rápida sus nutrientes a las plantas, mientras que los nutrientes del efluente son absorbidos más lentamente. El resultado es un almacenamiento acumulativo de sustancias nutritivas debido a la presencia continua de los nutrientes del efluente en el suelo.

Otra consecuencia de este efecto de almacenamiento es la poca lixiviación de nutrientes del efluente con respecto a los fertilizantes químicos. En el caso de estos últimos se estima que de un 30 a un 35% del nitrógeno y de un 15 a 20% del fósforo y potasio se pierde por lixiviación, porque se aplica más fertilizante químico del que puede ser utilizado.

En un experimento, dos parcelas idénticas fueron fertilizadas, una con un fertilizante químico y la otra con estiércol animal descompuesto anaeróbicamente. Las concentraciones de nitratos lixiviados por el agua en las parcelas tratadas con abonos químicos llegaron a un promedio de 48.2 mg/lt de agua y en las parcelas fertilizadas con abono orgánico llegaron solo un promedio de 8.8 mg/lt de agua. Esto indica que, con el fertilizante químico, se da 5 veces más pérdida de nitrato y contaminación de agua subterránea que con el orgánico.

Características generales del efluente. La estabilidad biológica del efluente es evidente por el hecho de que no existen malos olores ni atracción de moscas. La mayor parte de la materia orgánica que queda sin digerir en el efluente se descompone en forma lenta por la acción de las bacterias aeróbicas en el suelo o en el agua y así no sirve como alimento para insectos y otras plagas dañinas a la agricultura. El carbono, hidrógeno y oxígeno constituyen aproximadamente el 97% del biogás y representan las únicas pérdidas significativas de nutrientes de la materia prima. Sin embargo, las plantas obtienen estos tres nutrientes directamente del agua o del aire y su pérdida no llega a ser importante cuando el efluente es usado como fertilizante.

Los demás nutrientes presentes en la materia prima que son esenciales para el crecimiento de las plantas y que estas adquieren del suelo se conservan dentro del efluente. La única excepción es el nitrógeno pues de 1 a 2% se pierde en el biogás. Esta pequeña pérdida tiene poco efecto sobre la conservación de nitrógeno en el efluente.

Efectos del efluente sobre las propiedades físicas y químicas del suelo. Durante la descomposición anaeróbica, se metaboliza hasta un 50% de la materia orgánica colocada en el biodigestor. La que queda sin digerir pasa por fuera en el efluente. El efluente se usa como fertilizante y la materia orgánica se utiliza también en la forma de humus, como un mejorador físico y químico del suelo.

Dentro del humus se presentan varios tipos de grupos reactivos de alta importancia. Estos grupos atraen y almacenan nutrientes del suelo en formas utilizables por las plantas. Así, se aumenta la capacidad de intercambio catiónico del suelo.

Tales grupos también provocan la cementación de partículas de arcilla, haciendo más estable la estructura del suelo lo que le da una buena condición física y lo hace más resistente a la erosión. Debido a dicha cementación los agregados formados soportan mejor el impacto destructivo de las gotas de lluvia que de otra forma desmenuzarían las partículas del suelo y las harían más susceptibles a la erosión hídrica. También aumenta la infiltración de agua al suelo, lo que significa que habrá más agua disponible para las plantas. Todo esto hace que la materia orgánica sea de una de las herramientas más importantes en la lucha por impedir la erosión y conservar el suelo.

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La materia orgánica también alivia condiciones de compactación de suelos pesados, haciéndolos más friables y dándoles más aireación y por tanto produciendo una condición más favorable para el crecimiento de raíces y la adquisición de nutrientes del suelo.

En zonas donde la conservación del agua es importante, especialmente para suelos de textura gruesa, la materia orgánica aumenta la capacidad de almacenamiento de agua por el suelo. Así, las plantas están en capacidad de sobrevivir condiciones de sequía y los nutrientes del suelo no se lixivian tan rápidamente de la zona radical.

Poder fertilizante del efluente

En la literatura internacional se encuentran algunos trabajos, donde la aplicación del efluente fue más efectiva que la del afluente, usando cantidades netas similares de nutrientes. La explicación de este fenómeno se encuentra en las transformaciones de los desechos en el biodigestor.

Composición química del afluente y del efluente del biodigestor

Material Sólidos totales % P K C NH4+-N N-org N-total C / N

Afluente

1. muestra

2. muestra

3. muestra

Promedio

4.6

4.0

4.2

4.3

0.04 0.26 16.1 0.43 1.35 1.78

0.03 0.23 10.4 0.41 0.99 1.41

0.05 0.24 15.6 0.39 1.13 1.52

0.04 0.24 14.0 0.41 1.16 1.57

9.0

7.4

10.3

8.9

Efluente

4. muestra

5. muestra

6. muestra

7. muestra

Promedio

2.4

3.4

1.3

3.3

2.6

0.05 0.43 5.8 0.90 0.46 1.37

0.16 0.58 5.0 0.79 0.33 1.12

0.06 0.20 1.8 0.86 0.25 1.11

0.05 0.28 5.0 0.73 0.51 1.24

0.08 0.37 4.4 0.82 0.39 1.21

4.2

4.5

1.6

4.0

3.6

La fuerte disminución del contenido de carbono en el efluente en comparación con el afluente, por efecto de la producción de biogás, origina una reducción de la relación carbono: nitrógeno en el primero. Como consecuencia de esto, el nitrógeno orgánico en el efluente puede ser mineralizado más rápidamente que el incorporado en la materia orgánica del afluente y así aumenta también su disponibilidad para las plantas. Además, se puede observar un ligero aumento del contenido de fósforo y potasio en el efluente. El aumento del contenido de nitrógeno amoniacal n sólo trae consigo un aumento del nitrógeno disponible para las plantas, sino también un aumento del riesgo de pérdidas de nitrógeno por volatilización después de la aplicación al campo.

Examen de las propiedades de uso de compost y el efluente de biodigestor. El efluente de biodigestor se considera muy estable biológicamente debido a la eficiencia de la descomposición de los sólidos volátiles de la materia cruda. La masa celular que queda en el efluente es poca, siendo entre 10 y 20% del carbono inicial de la materia prima. La descomposición aeróbica de los sólidos volátiles también es completa, pero la masa celular de las bacterias descomponedoras del compost es aproximadamente el 50% del substrato inicial. En

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comparación con el efluente, esta masa adicional volátil puede causar más problemas por presentar mayor riesgo de infestaciones por insectos y por la existencia de malos olores.

El compost y el efluente tienen el efecto persistente de nutrientes en el suelo. El compost requiere un procesamiento de 3 a 6 meses, mientras el tiempo necesario para una masa de efluente depende del tiempo de retención hidráulica que normalmente varía entre 15 y 30 días.

La facilidad de manipulación del efluente puede ser considerada superior a la del compost, puesto que se transporta en un medio acuoso. Además, el compost necesita mezclaje y aireación durante su periodo de descomposición. Esto significa más manipulación física y también la pérdida total del nitrógeno amoniacal que normalmente se cuantifica en un 25% del nitrógeno total.

La reducción de volumen inicial no es aplicable para el efluente puesto que la disminución de la materia orgánica durante la descomposición es poca. La cantidad de efluente total puede ser reducida por el secamiento del agua. En el caso del compost, durante la descomposición se pierde el 50% del volumen inicial.

Por último, se puede considerar el aprovechamiento de productos secundarios que se forman durante la descomposición y formación del fertilizante. La descomposición aeróbica produce únicamente el fertilizante mientras que de la anaeróbica se obtiene también el biogás.

MICROBIOLOGÍA Y BIOQUÍMICA DE LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS

Etapas del proceso biológico

El proceso en que se produce el biogás consta de tres etapas fundamentales que ocurren simultáneamente (Thiman 1966; López y Novoa 1991; Novoa y López 1991) las cuales se describen a continuación:

Hidrólisis y Ácidogénesis. En esta etapa las bacterias no metanogénicas actúan sobre los componentes orgánicos del sustrato, tales como celulosa, almidones, proteínas y grasas entre otras, transformándolos por hidrólisis en compuestos orgánicos solubles (ácido acético, H2, CO2, compuestos monocarbonados, ácidos grasos orgánicos y otros compuestos policarbonados). De esta forma los carbohidratos se convierten en azúcares simples; las grasas, en ácidos grasos y glicerol y las proteínas se desdoblan en polipéptidos y aminoácidos, liberando también CO2 e H2. Posteriormente, esos productos son convertidos a ácidos orgánicos, fundamentalmente butírico, propiónico y acético.

Acetogénesis y homoacetogénesis. Las bacterias acetogénicas productoras de hidrógeno, las cuales incluyen obligatoriamente a las dos especies facultativas que pueden convertir los productos del primer grupo – los ácidos orgánicos de más de dos átomos de carbono, por ejemplo el butírico y el propiónico y los alcoholes policarbonados tales como el etanol y el propanol transformándolos en hidrógeno y acetato. Los productos finales de la etapa anterior son transformados en acetato, hidrógeno y CO2 por un grupo de bacterias que aportan aproximadamente el 54% del hidrógeno que se utilizará en la formación de metano. La función de estos microorganismos en el proceso de la digestión anaerobia es el de ser donantes de hidrógeno, CO2 y acetato para las bacterias metanogénicas.

En la homoacetogénesis ocurre igualmente la formación de acetato, pero autotróficamente, a partir de hidrógeno y dióxido de carbono. El papel que desempeñan estos microorganismos dentro de los sistemas

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anaerobios no está bien dilucidado. Sin embargo, su presencia evita que se pierda H2 y CO2 durante el crecimiento sobre compuestos multicarbonados, lo que implica eficiencia termodinámica.

Metanogénesis. Las bacterias metanogénicas transforman el H2, CO2, compuestos monocarbonados, por ejemplo el metanol, CO y la metilamina en acetato o pueden formar metano de la descarboxilación del acetato. Es en este punto del proceso donde actúan las bacterias metanogénicas, degradando estos ácidos y alcoholes, obteniéndose como productos finales del proceso metabólico gas metano (CH4).

De todo este proceso va quedando un efluente que es líquido, menos agresivo en cuanto a poblaciones bacterianas que el afluente, el cual puede ser utilizado como bioabono o fertilizante por su riqueza en determinados nutrientes.

La producción de biogás a partir de residuales porcinos es un proceso donde se da una microbiología muy variada, ya que participan diferentes poblaciones de microorganismos que actúan simultáneamente en la degradación de la materia residual. A continuación se exponen los principales grupos y géneros implícitos en el proceso (Hobson y Shaw 1871; Kenealy 1982).

Dentro del grupo de bacterias no metanogénicas se encuentran las bacterias celulolíticas y no celulolíticas (Leigh et al 1981; Mclnermey et al 1981). Las bacterias celulolíticas incluyen un grupo heterogéneo, que generalmente aparecen en concentraciones de 104 – 105 ufc / ml durante su aislamiento. Están presentes bacilos Gram (+), generalmente curvos y a menudo en cadenas cortas, que son capaces de producir a partir de la celulosa, ácido propiónico, ocasionalmente ácido láctico, así como trazas de ácidos fórmico y succínico. También se encuentran cocobacilos Gram (-) y bacilos de diferentes morfologías, que forman ácidos volátiles a partir de la celulosa.

Las bacterias no celulolíticas incluyen los géneros Streptococcus sp. que son bacterias facultativamente anaerobias, no proteolíticas, ni amilolíticas y que desempeñan un papel importante en el mantenimiento de la anaerobiosis en el digestor. Clostridium sp amilolíticos que producen ácido acético y butírico como resultado de su fermentación, los Clostridium sp proteolíticos que fermentan los azúcares formando ácido láctico e isovalérico y los Clostridium sp proteolíticos, pero no fermentadores de azúcares fundamentalmente.

En este grupo se encuentran además los bacteroides, que constituyen de un 20 a un 80% de las bacterias anaeróbicas; estos son bacilos pleomórficos Gram (-) cortos o de mediano largo; algunos son cocobacilos mayormente amilolíticos, fermentadores de mono y disacáridos, así como glicerol, produciendo ácidos propiónico, láctico y butírico.

Las bacterias metanogénicas son bacterias estrictamente anaerobias que no crecen en presencia de oxígeno molecular, ni en presencia de compuestos que fácilmente liberen oxígeno. Su rango de pH óptimo es de 7.2 a 8.2 para su crecimiento utilizan sales de amonio como fuentes de nitrógeno, muestran una extrema especificidad por el sustrato y producen como mayor y principal metabolito el gas metano (Macario y Macario, 1985).

En esta digestión, participan diferentes géneros de bacterias metanogénicas que aparecen aproximadamente entre la tercera y novena semana después de comenzar la digestión de los sustratos en el biodigestor. Entre las bacterias metanogénicas, participan los géneros Methanobacterium sp en el que se encuentra en mayor

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concentración la especie Methanobacterium formicicum, un bacilo Gram (-) de longitud variable, no esporulado, que produce metano a partir de una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno o a partir del ácido fórmico. También está el género Methanobacillus sp al que corresponden bacilos esporulados que producen metano a partir de hidrógeno y alcoholes primarios y secundarios, el género Methanococccus presentado por cocos no dispuestos en sarcinas y no esporulados que producen metano a partir del acetato, butirato, ácido fórmico e hidrógeno. Por último, puede mencionarse al género Methanosarcina sp representado por cocos dispuestos en sarcinas, no esporulados, que producen metano a partir de acetato, monóxido de carbono, hidrógeno, acetato, butirato y glicerol.

Esta microflora actúa de forma simultánea y está íntimamente relacionada en las diferentes etapas del proceso, el cual se asemeja al proceso que ocurre en el rumen de los animales pero en menor escala, donde muchos microorganismos actúan estrechamente relacionados desde el punto de vista fisiológico. Los bacilos cortos, ovales y cocos, fermentan activamente las celulosas a ácidos orgánicos y las bacterias metanogénicas que fluyen en el rumen en concentración de 2 x 108 ufc / ml llevan a cabo una segunda fermentación produciendo metano (Timan, 1965).

Por otra parte, en el efluente del biodigestor participa además una microflora anaerobia. Dentro de la principal microflora anaerobia que actúa en el efluente se encuentran bacterias heterotróficas, bacterias reductoras del sulfato, bacterias acetogénicas productoras de hidrógeno, bacterias homoacetogénicas, bacterias metanogénicas y las bacterias celulolíticas (Koster y Lettigan, 1984; Yugu et al, 1992).

30

III. CONSTRUCCIÓN, MANTENIMIENTO Y OPERACIÓN DE BIODIGESTORES PLÁSTICOS DE FLUJO COTINUO

Los biodigestores plásticos de flujo continuo pueden construirse con una bolsa de polietileno tubular calibre 16 o dos bolsas calibre 8 con protección para rayos ultravioleta (UV). En el caso de construirse con dos bolsas calibre 8 el plástico se usa doble para darle mayor resistencia y duración. Esta bolsa es instalada en una fosa cuyas dimensiones dependen del diámetro del plástico y del tamaño que se quiera dar al biodigestor. En cada extremo de la fosa se construye una caja de ladrillo o cemento con un tubo al que se amarra el plástico.

En Colombia se consigue en el mercado plástico tubular de diferentes diámetros; los más usados son los de 1.25 m para biodigestores pequeños (de 3 a 15 m3) y de 2.5 m de diámetro para biodigestores de mayor tamaño.

Capacidad del biodigestor, m3 Ancho de la fosa, m Profundidad de la fosa, m

Longitud de la fosa, m

Gra

njas

Peq

ueña

s 3

11

15

1,2 / 1,0

1,2 / 1,0

1,2 / 1,0

1,0

1,0

1,0

3

10

14

Gra

njas

gra

ndes

40

50

67

84

100

118

2,5 / 2,0

2,5/ 2,0

2,5 / 2,0

2,5 / 2,0

2,5 / 2,0

2,5 / 2,0

1,5

1,5

1,5

1,5

1,5

1,5

12

15

20

25

30

35

3.1 MATERIALES NECESARIOS

Polietileno tubular calibre 8 con protección contra rayos UV para prolongar la vida del plástico.

Para la caja de entrada y salida

Biodigestores familiares (3 a 15 m3) Biodigestores industriales (mayores de 15 m3)

Materiales necesarios por caja: Materiales necesarios por caja: � 285 ladrillos � 428 ladrillos � medio bulto de cemento � 2 bultos de cemento � 0.25 m3 de arena (50 paladas) � 0.4 m3 de arena (80 paladas) � 1 tubo de gres o cemento de 12 pulgadas � 1 tubo de gres o cemento de 12 pulgadas

Para la salida del biogás � Un acople macho roscado de PVC de 1½ pulgadas � Un acople hembra roscado de PVC de 1½ pulgadas � Dos a cuatro ruanas de neumático de carro (dos a cada lado)

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� Dos arandelas en aluminio de 15 cm de diámetro y agujero central de 1½ pulgadas � 0.5 metros de tubo de PVC de 1½ pulgadas � 4 – 5 metros de manguera flexible (manguera de aspiradora roscada) de 1½ pulgadas

Para la válvula de seguridad

� 30 cm de tubo de PVC de 1½ pulgadas � 1 “T” de PVC de 1½ pulgadas � 1 frasco o envase plástico transparente Para la trampa de agua � 1 “T” de PVC de 1 ½ pulgadas � 20 cm de tubo de PVC de 1 ½ pulgadas � 1 tapa de ajuste o roscada Para el filtro de ácido sulfhídrico �

Nota: Los materiales descritos aquí para la salida del biogás y la válvula de seguridad, son para biodigestores industriales. Para biodigestores familiares se usan los mismos materiales pero de 1 pulgada de diámetro y las arandelas con orificio de 1 pulgada.

Además de estos materiales, se necesitan 2 neumáticos usados de camión que permitan obtener correas largas de 5 cm de ancho, y manguera de polietileno de 1½ pulgadas para hacer la conducción del gas hasta el sitio de consumo. Aspectos a tener en cuenta en el dimensionamiento de una planta de biogás Para poder calcular el tamaño de una planta de biogás, se utilizan determinados valores característicos. Para una planta de biogás sencilla son los siguientes: � La cantidad diaria de material de fermentación � El tiempo de retención (fermentación) (TR) � La producción específica de gas al día (Gd) en dependencia del tiempo de retención y del material de

fermentación. Además, son usuales los siguientes conceptos y valores característicos: � La materia seca (MS o ST). El porcentaje de agua varía en cada material de fermentación natural, por esa

razón, en trabajos de investigación más exactos se opera con la parte sólida o materia seca del material de fermentación.

� La masa orgánica seca (MOS o SVT). Para el proceso de fermentación son importantes sólo los componentes orgánicos o volátiles del material de fermentación. Por eso, se trabaja solamente con la parte orgánica de la materia seca.

� La carga del digestor. Esta indica con cuánto material orgánico es alimentado diariamente o cuánto material debe ser fermentado al día. La carga del digestor se calcula en kg de masa orgánica por metro cúbico del digestor por día (kg MOS / m3 día). Largos tiempos de retención producen una menor carga del digestor. Para las plantas de biogás sencillas, cargas de 1.5 m3 / día ya son bastante altas. Plantas grandes

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con control de temperatura y agitación mecánica se pueden cargar con unos 5 m3 / día. Si la carga del digestor es demasiado alta, baja el valor del pH.

La planta se queda estancada en la fase ácida, porque hay más material de fermentación que bacterias de metano. El tiempo técnico de retención o fermentación (TR o t) es el lapso durante el cual el material de fermentación permanece en el digestor y es el tiempo necesario para la completa fermentación del material. La producción específica de gas es indicada en relación con la cantidad de material de fermentación, con la materia seca o con la masa orgánica seca. En la práctica ella indica la producción de gas que se obtiene de un determinado material de fermentación durante un determinado tiempo de retención con determinada temperatura en el digestor. El grado de fermentación se mide en porcentaje. Este indica cuánto gas se obtiene en comparación con la producción total específica de gas. La diferencia con 100% indica qué cantidad de material de fermentación todavía no ha sido fermentado. En plantas de biogás sencillas, el grado de fermentación alcanza alrededor del 50%. Esto significa que la mitad del material de fermentación queda sin aprovechar. La demanda bioquímica de oxígeno (DBO) es importante en la técnica de aguas residuales, ya que indica el grado de contaminación de agua. La DBO mide la cantidad de oxígeno que es consumida por las bacterias durante el tratamiento biológico de aguas residuales.

Dimensionamiento del Digestor El tamaño del digestor –volumen del digestor (VD)- es determinado por el tiempo de retención (RT) y por la cantidad diaria de material de fermentación o carga de biomasa. La cantidad de carga de fermentación se compone del material de fermentación (estiércol) y del agua de mezcla. Ejemplo: 30 kg de estiércol más 30 litros de agua = 60 litros de carga de fermentación El volumen del digestor se obtiene con la siguiente fórmula: VD (1) = Cf (1 / día) x TR (días) Si se conoce el volumen del digestor y la cantidad de material de fermentación, se puede calcular el tiempo de retención efectivo según la siguiente fórmula: TR (días) = VD (1) – Cf (1 / día) Si se conoce el volumen del digestor y se desea un determinado tiempo de retención, se puede calcular la cantidad diaria de relleno con la siguiente fórmula: Cf (1 / día) = VD (1) – TR (días)

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Si una planta de biogás no es cargada diariamente, sino con intervalos de varios días, con igual porción de material de fermentación (P), disminuye la cantidad diaria de relleno (Cf). El tiempo de retención aumenta por lo tanto análogamente.

3.2 TAMAÑO DEL BIODIGESTOR

En la determinación del volumen de biodigestión necesario influyen factores como la temperatura, el número de cerdos y el gasto de agua por cerdo.

3.2.1 Temperatura

Con base en la temperatura de la zona se define el tiempo de retención necesario, que es el tiempo que debe demorarse el material a tratar en atravesar todo el biodigestor. La importancia de la temperatura se debe a que la fermentación anaeróbica es llevada a cabo por organismos que crecen y actúan mejor a temperaturas altas. Por tanto los biodigestores ubicados en piso térmico cálido (temperatura ambiente mayor a 24 ºC) necesitan menos tiempo de retención que los ubicados en piso térmico templado o frío. Esto hace que para tratar un volumen dado de residuos por día, se necesite menor tamaño de biodigestor en zona cálida que en zona templada o fría.

Tiempo de retención necesario en biodigestores para cada piso térmico.

PISO TÉRMICO – Temp ambiental promedio DIAS DE TIEMPO DE RETENCIÓN Cálido – más de 24 ºC 10 a 15 días

Medio – 18 a 24 ºC 15 a 20 días Frío – menos de 18 ºC 20 a 25 días

Consumo de agua según el tipo de explotación

Tipo de explotación Consumo de agua Cría

Ciclo completo Ceba

35 30 20

3.2.2 Cantidad de Excretas o Aguas Residuales

La cantidad de excretas o aguas residuales a tratar están en función del número de animales, estado fisiológico de los mismos y cantidad de agua usada en el lavado de las instalaciones. La existencia de sistemas de pretratamiento de los residuos, tales como la separación de sólidos o los sedimentadores también influyen en la cantidad y calidad del residuo.

La forma más precisa de calcular la cantidad de aguas residuales generadas en la explotación es midiendo su caudal por día en el punto o puntos de colección o vertimiento. Como esto no siempre es factible, entonces es necesario calcular la cantidad de excretas producida, con base en el número y tamaño de animales, y determinar la cantidad de agua usada en el lavado diario de las instalaciones.

Tabla. Producción de heces y orina en cerdos por cada cien kilos de peso vivo. (ACP-CORNARE-CORANTIOQUIA, 1997).

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ESTADO FISIOLÓGICO PROMEDIO (Kg) RANGO (Kg) Hembra vacía 4.61 3.3 – 6.4 Hembra gestante 3.00 2.7 – 3.2 Hembra lactante 7.72 6.0 – 8.9 Macho reproductor 2.81 2.0 – 3.3 Lechón lactante 8.02 6.8 – 10.9 Precebos 7.64 6.6 – 10.6 Levante 6.26 5.9 – 6.6 Finalización 6.26 5.7 – 6.5

La cantidad de aguas residuales producidas por día es la suma del agua empleada para lavar y la cantidad de excretas estimada.

La capacidad necesaria del biodigestor se obtiene multiplicando la cantidad de aguas residuales producidas por día, por el número de días de tiempo de retención, de acuerdo a la zona climática donde se ubique la explotación.

Si tomamos como ejemplo una granja de 200 cerdos de levante y ceba, ubicada en clima cálido, con un gasto de agua por cerdo de 20 litros/día, la capacidad necesaria del biodigestor sería calculada de la siguiente manera:

Cantidad de excretas por animal por día = Peso promedio de los animales x Producción de excretas por cada 100 kilos de peso = 57 kg x 6.26% = 3.6 kg

Cantidad total de excretas producida por día = 3.6 kg x 200 cerdos = 720 kg/día Cantidad de agua usada en lavado = 20 litros/cerdo x número de cerdos = 4000 litros Total de agua residual a tratar = 4720 litros/día Se asume en este caso que la densidad de las excretas (heces y orina) es muy cercana a 1. Tiempo de retención recomendado = 10 a 15 días (trabajaremos con 12 días) Capacidad necesaria del biodigestor = 4720 litros x 12 = 56,640 litros ≅ 56.6 m3

Se necesita un biodigestor de 57 m3 para esta explotación; Si la misma explotación se encontrara ubicada en clima medio, la capacidad del biodigestor debería ser de 80 m3 (4720 litros x 17 días de TR) y si estuviera en clima frío, de 104 m3 (4720 litros x 22 días).

Nota: Se asumen 12 días de TR para clima cálido, 17 para clima medio y 22 para clima frío (ver detalle de rangos de TR en la tabla ¿?).

Producción de estiércol en una granja de ciclo completo de 100 hembras de cría.

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Estado fisiológico

Producción de estiércol como

% del peso vivo

No. de

animales

Peso promedio,

kg

Estiércol

kg / cabeza / día

Producción

total estiércol

Hembra vacía 4.61 20 160 7.38 147.6

Hembra gestante 3.00 66 180 5.40 356.4

Hembra lactante 7.72 14 190 14.67 205.38

Macho reproductor 2.81 5 200 5.62 28.1

Lechón lactante 8.02 147 3,5 0.28 41.16

Precebos 7.64 288 16 1.22 351.36

Levante 6.26 336 35 2.19 735.84

Finalización 6.26 332 80 5.01 1,663.32

Total 1.208 3,529.16 Producción promedia de estiércol / animal / día granja ciclo completo 2.9 Producción promedia de estiércol / animal / día granja cría 2.1 Producción promedia de estiércol / animal / día granja ceba 3.6