Producción Anaeróbica De Biogás Y Aprovechamiento De Los Residuos Del Proceso Anaeróbico

Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES INGENIERIA QUIMICA INSTITUTO DE INVESTIGACIONES EN PROCESOS QUÍMICOS - IIDEPROQ

CAMARA NACIONAL DE INDUSTRIAS

IIDEPROQ

PROYECTO 09

PRODUCCION ANAEROBICA DE BIOGAS APROVECHAMIENTO DE LOS RESIDUOS DEL PROCESO

ANAERÓBICO

RESPONSABLE DE PROYECTO Ing. Rene Alvarez A.

INVESTIGADORES Ing. Víctor Riera T. Univ. Saúl Villca

La Paz – Bolivia

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2004

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INDICE GENERAL

Pagina

1. INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 1

1.1 Antecedentes del proyecto................................................................................ 1 1.2 Producción anaeróbica de biogás...................................................................... 3 1.3 Aprovechamiento de los residuos de matadero y de mercado.......................... 5

1.3.1 Residuos de matadero........................................................................... 6 1.3.2 Residuos de frutas y vegetales de mercado.......................................... 6

2. OBJETIVOS DEL PROYECTO.................................................................................. 7 2.1 Objetivos generales.......................................................................................... 7 2.2 Objetivos específicos....................................................................................... 7 3. ESTUDIO BASICO..................................................................................................... 8

3.1 Fundamento teórico................................................................................................ 8 3.2 Materiales y métodos ............................................................................................. 14

3.2.1 Materia prima........................................................................................ 14 3.2.1.1 Comparación de N y P y las relaciones C/N…………………………..17 3.2.1.2 Comparación de los iones Na, K y Ca…………………………………19 3.2.2 Preparación de las cargas de mezclas................................................... 20 3.2.2.1 Caracterización de las tres mezclas para las pruebas experimentales….21 3.2.2.2 Comparación de N, P y de las relaciones C/N…………………………21 3.2.2.3 Comparación de los iones Na, K y Ca ………………………………..22 3.2.3 Digestores............................................................................................. 23 3.2.4 Procedimiento experimental................................................................. 26 3.2.5 Métodos analíticos................................................................................ 27 3.2.6 Diseño experimental............................................................................. 27 3.2.7 Inóculo ………………………………………………………………. 29

3.3 Resultados y discusión ........................................................................................... 30 3.3.1 Pruebas preliminares con residuos de matadero y de mercado............. 30 3.3.2 Diseño experimental de mezclas........................................................... 32

3.4 Pruebas experimentales para análisis de patógenos………………………………..44 3.5 Conclusiones del estudio básico. ............................................................................ 45

3.3.3 Estudio preliminar................................................................................. 45 3.3.4 Diseño experimental de mezcla............................................................. 46

4 ESTUDIO A NIVEL BENCH SCALE.............................................................................. 47 4.1 Materiales y métodos.............................................................................................. 48

4.1.1 Materia prima........................................................................................ 48 4.1.2 Biodigestor............................................................................................ 49 4.1.3 Métodos analíticos................................................................................ 50

4.2 Resultados............................................................................................................... 51 4.2.1 Efecto de la temperatura....................................................................... 51 4.2.2 Efecto de la composición...................................................................... 51 4.2.3 Efecto del tiempo de retención............................................................. 52 4.2.4 Efecto del porcentaje de sólidos volátiles en la alimentación.............. 53

3


4.2.5 Residuos del proceso de digestión anaerobia……………………...……54 4.3 Conclusiones y recomendaciones del estudio experimental.................................. 55

5 PROPUESTA DE LA PLANTA A NIVEL PILOTO ...................................................... 57 5.1 Descripción del proceso......................................................................................... 57

5.1.1 Almacenaje de materia prima............................................................... 58 5.1.2 Pretratamiento de los residuos orgánicos............................................. 58 5.1.3 Digestión............................................................................................... 59 5.1.4 Post-tratamiento................................................................................... 59

5.2 Descripción global del proceso............................................................................. 60 5.3 Balances de masa y energía................................................................................... 61

5.3.1 Balance de masa global....................................................................... 61 5.3.1.1 Balance de masa y energía para cada operación unitaria........ 61

5.3.1.1.1 Recolección de residuos de matadero y Residuos de frutas y vegetales y posterior reducción de tamaño.............................................. 61

5.3.1.1.2 Homogeneización.................................................. 62 5.3.1.1.3 Digestión................................................................ 63 5.3.1.1.4 Filtración................................................................ 64

5.4 Requerimiento de materia prima, agua, energía, y otros .................................... 64 5.5 Requerimiento y descripción o diseño de maquinarias y equipos ..................... 66 5.6 Distribución de la planta ..................................................................................... 68 5.7 Servicios auxiliares ............................................................................................. 70 5.8 Inversiones .......................................................................................................... 70 5.9 Arranque del biodigestor ………………………………………………………. 71

6 Disposición del bioabono………………………………………………………………...72 6.1 Bioabono líquido…………………………………………………………………72 6.2 Biosol…………………………………………………………………………….72

7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.............................................................. 72 REFERENCIAS .................................................................................................................... 77 ANEXOS

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INDICE DE GRÁFICOS

Fig. 1. Degradación anaeróbica de material orgánico........................................................... 8 Fig 2a. Digestores anaeróbicos nivel laboratorio................................................................... 24

Fig. 2b. Digestores anaeróbicos (detalles)..........................................................................25

Fig 3. Diseño experimental de mezcla. Simplex-centroide incrementado con puntos

axiales para tres componentes................................................................................... 28 Fig. 4. Producción acumulada de biogas, pruebas preliminares........................................... 31 Fig. 5. Pruebas preliminares, volumen acumulado de metano............................................. 31 Fig. 6. Pruebas preliminares, composición diaria de metano............................................... 32 Fig. 7. Producción acumulada de biogás (en condición local P= 495 mmHg, T= 12oC),

diseño experimental de mezcla................................................................................. 37

Fig. 8. Producción acumulada de metano (en condición local), diseño experimental de mezcla...................................................................................................................... 37

Fig. 9. Concentración de metano en biogás, diseño experimental de mezcla..................... 38 Fig. 10. Grafica de contorno de la respuesta Volumen de Metano...................................... 41 Fig. 11. Gráfica de contorno de la respuesta Reducción porcentual de Solidos Volatiles.. 42 Fig. 12. Grafica de contorno de las respuestas Volumen de Metano y % de reducción de

Sólidos Volátiles, donde se muestra la región factible de trabajo......................... 43 Fig. 13. Biodigestor Bench Scale........................................................................................ 49

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INDICE DE TABLAS Tabla 1. Generación mensual de residuos en el matadero municipal de la Ciudad de

La Paz, periodo de referencia Sep-Nov de 2000.................................................... 6 Tabla 2. Composición de mezcla de residuos de frutas y vegetales (MFV)......................... 14 Tabla 3. Caracterizacion de residuos de matadero y frutas/vegetales.................................. 15 Tabla 4. Analisis microbiologico de muestras de residuos de matadero.............................. 16 Tabla 5. Formulacion de mezclas de estiercol, sangre/rumen y vegetales........................... 17 Tabla 6. Comparación de valores analizados y bibliográficos de la materia prima............. 18 Tabla 7. Comparación de iones Na, K y Ca con Límites bibliográficos………….............. 19 Tabla 8. Características de las mezclas de estiércol (EVC), sangre/rumen (SVCRR) y frutas

y vegetales (MFV)................................................................................................. 20 Tabla 9. Caracterización de las tres mezclas principales del diseño experimental………... 21 Tabla 10. Comparación de los nutrientes de las mezclas con datos bibliográficos.............. 21 Tabla 11. Copmparación de las concentraciopnes de los valores experimentales y

bibliográficos ........................................................................................................ 22 Tabla 12. Formulacion del sustrato para pruebas preliminares de digestion anaerobica de

residuos de matadero y mercado............................................................................ 27 Tabla 13. Diseño experimental de mezcla y formulación del sustrato en la digestión

anaeróbica de residuos de matadero y mercado..................................................... 27 Tabla 14. Resultados de variacion de pH, solidos volatiles (SV), volumen de metano y

rendimiento de metano en pruebas preliminares de digestion anaerobica de mezclas de residuos de matadero, frutas y vegetales........................................................... 30

Tabla 15. Resultado del seguimiento del pH y análisis de sólidos en la digestión

anaeróbica de mezclas de residuos de matadero y mercado.................................................

34

Tabla 16. Diseño simples reticular aumentado con puntos axiales y respuestas observadas.

Digestión anaeróbica de residuos de matadero y mercado................................. 38 Tabla 17. Análisis de varianza (ANAVA) para la respuesta Volumen de metano............. 40

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Tabla 18. Análisis de varianza (ANAVA) para la respuesta % de reducción de sólidos

volátiles............................................................................................................... 40 Tabla 19. Formulación de cargas para prueba de patógenos ……………………………. 44 Tabla 20. Caracterización de patógenos en materia prima ………………………………. 44 Tabla 21. Resultados inicial y final de m.o. patógenos en las pruebas…………………… 44 Tabla 22. Caracterización del bioabono ……… ………………………………………… 55 Tabla 23. Requerimiento de materia prima, agua, energía y otros insumos....................... 65

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SIMBOLOGIA UTILIZADA

A: Área (m2)

AGV: Ácidos Grasos Volátiles

Bal. : Balanza

Bo : Rendimiento final de metano

Bu : Rendimiento teórico de metano

B1 : Barril de almacenamiento de sangre de ganado vacuno

B2 : Barril de almacenamiento de sangre de ganado porcino

B3 : Barril de almacenamiento de residuos de estomago y vísceras de ganado porcino

B4 : Barril de almacenamiento del bioabono liquido

B5 : Barril de almacenamiento del lodo de filtración

Cal: Calentador de agua ( termo tanque)

C:N:P: Relación Carbono/ Nitrógeno/ Fósforo

COT: Carbono Orgánico Total

comp.: Compresora

Cp : Capacidad calorífica del sustrato (Kcal. / Grado . Kg.)

Cv: Caballo vapor

d : Día

D : Diámetro (m)

Da : Longitud de hélice (cm.)

DA : Digestión anaerobia

(Ei) : Composición de mezcla

EVC : Mezcla de estiércol de vaca y cerdo

FP: Filtro prensa

FV : Frutas y vegetales

h: Coeficiente convectivo ( 2,968 w/ m2)

H : Altura (m)

He : Helio (carrier o portador)

HMBH : Hospital Municipal Boliviano Holandés

Hp : Horse Power

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HP : Homogenizador, pasteurizador

HRT: Tiempo de Retención Hidráulica

IBTEN : Instituto Boliviano de Tecnología Nuclear

IIDEPROQ : Instituto de Investigaciones de Procesos Químicos

kg : Kilogramo

kgSV : Kilogramo de sólido volátil

KL : Constante laminar

Kw : Kilowatt

l : Litros

LCA : Laboratorio de Calidad Ambiental

LR : Velocidad de carga

m : Masa del sustrato (kg.)

MFV : Mezcla de frutas y vegetales

N : Velocidad de giro (rps)

P : Potencia (CV)

PVC : Poli cloruro de vinilo

Q : Calor disipado ( W)

R2 : Factor de correlación

RTA: Reactor Tanque Agitado

ST: Sólidos Totales (%)

SV: Sólidos Volátiles ( materia orgánica disponible ) (%)

SVad : Sólidos Volátil adicionado (%)

SVdes : Sólidos Volátiles destruidos (%)

SVbh : Sólidos Volátiles base húmeda (%)

SVbs : Sólidos Volátiles base seca (%)

SVrem: Sólido Volátil removido

SVCRR : Mezcla de sangre de vaca, cerdo ,residuos de panza y rumen

t : Tiempo (min.)

Ta : Temperatura promedio del medio ambiente (oC )

Tlv 1 : Tolva de almacenamiento de Residuos de mercado

Tlv 2 : Tolva de almacenamiento de Rumen de ganado vacuno

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Tlv 3 : Tolva de almacenamiento de estiércol de ganado vacuno

Tlv 4 : Tolva de almacenamiento de estiércol de ganado porcino

Trit. : Triturador

Tw : Temperatura media de pared (oC)

TCD : Detector de Conductividad Térmica

Y: Rendimiento

∆T : Variación de temperatura (oC)

µ : Viscosidad del substrato ( cP)

%SVi: Porcentaje de sólidos volátiles en la alimentación

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PRODUCCIÓN ANAERÓBICA DE BIOGAS, APROVECHAMIENTO DE LOS

RESIDUOS DE MATADERO Y MERCADO

1. INTRODUCCION

1.1 ANTECEDENTES DEL PROYECTO

Los diagnósticos de producción mas limpia (PML) llevados a cabo por el centro de

promoción de tecnologías sostenibles (CPTS) en el sector industrial manufacturero

boliviano, identificaron la necesidad concreta de investigar y desarrollar técnicas y

tecnologías adecuadas para dar un uso económico tangible a los flujos de residuos generados

por el sector, que no puede ser minimizados mediante prácticas estrictamente preventivas. Es

decir que, después de agotar dichas practicas, es necesario proseguir con practicas de PML

relacionadas con el rehúso, reciclaje y recuperación de residuos.

Una de las razones por las cuales el sector industrial manufacturero no ha logrado desarrollar

técnicas y tecnologías adecuadas para dar un uso económico a sus residuos, es la falta de una

relación de cooperación estrecha entre industria y las universidades y centros de

investigación.

En este contexto, y como un componente del Programa “Vinculación Universidad –

Empresa”, la Cámara Nacional de Industrias (CNI), bajo la coordinación y asesoramiento

técnico del CPTS, la administración y supervisión de Geología Ambiental y Recursos

Naturales (GEARENA), y el auspicio del Programa de Cooperación Danesa al Sector Medio

Ambiente (PCDSMA) y la Agencia de los Estados Unidos para el Desarrollo Internacional

(USAID), requiere que institutos de investigación universitaria, profesionales independientes

y otros centros de investigación privados, presenten propuestas técnicas y económicas, bajo

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términos de referencia generales y específicos, para investigar y desarrollar técnicas y

tecnologías adecuadas que permitan dar un valor económico tangible a los flujos de residuos

que genera la industria manufacturera en Bolivia. [1]

La CNI realizo una convocatoria (a través de periódicos de circulación nacional) invitando a

todos los institutos de investigación a presentar proyectos de investigación sobre temas

específicos de producción más limpia relacionadas con residuos generados por el sector

industrial manufacturero. El proyecto 09 de esta convocatoria se relaciona con la producción

más limpia en el subsector mataderos cuyo titulo es “Producción anaeróbica de biogás y

aprovechamiento de los residuos del proceso anaeróbico”. El objetivo del proyecto en su

primera fase es desarrollar un proceso para el aprovechamiento de residuos sólidos de

matadero (rumen, estiércol, sangre) y de los residuos vegetales, provenientes de los

mercados, mediante su descomposición anaeróbica para la producción de biogás.

El Instituto de Investigación de Procesos Químicos (IIDEPROQ) dependiente de las

Carreras Ingeniería Química, Medio Ambiente y Alimentos, gracias al acuerdo de

cooperación UMSA – ASDI/SAREC, desde el año 2000 viene fortaleciéndose tanto en el

equipamiento de sus laboratorios como en la especialización de sus investigadores. Uno de

los campos de investigación que se viene trabajando es el de “Digestión Anaeróbica” a la

fecha cuenta con un laboratorio en esta especialidad cuyos equipos permiten el trabajo de

investigación a nivel laboratorio y bench scale, y además cuenta con equipos de análisis

instrumental de ultima generación.

En este contexto, el Ing. Rene Alvarez (Investigador responsable) conjuntamente con los

universitarios Saúl Villca y Víctor Riera (titulado en el tiempo de trabajo), miembros del

IIDEPROQ fueron adjudicados con el Proyecto 09, y resultado del trabajo cuya duración fue

de un año es el presente documento final.

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1.2 Producción anaeróbica de biogás

La digestión anaeróbica de materia orgánica es la conversión directa de la biomasa en gas,

denominado biogás, que es una mezcla de metano y dióxido de carbono con pequeñas

cantidades de otros gases tales como el sulfuro de hidrógeno. La materia orgánica es

biotransformada por microorganismos (bacterias y archaes) en ambiente anaeróbico

(ausencia de oxígeno), produciendo biogás con un contenido de energía entre 20% a 40% del

poder calorífico de la materia prima. La digestión anaeróbica es una probada tecnología y

ampliamente utilizada para el tratamiento de desechos con alto contenido de materia

orgánica. El biogás puede ser utilizado directamente como combustible, o puede ser

mejorado en calidad removiendo el CO2 y utilizado como combustible para automóviles o

para la producción de electricidad. [2]

El efluente obtenido como digestato de las plantas de biogás, es un fango meta estabilizado y

rico en nutrientes, este producto es un abono más rico en nitrógeno que el procedente del

composte tradicional, lográndose un aumento de nitrógeno en un 120% y de fósforo de

acción rápida en un 150%. Es importante considerar que la utilización de lodos mal

digeridos, puede ser perjudicial para el suelo e incluso peligroso para la salud por la

presencia de microorganismos patógenos que pueden contaminar las aguas subterráneas.

Una práctica que da buenos resultados, es separar el líquido del residuo sólido por filtración

y utilizar él líquido como fertilizante [2, 21].

Hasta pocos años atrás, la digestión anaeróbica (DA) fue un tratamiento mono substrato y de

simple propósito. Por ejemplo el estiércol se digería para producir energía, las aguas

residuales industriales debían ser pre-tratadas. En los tiempos actuales la DA es mejor

conocida y la confianza en esta tecnología se ha incrementado, consecuentemente vino a ser

un proceso multi-propósito sirviendo al mismo tiempo para la producción de energía, mejora

de la calidad fertilizante de residuos, reducción en la contaminación de efluentes y otros

propósitos.

Se define como co-digestión a la digestión simultánea de una mezcla homogénea de dos o

más substratos. La situación más común, es cuando una mayor cantidad del principal

substrato básico es mezclado y digerido junto con una menor cantidad de un simple o una

variedad de substratos adicionales.

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La co-digestión ofrece muchas ventajas ecológicas, tecnológicas y económicas:

Mejorado balance de nutrientes

La digestión de una variedad de substratos en lugar de un solo tipo de residuo mejora la

relación de nutrientes de C:N:P el cual óptimamente debería ser de alrededor de 300:5:1.

Este también mantiene una razonable mezcla de minerales (Na, K, Mg, Mn, etc.) así

como también una balanceada composición de trazas de metales. Se observo que la co-

digestión mejora el proceso de digestión e incrementa la generación de biogás (efecto

cinergético), este podría ser atribuido a la presencia de nutrientes y la reducción/dilución

de sustancias inhibidoras debido a la mezcla de los residuos. [3,4]

Optimización de cualidad reológica

Residuos con una pobre dinámica de fluidos, pueden ser mas fácilmente digeridos

después de ser homogeneizados con sustratos diluidos como ser estiércoles líquidos o

aguas residuales. La mezcla de diferentes substratos da flexibilidad para compensar las

fluctuaciones estaciónales de residuos permitiendo que el proceso de digestión pueda ser

mantenido a velocidad constante. [3]

Numerosos materiales orgánicos son posibles de digerir anaeróbicamente sin mayores

requerimientos de pretratamiento y con excelentes rendimientos, siempre que el contenido

de impurezas o componentes inhibidores sean muy bajos (Ejemplo: Frutas, sangre) entonces,

problemas operacionales no son esperados. Algunos residuos (como estiércol, vegetales)

pueden formar metabolitos inhibidores (Ejemplo: NH3, acumulación de ácidos volátiles)

durante la digestión anaeróbica consiguientemente no son considerados como excelentes.

Muchos otros residuos orgánicos pueden ser considerados como buenos materiales, sin

embargo estos a menudo requieren pre-tratamiento (Ejemplo: Alimentos con fecha de

expiración vencida, residuos de mercado, rumen y residuos de estomago, etc.) para obtener

buena digestión y alta calidad como producto final (digestato), impurezas como plásticos,

vidrio, metales, arena, piedras, etc., tienen que ser removidos casi completamente antes de la

alimentación al biodigestor. Esto es necesario para evitar el taponamiento de tuberías,

formación de espuma, capas en la base, fallas de proceso, o daños de bombas, y elementos

de agitación. Estas etapas de pretratamiento requieren de maquinaria altamente sofisticada y

frecuentemente causa considerables costos operacionales.

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Pocos materiales orgánicos pueden ser clasificados como pobres para la digestión, debido a

su alto costo de pre-tratamiento, componentes inhibidores, pobre biodegradabilidad, riesgos

higiénicos o debido a costosos problemas logísticos de transporte o recolección (Ejemplo:

Partes de animal, animales de confiscación, paja, residuos de jardinería).

El posible uso de residuos como substrato en digestión anaeróbica también es influenciada y

determinada por legislación, así como guías o reglas técnicas. Es necesario considerar la

legislación sobre rellenos sanitarios, protección de suelos y aguas, las regulaciones sobre la

recuperación, disposición y tratamiento de residuos, reglas sobre salud humana y animal y

guía de esterilización.

Los residuos orgánicos pueden contener bacterias patogénicas de diferentes especies como

Salmonella, Listeria, Escherichia coli, Campylobacter, Mycobacteria, Clostridia, Yersinia,

coliformes fecales y enterobacterias. La frecuente polución de suelos por aguas residuales y

estiércol de animales tienen adverso efecto en el medioambiente, permitiendo que los

patógeno permanezcan viables en el suelo par dos meses o más, especialmente en áreas

húmedas y sombrías. La supervivencia de bacterias en el suelo depende, sin embargo, de

muchos parámetros, tales como temperatura, humedad, pH, composición del suelo y la

presencia de los otros microorganismos. El proceso de digestión anaeróbica de estos

residuos reduce o elimina la presencia de estos microorganismos [26,27].

La velocidad de decaimiento de bacterias patogénicas en DA depende de muchos factores –

temperatura, tiempo de tratamiento, pH, ácidos volátiles grasos, tipo de proceso, especie

bacterial y disponibilidad de nutrientes [26]. La inactivación de patógenos puede efectuarse

en termino de horas en digestión termofilica (50-55oC) o días en digestión mesofilica (30-

38oC). La reducción del 90% de enterobacterias fue alcanzado en 18 días comparado con S.

Typhimurium que requirió del doble de tiempo [28].

1.3 Aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado

Durante el proceso de faeno en un matadero se obtienen la carne y subproductos (como ser

hígado, etc.) que son adecuados para el consumo humano y pueden ser comercializados

libremente. Los residuos, no adecuados para consumo humano son divididos en dos

categorías: 1) Residuos que tienen valor comercial y que son comercializados; tales como las

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grasas y huesos los que encuentran usos como materia prima en plantas de alimento para

animales o en la industria farmacéutica; y 2) Residuos no comercializables, tales como

rumen, residuos de panza e intestinos, estiércol, etc. Estos residuos pueden ser tratados

mediante digestión anaeróbica.

1.3.1. Residuos de matadero

La tabla 1. muestra los promedios mensuales de los residuos y las cantidades generadas en el

matadero municipal de la ciudad de La Paz, en este matadero se faenan ganado vacuno y

ganado porcino.

Tabla 1. Generación mensual de residuos en el matadero municipal de la Ciudad de La Paz, periodo de referencia Sep-Nov de 2000.*

Residuos Unidad Vacuno Porcino Total Estiércol Kg 15914,0 6314,0 22228,0 Sangre Kg 64223,5 8208,0 72431,5 Rumen y otros Kg 93016,2 0,0 93016,2 Sólidos groseros y grasa Kg 0,0 3157,0 3157,0 Merma Kg 33632,9 0,0 33632,9 Orina Kg 13262,0 5262,0 18524,0 ............................................................. Totales kg 220048.6 22941,0 242989,6 *Fuente: Castro DO. Investigación básica para el tratamiento de aguas residuales del

matadero municipal de Achachicala-La Paz. 1.3.2. Residuos de frutas y vegetales de mercado

En la ciudad de La Paz la recolección de residuos sólidos generados en los mercados esta a

cargo de la empresa “Clima”, esta empresa destina 5 vehículos con un promedio de

recolección de 8 ton/dia/vehículo en días normales y el doble los lunes. Sin embargo, los

camiones también recogen basura común durante sus trayectos y que esta constituiría un

35% de la carga. El estimado total de la materia orgánica de mercados es 30 ton/dia [6].

Según el censo realizado por el Instituto Nacional de Estadística (INE 2002) en La Paz se

genera 430 toneladas diarias de basura de las cuales el 20.5% es proveniente de mercados y

ferias, esto implica que 88.15 toneladas diarias. Un estudio realizado por IMPADE indica

que el 58% de la basura generada en el departamento de La Paz es materia orgánica.

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2. OBJETIVOS DEL PROYECTO

2.1 Objetivos generales

Desarrollar un proceso para el aprovechamiento del rumen, la sangre, el estiércol,

proveniente de los mataderos de reses y de los residuos vegetales proveniente de los

mercados, mediante su descomposición anaeróbica para la producción de biogás.

2.2 Objetivos específicos

Caracterización fisicoquímica de los residuos sólidos de matadero y de los residuos

vegetales proveniente de los mercados.

Establecer la mezcla adecuada de los residuos en estudio para la producción de biogás.

Analizar los parámetros que influyen en el proceso.

Determinar las condiciones operativas adecuadas para la producción de biogás con residuos

orgánicos de matadero y residuos vegetales de mercado.

Determinar la calidad del biogás producido mediante análisis cromatográfico y la

composición del residuo de la digestión anaeróbica (nitrógeno, fósforo, potasio, etc.).

Efectuar pruebas a nivel bench scale con el objeto de recabar información relativa a los

balances de materia y energía, etc.

Determinar los parámetros de diseño.

Proponer un proceso para el aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado.

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3. ESTUDIO BÁSICO

3.1 Fundamento teórico

La degradación de la materia orgánica vía digestión anaeróbica para la producción de biogás

es una buena alternativa medioambiental y tecnológica. En este contexto los procesos

anaeróbicos son aquellos donde ni oxígeno ni nitrato están presentes. Estos procesos son

llevados a cabo por un largo y variado grupo de microorganismos que normalmente viven en

una relación sintrópica. Sintropismo es un proceso por el cual dos o más microorganismos

cooperan a degradar una sustancia que solos no podrían.

La descomposición anaeróbica de materia orgánica compleja en metano y dióxido de

carbono es un proceso multi-etapa. Las principales etapas son hidrólisis, acidogénesis,

acetogénesis y metanogénesis. (Fig. 1)

Fig. 1. Degradación anaeróbica de material orgánico.

Metanogénesis

Acetogénesis

Acidogénesis

Hidrólisis

Metano, dióxido de carbono

Hidrógeno, dióxido de carbono Acético

Productos Intermedios ej. Propionico, butírico

Ácidos grasos Amino ácidos, Azucares

Grasas CarbohidratosProteínas

Materia orgánica compleja

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En la hidrólisis de polímetros orgánicos como ser carbohidratos, grasas y proteínas, estos

polímetros son hidrolizados en unidades más pequeñas tales como azucares, ácidos grasos de

cadenas largas y amino ácidos. Esto es efectuado por medio de enzimas extracelulares como

la celulasa, amilasa, lipasa o proteasa. Los microorganismos que producen estas enzimas

pueden ser microorganismos aeróbicos obligados o facultativos.

La siguiente etapa en la degradación anaeróbica es conocida como acidogénesis, donde, los

azucares, ácidos grasos de cadena larga y amino ácidos resultantes de la hidrólisis son

utilizados como sustratos por microorganismos fermentativos o por oxidantes anaeróbicos.

La acidogénesis a menudo es la etapa más rápida en la conversión anaeróbica de materia

orgánica compleja en fase líquida. En un proceso estable, la principal ruta de degradación es

vía acetato, dióxido de carbono e hidrógeno y los reducidos intermediarios de fermentación

juegan un rol menor. Esta ruta de degradación también da un alto rendimiento energético

para los microorganismos. La acumulación de receptores de electrones tales como ácido

láctico, propiónico, butírico, etanol y otros ácidos grasos volátiles (AGV) es la respuesta de

las bacterias al incremento de la concentración de hidrógeno en el substrato. Estos productos

pueden no ser utilizados directamente por los microorganismos metanogénicos y deberían

ser degradados por las bacterias productoras de hidrógeno en el proceso denominado

acetogénesis.

Las bacterias acetogénicas son responsables de la conversión de los compuestos receptores

de electrones producidos en la etapa acidogénica. La conversión de estos compuestos

intermedios es crucial para la exitosa producción de metano, debido a que los

microorganismos metanogénicos no los pueden utilizar directamente. La Acetogénesis es

llevada a cabo por una sintrópica asociación con microorganismos metanogénicos

consumidores de hidrógeno. Termodinámicamente esta relación sintrópica representa el

metabolismo basado sobre el concepto de mínima energía que pueden utilizar las células

vivientes, donde las reacciones acetogénicas termodinámicamente no espontáneas (energía

libre de Gibbs positiva) se viabiliza por la reacción metanogénica, cuya energía libre de

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Gibbs negativa da como resultado una reacción sintrópica neta con energía libre de Gibbs

negativa (espontánea).

La metanogénesis es la producción de metano y dióxido de carbono a partir de un limitado

numero de compuestos (acético, H2/CO2, metanol y acido fórmico) que actúan como

substrato para los microorganismos metanogénicos (archaeas). Alrededor de 70% del

metano es obtenido vía reacción de acético y el restante es a partir de la reacción de H2/CO2.

Los microorganismos metanogénicos consumidores de hidrógeno son los microorganismos

de más rápido crecimiento en la digestión aeróbica, el mínimo tiempo de duplicación de

estos microorganismos se estimo en 6 horas, comparado con 2,6 días de los

microorganismos metanogénicos acetoclásticos.

Factores que influyen en la degradación anaeróbica

Los factores medioambientales que son relevantes en la tecnología de la degradación

anaeróbica incluye la temperatura, pH, la presencia de nutrientes y componentes tóxicos en

el proceso.

Temperatura

Los tratamientos anaeróbicos normalmente son efectuados en dos rangos distintos de

temperaturas: El rango mesofilico (25 – 40oC) y el rango termofílico (>45oC). Las

propiedades físicas como la viscosidad y la tensión superficial podrían cambiar con la

temperatura y mejorar la transferencia de masa y una alta velocidad de degradación fue

observada bajo condiciones termofílicas. En otros casos, el tratamiento anaeróbico en el

rango termofílico mostró ser más inestable que bajo condiciones mesofílicas y esto no

mejoro la velocidad de degradación. La metanogénesis también es posible bajo condiciones

psycrofílicas (T<20oC) pero ocurre a velocidades muy bajas.

pH

Cada grupo de microorganismos involucrados en la degradación anaeróbica tiene una región

de pH optima para su crecimiento, para los microorganismos acidogénicos el pH optimo es

20


alrededor de 6, para los microorganismos acetogénicos y metanogénicos el pH optimo es

alrededor de 7. En un proceso de tratamiento anaeróbico de una sola etapa el pH debería

mantenerse próximo a la neutralidad dado que las bacterias acidogénicas también trabajan a

pH cerca de la neutralidad y la etapa metanogénica es frecuentemente la etapa limitante.

Nutrientes

Una eficiente biodegradación requiere que nutrientes como nitrógeno, fósforo y trazas de

elementos estén disponibles en suficiente cantidad. Los nutrientes más importantes son

nitrógeno y fósforo y se sugiere que la relación COD:N:P debería mantenerse como mínimo

en 250:5:1. En la degradación de mezclas de residuos con frecuencia se asume que los

necesarios nutrientes y micro nutrientes están disponibles en cantidades no limitantes. Sin

embargo en el tratamiento de simples residuos, la degradación puede ser limitada por la

disponibilidad de nutrientes. Hay muchos ejemplos que muestran que la suplementación de

elementos trazas, como níquel y cobalto estimula el proceso anaeróbico.

Inhibición

Los microorganismos metanogénicos son considerados más sensibles a la toxicidad que

otros microorganismos presentes en la degradación anaeróbica. Sin embargo efectos de

aclimatación y reversibilidad de los efectos tóxicos fueron observados.

La inhibición de NH3, H2S y AGF (ácido acético, propiónico y butírico) es dependiente del

pH porque solo las formas no ionizadas son las que exhiben toxicidad microbial. NH3 es

inhibidor a pH mayor que 7. H2S y AGF son tóxicos a pH menor a 7. Bacterias anaeróbicas

en cultivos puros mostraron sensibilidad a metales pesados en el rango de concentraciones

de 10-3 a 10-4M.

Las bacterias metanogénicas son muy sensibles al oxigeno, sin embargo en la mezcla de

cultivos de un digestor anaeróbico hay bacterias aeróbicas facultativas presentes en el grupo

de bacterias hidrolíticas y acidogénicas y el oxigeno presente en el digestor será rápidamente

consumida por estos microorganismos.

21


Materia prima

La digestión anaeróbica de residuos sólidos de matadero como la de restos de frutas y

vegetales recientemente es considerada como una adecuada alternativa en el tratamiento de

residuos. El conocimiento sobre el proceso de co-digestión se incrementó sin embargo, más

estudios son necesarios para investigar el efecto de diferentes tipos de materias primas, y

como la composición de los residuos influye en el proceso de biodegradación.

Los residuos resultantes del faeneo de reses y cerdos consisten principalmente de rumen,

residuos de panza e intestinos, sangre y estiércol. La digestión anaeróbica de mezclas de

residuos usando sangre, rumen y residuos de intestinos, se reporto que es posible usarlos en

la proporción en los que estos son producidos [7]. Rosenwinkel y Meyer [8] publico los

resultados de una planta piloto para el tratamiento de residuos de estomago de cerdo y colas

de flotación de matadero, la digestión anaeróbica de los contenidos de estomago fue posible

con un tiempo de retención hidráulico (HRT) de 44 días y la adición de NaOH, la baja

producción especifica de biogás (0.16 m3/Kg ST) y contenido de metano de 40% indica que

en el biorreactor hubo acidificación y la metanogénesis fue incompleta, reduciendo el tiempo

de retención a 25 días la metanogénesis se detuvo completamente, basado en estos

resultados, ellos concluyeron que la digestión anaeróbica de solo residuos de estomago no es

recomendable. La co-digestión de los residuos de estomago (25%) con colas de flotación de

matadero después de larga fase de adaptación y tiempo de retención de 17 días, fue obtenida

una operación estable. La producción especifica de gas fue 0.44 m3/kg ST adicionado.

Es importante notar que los rendimientos en los procesos de co-digestión dependen del tipo

de material, la proporción de los componentes, el tipo y las condiciones del proceso; también

el rendimiento depende del pre-tratamiento de la materia prima. Co-digestión de residuos

animales pasteurizados (70oC, 1h) incrementa el rendimiento de biogás (1.14 m3/kg SV)

comparado con la digestión de residuo no-pasteurizado (0.31 m3/kg SV) [8].

El termino “productividad de metano” es usado para indicar el rendimiento de metano por

unidad de una variable. La productividad de metano puede ser medido en términos de sólido

volátil destruido (SVdes), sólido volátil adicionado (SVad) o producción animal. La

productividad de metano en términos de SVdes (L CH4/kg SVdes) corresponde al

22


rendimiento teórico de metano (Bu) y se define como la producción de metano si hubiere

una completa degradación de todos los componentes orgánicos del substrato. La

productividad de metano en términos de SVad cuando el tiempo de residencia tiende a

infinito es referida como el rendimiento final de metano (Bo). El rendimiento último de

metano resulta ser menor que el rendimiento teórico de metano en razón de que una fracción

del substrato es utilizada para sintetizar biomasa bacterial, otra fracción de la materia

orgánica podría perderse en los efluentes y finalmente otra fracción del substrato esta

compuesto por materia orgánica refractaria (materia que puede degradarse en limitado

grado). Se estableció que la producción ultima de metano (Bo) y la producción volumétrica

de metano (m3/m3 substrato) de substratos de diferente origen pueden ser muy variables, así

en el caso de estiércol de animales estos dependerán de factores como: la especie de animal,

alimentación, etapa de crecimiento de los animales, procesos de degradación durante el

periodo previo a su utilización [24]

Residuos de frutas y vegetales constituyen una potencial fuente de energía si ellos pueden

ser adecuadamente y biológicamente convertidos a metano. Gunaseelan [9] reportó el

potencial bioquímico de metano de 54 muestras de residuos de frutas y vegetales, , la

productividad ultima de metano reportado en el caso de frutas varía de 180 a 732 l/kg SVad

y para los vegetales entre 190 a 400 l/kg SVad. Bouallagui, et al. [10] y Dinsdale, et al. [11]

evaluaron residuos de frutas y vegetales como materia prima para digestión anaeróbica, los

rendimientos de metano reportados fueron entre 0.25 – 0.45 m3/kg SV adicionado. Sin

embargo, ellos y otros investigadores sugieren que el contenido de nitrógeno y fósforo en

residuos de frutas y vegetales puede ser bajo, y esta es la razón por la que estos son usados

en co-digestión con otros residuos.

Hasta hace muy poco la digestión anaeróbica fue de simple substrato y proceso de simple

propósito. Hoy, los limites y las posibilidades de la digestión anaeróbica son mejor

conocidos y la co-digestión de dos o más substratos, viene a ser una tecnología standard. No

obstante, más estudios son necesarios para investigar los efectos de diferentes tipos de

materia prima, pobre biodegradabilidad, y como la composición de residuos influye en el

proceso de digestión anaeróbica. En el presente estudio básico preliminar hacemos conocer

23


los resultados de los efectos de la composición de mezcla en la co-digestión de residuos

sólidos de matadero con residuos de frutas y vegetales. El estudio fue realizado en reactores

batch a nivel laboratorio utilizando diseño experimental de mezclas.

3.2 Materiales y métodos

3.2.1 Materia prima

Residuos de Mercado consistente en restos de frutas y vegetales fueron muestreados del

mercado Rodríguez, principal centro de abasto en la Ciudad de La Paz, su composición se

muestra en la tabla 2. luego de clasificado y pesado cada componente, fue mezclado, licuado

y embolsado para ser almacenado en conservadora a temperatura menor a 0oC hasta su

utilización, muestras representativas fueron separadas para su análisis.

Tabla 2. Composición de mezcla de residuos de frutas y vegetales (MFV)

Fuente: Elaboración propia

No Nombre de muestra Porcentaje (w/w)1 Zapallo (cascara y semillas) 5.152 Berenjena 6.203 Tomates 5.844 Lechuga 0.925 Lacayote 6.266 Zanahoria 2.347 Zebolla 11.508 Locoto 3.799 Pimento morron 7.66

10 Arveja (cascara) 0.7211 Nabo 0.8812 Rabano 0.6413 Papa 2.7414 Sandia 0.8815 Limones 1.5016 Toronja 6.8017 Pina (cascara) 1.5018 Naranjas 21.6019 Banana y postre 2.2320 Camote 5.8521 Yuca 5.00

24


Muestras de residuos del matadero de Achachicala (Ciudad de La Paz, Provincia Murillo)

consistentes en estiercol de vaca y cerdo, rumen de vaca, sangre de vaca y cerdo, residuos de

estómago de cerdo fueron muestreados cuidadosamente al inicio de los trabajos diarios de

este matadero, se embolsaron en envases de polietileno y puestos en conservadora a

temperatura menor a 0oC hasta su utilizacion. Muestras representativas de cada material

organica fueron separados para su análisis.

Los resultados de los análisis efectuados por los laboratorios del LCA, IBTEN, IIDEPROQ

y Hospital Municipal Boliviano Holandes se muestran en la tabla 3 y 4.

Tabla 3. Caracterización de residuos de matadero y frutas/vegetales

Estiercol Rumen Sangre Parámetro Unidad de Vaca de Vaca de Vaca

pH 7.10 6.10 7.40Solidos totales % 14.14 13.42 23.03Solidos volatiles % ST 77.45 86.55 96.36Solidos volatiles % bh 10.95 11.62 22.19Contenido de Humedad % 85.86 86.58 76.97Nitrogeno Total % 1.90 2.20 15.00Materia Orgánica % 74.00 90.00 96.00Cenizas % 26.00 10.00 3.80Fósforo Total mg/Kg 9200.00 6600.00 870.00Sodio Total mg/Kg 1100.00 20000.00 12000.00Potasio Total mg/Kg 15000.00 8800.00 2900.00Calcio Total mg/Kg 23000.00 2100.00 130.00

Resid. De Sangre Estiercol Res. PanzaParámetro Unidad Mercado de cerdo de cerdo de cerdo

pH 4.90 7.25 9.15 5.95Solidos totales % 14.52 22.28 37.88 13.52Solidos volatiles % ST 92.01 96.56 67.77 85.53Solidos volatiles % bh 13.36 21.29 25.57 11.57Contenido de Humedad % 85.48 77.72 62.12 86.46Nitrogeno Total % 2.10 8.32 2.47 1.85Materia Orgánica % 86.00 95.56 67.77 85.53Cenizas % 14.00 4.44 32.23 14.47Fósforo Total mg/Kg 3100.00 494.00 21647.00 4510.00Sodio Total mg/Kg 2700.00 7406.00 2772.00 19890.00Potasio Total mg/Kg 27000.00 10682.00 10612.00 8799.00Calcio Total mg/Kg 9100.00 90.00 13886.00 1922.00Fuente: Elaboración propia. Muestreo: Frutas y vegetales 23/05/03, matadero 3/04/03

25


Tabla 4. Análisis microbiológico de muestras de residuos de matadero

M U E S T R A Estiércol De Vaca

Rumen De Vaca

Sangre De Vaca

Playa de Faeneo Centro

Microorganismos Patógenos Shigella spp X X X Salmonella typhi X Staphylococcus aureus X Eschrichia coli enteropatógena X Microorganismos no Patógenos Staphylococcus epidermidis X Staphylococcus saprophyticus X Enterococcus faecalis X X Escherichia coli no patógena X X X X Enterobacter spp X X Basilos gram neg. no fermentadores X X X Pseudomona spp X Proteus spp Salmonella spp Staphylococcus epidermis X X

M U E S T R A Playa de Faeneo #1

Playa de Faeneo #2

Playa de Faeneo #3

Playa de Faeneo #4

Residuos Mercado

Microorganismos Patógenos Shigella spp Salmonella typhi Staphylococcus aureus Eschrichia coli enteropatógena Microorganismos no Patógenos Staphylococcus epidermidis Staphylococcus saprophyticus Enterococcus faecalis Escherichia coli no patógena X X X X Enterobacter spp Basilos gram neg. no fermentadores Pseudomona spp X X Proteus spp X X Salmonella spp X Citrobacter Freundii X

26


El análisis microbiológico se realizo de muestras tomadas en distintos lugares del Matadero

Municipal de Achachicala, para este propósito se tomo las muestras de la forma autorizada

por el Laboratorio Clínico Bacteriológico, del Hospital Municipal Boliviano Holandés, ya

que para poder determinar los microorganismos patógenos que se pudieran encontrar en los

residuos de Matadero, es necesario hacer un barrido de análisis para diferentes

microorganismos, e ir determinando en cuales de los análisis estos dan positivos, vale decir

se detectan microorganismos patógenos.

Para este propósito es necesario que las muestras sean tomadas en el lugar donde se genera

el residuo, siendo así se tomaron 37 muestras en matadero en total ya que dependiendo del

lugar, podría tratarse de que los microorganismos patógenos, estén en el residuo como tal, o

si se contamina por el medio que lo rodea y una muestra representativa de los residuos de

mercado. (Se tiene un mayor detalle del reporte en el Anexo C en el informe de cultivo

Bacteriológico realizado por el laboratorio de bacteriología del Hospital Municipal

Boliviano Holandes de la ciudad de El Alto).

Tabla 5. Formulación de mezclas de estiércol, sangre/rumen y vegetales.

Mezcla Composición (%) Mezcla de estiércol (EVC) Estiércol de vaca 71% Estiércol de cerdo 29% Mezcla de sangre, rumen y residuos de panza e intestino de cerdo (SVCRR). Rumen de vaca 57,14% Residuos de panza e intestino de cerdo 9,43% Sangre de vaca 28,57% Sangre de cerdo 4,86%

3.2.1.1 Comparación de N, P y de las relaciones C/N, con los datos Bibliográficos

A continuación tenemos una tabla que nos permite evaluar los resultados experimentales de

la caracterización y en este caso los nutrientes necesarios para el proceso de digestión

anaeróbica.

27


Tabla 6. Comparación De Valores Analizados Y Bibliográficos De La Materia Prima

Residuo C/N *C/N N [g/KgSV] *N [g/KgSV] P [g/KgSV] *P [g/KgSV]Estiercol Vaca 23 15 - 30 26 80 - 120 12 10 - 25 Rumen Vaca 24 15 - 30 24 80 - 120 7 10 - 25 Sangre Vaca (Oriente) 4 15 - 30 158 80 - 120 1 10 - 25 Sangre Vaca (Altiplano) 4 15 - 30 156 80 - 120 1 10 - 25 Residuo de Mercado 24 15 - 30 24 80 - 120 4 10 - 25 Sangre Cerdo 7 15 - 30 86 80 - 120 1 10 - 25 Estiercol Cerdo 16 15 - 30 37 80 - 120 32 10 - 25 Res. Est. Cerdo 28 15 - 30 21 80 - 120 5 10 - 25

*Valores Bibliográficos (Henze 1995)

Como podemos observar en la tabla, en las columnas de las relaciones de Carbono

Nitrógeno (C/N), El estiércol de vaca, rumen de vaca, residuos de mercado estiércol de

cerdo y residuos de estomago de cerdo, cumplen con el rango necesario para un tratamiento

de estos residuos, por el proceso de digestión anaerobia. Por el contrario todas las sangres se

encuentran por debajo del rango especificado necesario para un tratamiento anaerobio y

producción de biogás.

Observando las columnas de Nitrógeno (N), en este caso las sangres se encuentran por

encima o en el rango especificado necesario para el proceso, en cambio los demás residuos

se encuentran muy por debajo de este requerimiento.

Finalmente observando las columnas de Fósforo (P), solamente el estiércol de Vaca y el

estiércol de Cerdo se encuentran en el rango o por encima respectivamente, del rango

especificado como necesario para el proceso, los demás se encuentran por debajo de este

requerimiento.

Entonces de estas observaciones podemos concluir de que si bien estos nutrientes son muy

importantes para el proceso, y todos los residuos, no cumplen con todos estos requerimiento

planteados en la bibliografía, estos no se deben cumplir estrictamente, ya que para el

tratamiento de residuos orgánicos, estos parámetros no son definitivos, sino que son solo

referenciales, y no influirán de gran manera durante el proceso, ya que en el proceso, el

sistema se va autoregulando lentamente, y los microorganismos que interfieren en el

proceso, van degradando los residuos y liberando cada uno de estos componentes de tal

forma que los sólidos solubilizados en el medio se encuentran en rangos suficientes para el

desarrollo de los microorganismos que interfieren en el proceso. Además, para las pruebas se

28


utilizan mezclas de estos residuos, así que de alguna manera estos se compensaran y

podremos ajustarnos de mejor manera en estos rangos.

Entonces para el control durante las pruebas se toma las relaciones de Carbono Nitrógeno,

como señal de la estabilidad del sistema ya que como vimos, la mayoría de los residuos

cumplen con este requerimiento.

3.2.1.2 Comparación de los iones Na, K y Ca, con los datos Bibliográficos


la caracterización y en este caso con los niveles máximos permisibles para el proceso de

digestión anaerobia.

Tabla 7. Comparación De Iones Na, K Y Ca Con Limites Bibliográficos

Residuo Na [M] *Na [M] K [M] *K [M] Ca [M] *Ca [M]Estiercol Vaca 0.008 0.2 0.065 0.09 0.098 0.07 Rumen Vaca 0.128 0.2 0.033 0.09 0.008 0.07 Sangre Vaca (Oriente) 0.162 0.2 0.015 0.09 0.001 0.07 Sangre Vaca (Altiplano) 0.121 0.2 0.017 0.09 0.001 0.07 Residuo de Mercado 0.017 0.2 0.098 0.09 0.032 0.07 Sangre Cerdo 0.072 0.2 0.062 0.09 0.001 0.07 Estiercol Cerdo 0.048 0.2 0.108 0.09 0.138 0.07 Res. Est. Cerdo 0.119 0.2 0.031 0.09 0.007 0.07

*Limite Bibliográfico (Kugelman y Chin 1971)

Observando en la tabla, comparando los valores en las columnas de Sodio (Na), vemos que

ninguno de los residuos tiene una cantidad de Sodio por encima del valor bibliográfico

(*Na), por lo tanto se descartaría que existiera alguna inhibición por exceso de este ion.

También vemos que los residuos de estiércol de vaca y estiércol de cerdo, son los residuos

que tienen los valores más bajos, y son residuos que ya se han utilizado anteriormente y se

reportan buenos resultados en pruebas individuales de estos residuos.

Observando las columnas de comparación para el Potasio (K), vemos que se encuentran por

encima de estos límites los residuos de mercados y el estiércol de cerdo, aunque no están

muy encima, sino solo ligeramente, por lo que se esperaría que al realizar las mezclas, estos

se encuentren por debajo del límite bibliográfico de 0.09 de (*K).

29


Observando las columnas de comparación para el calcio (Ca), solo exceden los límites que

se tiene en bibliografía (*Ca), los residuos de estiércol de vaca y estiércol de cerdo, siendo el

caso mas crítico en el caso del estiércol de cerdo, que prácticamente duplica estos límites,

pero esperemos que al realizar las mezclas y debido a que los demás residuos están muy por

debajo de este límite, la mezcla resultante se encuentre por debajo de este límite, aún es

también de esperar de que la mezcla principal, que es justamente las mezclas de estiércol de

vaca y de cerdo, estén aún por encima.

Por tanto podemos concluir de que la mayoría de los residuos se encuentran por debajo de

las concentraciones límites de inhibición de estos iones, y que por lo tanto se esperaría que

no hubiese problemas por este lado, mas aún si consideramos que al trabajar con mezclas de

estos, estos parámetros se regularan por el mismo proceso de digestión, por que la

solubilización de los sólidos no es total sino parcial.

3.2.2 Preparación de las cargas de mezclas

La determinación de la relación óptima entre las cantidades de residuos de origen animal y

residuos de origen vegetal se trabajo dentro de un enfoque experimental de diseño de

mezclas con tres factores, para ello se preparo la materia prima en tres conjuntos; la primera

mezcla de frutas y vegetales (MFV) cuya composición fue detallado en la tabla 2. La

segunda, mezcla de estiércoles de vaca y cerdo (EVC) y la tercera, mezcla es de sangre de

vaca, cerdo, rumen de vaca y residuos de panza e intestino de cerdo (SVCRR) y cuyas

composiciones se indican en la tabla 5 y 8.

Tabla 8. Características de las mezclas de estiércol (EVC), sangre/rumen (SVCRR) y frutas y vegetales (MFV).

EVC SVCRR MFV

pH 8,25 7,11 4,9

Humedad (%) 76,51 81,67 85,48

Sólidos totales (%) 23,49 18,33 14,52

Sólidos volátiles (%TS) 75,96 91,74 92,01

Sólidos volátiles, base húmeda (%) 17,84 16,82 13,86

30


3.2.2.1 Caracterización De Las Tres Mezclas Preparadas Para Las Pruebas

Experimentales

A continuación se tiene los resultados de la caracterización de las tres mezclas preparadas

(Mezcla De Estiércol de Ganado Vacuno y Ganado Porcino; Mezcla De Rumen, Residuos

estomacales de cerdo, Sangre de Ganado vacuno y Porcino; Mezcla De Residuos de Frutas y

vegetales) para realizar las pruebas experimentales según el diseño experimental de mezclas

Tabla 9. Caracterización De Las Tres Mezclas Principales Del Diseño Experimental

MEZCLA S.V.b.s. [%] N [%] P [mg/Kg] Na [mg/Kg] K [mg/Kg] Ca [mg/Kg]

SVCRR 92 1.3 4469 17092 7206 1423 EVC 76 1.4 12810 1585 13727 20357 MFV 92 2.1 3100 2700 27000 9100

3.2.2.2 Comparación de N, P y de las relaciones C/N, con los datos Bibliográficos


la caracterización y en este caso los nutrientes necesarios para el proceso de digestión

anaerobia

Tabla 10. Comparación De Los Nutrientes De Las Mezclas Con Datos Bibliográficos.

MEZCLA C/N *C/N N [g/KgSV] *N [g/KgSV] P [g/KgSV] *P [g/KgSV]

SVCRR 42 15 - 30 14 80 – 120 5 10 - 25 EVC 31 15 - 30 19 80 – 120 17 10 - 25 MFV 25 15 - 30 23 80 – 120 3 10 - 25

*Valores Bibliográficos (Henze 1995)

Haciendo la evaluación de los resultados de caracterización de las tres mezclas preparadas

para las pruebas experimentales, en relación a los nutrientes necesarios, en forma general

podemos concluir que existe una deficiencia de los nutrientes que son el Nitrógeno y el

Fósforo, principalmente de Nitrógeno que se encuentran muy por debajo del requerimiento

necesario, y se refleja también en la relación Carbono – Nitrógeno (C/N), en donde se ve que

existe una mayor cantidad de carbono en relación al Nitrógeno y que la única mezcla que se

31


encuentra en el rango adecuado es la de los Residuos de mercado, y en el caso de la cantidad

de Fósforo es la de la Mezcla de estiércol de Vaca y Cerdo.

Ahora bien si bien aparentemente se requería aumentar de alguna manera estos nutrientes,

con el propósito de conseguir un comportamiento ideal, de las mezclas para el tratamiento

anaerobio y tener un mayor rendimiento en el proceso, no es el propósito de esta

investigación, sino mas bien encontrar la mejor relación de las mezclas que nos den el mejor

comportamiento en relación a la producción de Biogás y Reducción de los Residuos Sólidos

generados tanto en matadero como en los residuos como fruta y verduras de los mercados.

3.2.2.3 Comparación de los iones Na, K y Ca, con los datos Bibliográficos


la caracterización y en este caso con los niveles máximos permisibles para el proceso de

digestión anaerobia.

Tabla 11. Comparación De Las Concentraciones De Los Iones Experimentales Y

Bibliográficos

MEZCLA Na [M] *Na [M] K [M] *K [M] Ca [M] *Ca [M]SVCRR 0.150 0.2 0.037 0.09 0.007 0.07 EVC 0.019 0.2 0.099 0.09 0.143 0.07 MFV 0.017 0.2 0.098 0.09 0.032 0.07

*Limite Bibliográfico (Kugelman y Chin 1971)

Haciendo la evaluación, comparando los resultados de los análisis de las tres mezclas, vemos

que en la mayoría de los casos se encuentra por debajo de los límites que se consideran

podrían inhibir el proceso de la digestión anaerobia, solo en los casos de las Mezclas de

Estiércol de vaca y Cerdo y la Mezcla de Residuos de Mercado, sus concentraciones de

Potasio (K), se encuentran ligeramente por encima de límite especificado y la de la mezcla

de estiércol de vaca y cerdo, que su concentración de Calcio (Ca), esta muy por encima de

del límete permisible.

En este caso tampoco se regulara estas interferencias por los motivos antes expuestos, y se

analizara estos casos ya con los resultados que se obtuvieron en las pruebas experimentales.

32


3.2.3 Digestores

Los experimentos batch de digestión fueron efectuados en cuatro bioreactores cilíndricos

construidos en acero inoxidable de 2 litros de volumen útil cada uno (Fig. 2). La tapa del

recipiente tiene salidas que permiten la coleccion de biogas y el muestreo de sustrato;

ademas en el centro el eje para la agitación mecánica, el que por medio de un sistema de

engranajes, polea, motor y timer, permite el control del tiempo y velocidad de agitación. Los

digestores fueron operados a 35 ± 1oC por inmersion de los biorreactores en un baño de agua

calefaccionado por 2 termostatos de inmersion. La colección de gas de los reactores fue por

medio de manguera flexible de PVC hacia un recipiente de acumulacion y por

desplazamiento de agua acidificada a pH 2. La positiva presion del gas acumulado, permite

su transferencia hacia un cilindro de medición graduado. La medición del gas acumulado fue

efectuado una vez al día.

33


Fig 2a. Digestores anaeróbicos nivel laboratorio

34


Fig. 2b Digestor anaeróbico (detalles)

A Acumuladores de agua R Digestores G Acumuladores de biogás t Medidor de biogás B Baño termostatizado M Motor para agitación Eng Engranajes E Agitador P Puente de sujeción

35


3.2.4 Procedimiento experimental

Los experimentos batch de digestión anaeróbica fueron efectuados en dos etapas, primero

cuatro experimentos preliminares que permitieron definir el contenido de solidos volatiles

(materia organica) en las pruebas de diseño experimental de mezclas. Y 10 pruebas dentro el

diseño experimental de mezclas.

Las 3 mezclas de residuos fueron dejados fuera del refrigerador hasta el día siguiente para

descongelarlos, estos sustratos fueron pesados, mezclados y diluidos con agua de grifo hasta

obtener el contenido de sólidos volátiles deseado para cada prueba (tabla 12 y 13) y la

mezcla fue homogeneizada con una licuadora domestica y cargado al biodigestor,

posteriormente se procedio a inocular con inoculo activo estabilizado a 35oC.

Los cuatro experimentos preliminares en proceso batch fueron efectuados en paralelo (tabla

7) los que se controlaron por 47 dias. Los reactores fueron continuamente agitados a 30

rpm, la temperatura fue fijada a 35oC. La produccion de gas fue medida diariamente, y se

analizo el contenido de metano y CO2. Del sustrato se extrajeron muestras cada 10 dias y se

analizo el contenido de solidos y el pH.

10 pruebas (tabla 13) dentro de el diseño experimental de mezclas fueron efectuados. Los

reactores fueron agitados semicontinuamente (15 minutos de agitación, seguidos de 105 min.

Sin agitación). La temperatura del baño fue fijada a 35oC, los bioreactores se controlaron por

periodos de tiempo entre 40 a 100 días.

36


Tabla 12. Formulación del sustrato para pruebas preliminares de digestión anaeróbica de

residuos de matadero y mercado.

Prueba SVCRR (g) EVC (g) MFV (g) Agua [g] INOCULO [g]PP-1 27 25 34 1264 150PP-2 54 50 67 1179 150PP-3 107 101 135 1007 150PP-4 161 151 202 836 150

Tabla 13. Diseño experimental de mezcla y formulación del sustrato en la digestión

anaeróbica de residuos de matadero y mercado.

Orden No del Proporciones de los componentes Formulación del sustrato (peso en gramos)Estandar Exp. x1 x2 x3 EVC SVCRR MFV Agua Inóculo

1 1 1,00 0,00 0,00 363 0 0 1257 1805 2 0,50 0,00 0,50 182 0 243 1195 1807 3 0,33 0,33 0,33 121 128 162 1209 1802 4 0,00 1,00 0,00 0 385 0 1235 1803 5 0,00 0,00 1,00 0 0 485 1135 1806 6 0,00 0,50 0,50 0 193 243 1184 1804 7 0,50 0,50 0,00 182 193 0 1245 1808 8 0,67 0,17 0,17 243 66 82 1229 18010 9 0,17 0,17 0,67 62 66 325 1167 1809 10 0,17 0,67 0,17 62 258 82 1218 180

3.2.5 Métodos analíticos

La concentración de metano y dioxido de carbono en el biogas fue analizado con un

cromatografo de gas Shimadzu, modelo GC14B, equipado con detector TCD, columna

capilar Carboxen 1010, 0.32mm DI (Supelco). He fue utilizado como Carrier.

Los análisis de sólidos, sólidos totales (ST), sólidos volátiles (SV), pH, Nitrogeno y fosforo

fueron analizados usando los metodos estandard (APHA 2000) [12].

3.2.6 Diseño experimental

En experimentos de mezclas, la respuesta medida se asume que depende solo de las

proporciones relativas de los componentes de la mezcla y no de la cantidad de mezcla.

Por consiguiente el proposito del diseño experimental de mezcla es modelar la superficie de

mezcla bajo cierta forma de ecuación matemática empírica de modo que permita la

37


predicción de las respuestas para cualquier mezcla o combinación de ingredientes y tambien

establecer la influencia de cada componente en la respuesta.

Con el objetivo mencionado, se trabajo con un diseño simplex –centroide incrementado con

untos axiales para tres componentes (fig. 3). Este diseño tiene 10 puntos y permite estudiar

ezcla. Simplex-centroide incrementado con puntos axiales

p

la respuesta de mezclas completas en el sentido de que puede detectar y modelar la curvatura

en el interior del triangulo.[13]

El diseño experimental de mezcla para las pruebas experimentales junto a la formulacion del

sustrato se detalla en la tabla 13.

Fig. 3. Diseño experimental de m

para tres componentes.

1

2

4

3

56

7

8

910

38


3.2.7 Inóculo

digestor mesofilico (35oC) que se mantiene con alimentación periódica

con estiércol de vaca en laboratorio por tiempo mayor a 1 año en los laboratorios del

e

óculo en el sustrato inicial varíe entre 3 al 10% toda vez que el efecto de una buena

3.3 Resultados y discusión

Lodo activo de un

IIDEPROQ, fue utilizado como inóculo en los ensayos. La preparación del substrato inicial

para cada experimento fue efectuado inoculando con el 10% de la masa total del substrato.

En trabajos de digestión anaeróbica es práctica aceptada que la proporción adecuada d

in

cantidad de inóculo influye en la reducción de la duración de la fase lag (Meyrath y

Suchaneck [25])

39


3.3.1 Pruebas preliminares con residuos de matadero y de mercado.

en la tabla 14

3

tro efecto importante es la variación de pH del sustrato. Al incrementar la concentracion de

abla 14. Resultados de variación de pH, sólidos volátiles (SV), volumen de metano y rendimiento de metano en pruebas preliminares de digestión anaeróbica de mezclas

Prueba . SV Vol. acum. Rend. CH4

Inicial Final Inicial Final % (l) (m3 /(Kg SVrem))

PP1 3 01 P2 7.06 6.22 1.7515 1.3126 25.06 0.022 0.00328

ig. 4. Producción acumulada de biogás, pruebas preliminares.

Los resultados en cuanto a la evolución de sólidos en los sustratos se indican

las figuras 4, 5 y 6 muestran el volumen acumulado de biogás y la concentración de metano

en cada experimento. Al incrementar la concentración de SV (0.82 a 5.63%) en el sutrato se

puede observar que el porcentaje de reducción de sólidos volátiles varía entre 45 – 25%, el

rendimiento de metano (volumen generado de metano por unidad de sólido volátil removido,

m /(kg SVrem)) decrece dramáticamente, de la misma forma el volumen de biogás

acumulado, este comportamiento de alto rendimiento de producción de metano por unidad

de SV removido se atribuye a que los microorganismos utilizan mayor proporción de la

materia orgánica disponible cuando esta diluido el sustrato que cuando éste se encuentra

concentrado.

O

SV en el sustrato se observa una mayor reducción en el pH, esta reducción de pH provoca la

inhibición de la reacción metanogénica [11] explicando en parte la disminución del

rendimiento de producción de metano.

T

de residuos de matadero, frutas y vegetales.

pH VS (%peso húmedo) Red

7.15 7.46 0.8225 0.452 45. 1.090 0.19624

PPP3 6.84 6.34 3.6195 2.2649 37.42 0.061 0.00301 PP4 7.24 6.17 5.6301 3.0618 45.62 0.001 0.00003 F

40


0.00

500.00

1000.00

1500.00

2000.00

2500.00

3000.00

3500.00

4000.00

4500.00

5000.00

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

DIA

V [c

c]

PP - 1

PP - 2

PP - 3

PP - 4

ig. 5. Pruebas preliminares, volumen acumulado de metano

F

0

400

800

1200

1600

2000

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46

Tiempo [Dias]

Vol

. [cc

] PP-1

PP-2

PP-3

PP-4

41


Fig. 6. Pruebas preliminares, composición diaria de metano

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Dia

% C

H4 PP - 1

PP - 2

PP - 3

PP - 4

De los resultados obtenidos se establecio en principio una notable inhibición en la

metanogénesis de la muestra con las proporciones de mezclas preparadas, pese a esta

limitación se pudo obtener producción de metano y cuya optimización son el motivo de la

siguiente fase experimental.

Equilibrando los criterios de mayor cantidad posible de residuos sólidos a tratar con la

mayor producción posible de biogás, mayor contenido de metano y mayor reducción de

sólidos volátiles (materia orgánica) en sustrato, se definió como 4% la cantidad de sólidos

volátiles en el sustrato para las pruebas siguientes dentro el diseño experimental de mezcla.

3.3.2 Diseño experimental de mezcla

Las condiciones fijadas en esta serie de experimentos fueron:

Proceso: Batch

Temperatura: 35oC

Agitación: 30 rpm, discontinuo (agitación por 15 min. Seguido de 105 min.

Sin agitación)

Carga (substrato) 1800 g

%SV(base húmeda) 3.69-4.43

42


Componentes del substrato en cada experimento (Fig.3): Formulación conforme a tabla 13.

Mezcla Notación

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

Estiércol de vaca y cerdo EVC

Sangre de vaca y cerdo, rumen y SVCRR

Residuos de panza e intestinos.

Frutas y vegetales MFV

La tabla 15 muestra los resultados del seguimiento del pH y análisis de sólidos a los 10

experimentos efectuados dentro el diseño de mezclas. Las figuras 7 y 8 corresponden a los

volúmenes acumulados de producción de biogás y metano respectivamente, la evolución

diaria de la concentración de metano se muestra en la figura 9.

La productividad de biogás y productividad de metano obtenido con el mejor resultado del

conjunto, el experimento 7 dan los siguientes rendimientos:

biogás: 156.8 l biogás /kg residuo, 1012 l biogás /kg SV

Metano: 86.29 l CH4/kg residuo, 557 l CH4/kg SV

Reportes de plantas en funcionamiento de co-digestión anaeróbica de residuos de matadero e

industria de alimentos en Suecia [21] indican rendimientos de metano de 160 m3/ton residuo

para mezcla de residuos de matadero en digestión batch y 860 m3biogas/ton SV el

rendimiento en proceso semicontinuo en laboratorio y 700 m3 biogas/ton SV el rendimiento

en proceso semicontinuo a nivel piloto.

El rendimiento de metano obtenido en proceso batch (86.4 l CH4/kg residuo) corresponde a

66% del reportado [21] para la co-digestión de residuos de matadero mezclado con residuos

de industria de alimentos.

43


Tabla 15. Resultado del seguimiento del pH y análisis de sólidos en la digestión anaeróbica de mezclas de residuos de matadero y mercado.

Prueba Dia Humedad S.T. S.V. S.V. pH% % % (b.s) % (b.h.)

PE -1 Inicial 94.54 5.46 81.17 4.43 7.6410 97.35 2.65 75.83 2.01 7.5820 96.22 3.78 78.60 2.97 7.8530 96.23 3.77 77.35 2.91 7.8540 96.15 3.85 76.25 2.93 7.8050 96.37 3.63 75.40 2.74 7.7460 96.63 3.37 75.14 2.53 7.8270 96.77 3.23 74.08 2.39 7.8380 96.84 3.16 72.93 2.30 7.85

Final 96.79 3.21 66.33 2.13 7.83

PE-2 Inicial 95.46 4.54 84.56 3.84 5.7910 95.64 4.36 81.97 3.57 5.2720 96.28 3.72 81.14 3.02 5.2730 96.30 3.70 81.32 3.01 5.2540 96.59 3.41 81.74 2.79 5.27

Final 96.03 3.97 75.06 2.98 5.16

PE-3 initial 95.66 4.34 83.90 3.64 5.8010 96.23 3.77 85.57 3.23 5.8020 96.56 3.44 84.68 2.91 5.9430 96.40 3.60 83.26 3.00 5.9740 96.57 3.43 83.42 2.86 6.06

Final 96.61 3.39 81.19 2.75 5.96

PE-4 initial 95.71 4.29 89.91 3.85 6.6010 97.91 2.09 81.85 1.71 7.3720 97.98 2.02 79.74 1.61 7.3530 98.32 1.68 77.22 1.30 7.4340 98.36 1.64 76.29 1.25 8.2050 97.97 2.03 80.69 1.64 8.0760 98.24 1.76 76.95 1.35 8.34

Final 97.04 2.96 84.39 2.50 8.08

PE-5 initial 95.79 4.21 87.69 3.69 4.8610 96.19 3.81 85.13 3.25 4.5020 96.36 3.64 85.61 3.12 4.3530 96.69 3.31 85.36 2.83 4.1140 96.68 3.32 84.51 2.80 3.62

Final 96.68 3.32 84.51 2.80 3.62

44


Tabla 10. continuación Prueba Dia Humedad S.T. S.V. S.V. pH

% % % (b.s) % (b.h.)PE-6 initial 95.68 4.32 88.35 3.82 5.95

10 96.21 3.79 86.76 3.29 5.6320 96.78 3.22 84.90 2.73 5.6130 96.72 3.28 85.00 2.79 5.0040 96.85 3.15 84.46 2.23 4.95

Final 96.85 3.15 84.46 2.66 4.95

PE-7 initial 95.37 4.63 83.70 3.87 7.7010 97.93 2.07 76.93 1.59 8.0620 97.72 2.28 76.09 1.74 8.6830 98.15 1.85 75.35 1.40 8.5040 97.62 2.38 77.15 1.83 8.3550 97.51 2.49 76.87 1.91 8.0860 97.61 2.39 77.45 1.85 7.8470 97.38 2.62 78.20 2.05 7.7980 97.75 2.25 75.75 1.70 7.6690 97.75 2.25 75.75 1.70 7.66

Final 98.71 1.29 72.41 0.93 7.15

PE-8 initial 95.42 4.58 81.00 3.71 6.5810 96.83 3.17 80.75 2.56 5.5620 96.50 3.50 81.82 2.87 5.1130 96.41 3.59 82.19 2.95 5.1340 96.34 3.66 78.06 2.85 5.14

Final 98.33 1.67 69.29 1.16 5.15

PE-9 initial 95.56 4.44 86.07 3.82 5.1710 95.98 4.02 85.58 3.44 3.6720 95.75 4.25 86.55 3.68 3.7230 96.98 3.02 82.28 2.48 4.3040 96.98 3.02 82.28 2.48 4.30

Final 96.98 3.02 82.28 2.48 4.30

PE-10 initial 95.70 4.30 87.95 3.79 6.4910 97.70 2.30 81.77 1.88 6.2120 97.89 2.11 79.94 1.69 6.3230 97.91 2.09 80.74 1.69 6.2440 98.84 1.16 71.15 0.83 5.8450 96.30 3.70 75.40 2.80 5.84

Final 96.30 3.70 75.40 2.80 5.84

El seguimiento del pH en el substrato de los diferentes experimentos establecieron que en los

experimentos con MFV el pH fue decreciendo por debajo de 6, acentuándose más conforme

mayor fue la proporción de MFV en el substrato. La reducción del pH resultó en un

incremento en el efecto inhibitorio de las bacterias metanogénicas. Las bacterias

45


acidogénicas todavía continúan con la producción de ácidos volátiles hasta que el pH cae por

debajo de 4,5 donde estas se inhiben completamente. Similar problema de inhibición por

acumulación de ácidos volátiles e irreversible decrecimiento del pH fue observado por

Bouallagui et al. [10] y Sarada y Joseph [14]. Resultado del proceso de inhibición puede

constatarse por las menores reducciones en el contenido de materia orgánica (sólidos

volátiles) en el substrato (Tabla 15).

Las tablas 15 y 16, y las figuras 8,9 y 10 muestran que los experimentos 1 (EVC, estiércoles)

y 7 (mezcla de EVC – SVCRR) mostró una buena estabilidad en la evolución del pH y la

producción de biogás como su composición en metano, sin embargo el experimento 4 con

SVCRR que corresponde a la mezcla de rumen, residuos de panza y sangre mostró un

gradual incremento del pH (de 6.6 a 8.08), la producción de biogás y %CH4 fue menor a los

experimentos 1 y 7 consecuentemente menor reducción de materia orgánica (35.02%).

Todos estos resultados pueden ser atribuidos a la inhibición por amonio. Similar

comportamiento fue reportado por Banks [7] el que trabajando con sangre y residuos de

estomago reporto que el proceso es propenso a fallas debido a la acumulación de altos

niveles de amoniaco debido a la degradación del nitrógeno de las proteínas componentes de

la sangre.

De estos tres experimentos se pudo observar que el efecto de co-digestión puede mejorar el

proceso de digestión e incrementar la generación de biogás (efecto sinergetico). El

experimento 7 que es la mezcla de EVC y SVCRR dio los mayores volúmenes de biogás y

mayor reducción en materia orgánica comparado con los experimentos de EVC (exp. 1) o

SVCRR (exp. 4) solos.

La producción acumulada de metano y los porcentajes de reducción en materia orgánica se

va incrementando conforme va reduciendo el porcentaje de residuos de frutas y vegetales en

el substrato, estableciéndose que las frutas y vegetales exhiben un gran efecto inhibidor en el

proceso batch.

46


Fig. 7. Producción acumulada de biogás (en condición local P= 495 mmHg, T= 12oC), diseño experimental de mezcla.

VOLUMENES DE BIOGAS ACUMULADODigestion anaerobica de residuos de matadero y mercado

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Día

Vol

umen

de

biog

as [c

c] PE - 1

PE - 2

PE - 3

PE - 4

PE - 5

PE - 6

PE - 7

PE - 8

PE - 9

PE - 10

Fig. 8. Producción acumulada de metano (en condición local), diseño experimental de

mezcla

Produccion acumulada de MetanoDigestión anaeróbica de residuos de matadero y mercado

0.00

5000.00

10000.00

15000.00

20000.00

25000.00

30000.00

35000.00

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Día

Vol

umen

acu

mul

ado

de C

H4

[cc]

PE - 1

PE - 2

PE - 3

PE - 4

PE - 5

PE - 6

PE - 7

PE - 8

PE - 9

PE - 10

47


Fig. 9. Concentración de metano en biogás, diseño experimental de mezcla

%CH4 EN BIOGASDigestión anaerobica de residuos de matadero y mercado

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Dias

Com

posi

ción

(%) PE - 1

PE - 2

PE - 3

PE - 4

PE - 5

PE - 6

PE - 7

PE - 8

PE - 10

Tabla 16. Diseño simplex reticular aumentado con puntos axiales y respuestas observadas.

Digestión anaeróbica de residuos de matadero y mercado. Orden No del Proporciones de los componentes Vol. Metano %Red. S:V.Estandar experimento x1 x2 x3 [L] [%]

1 1 1.00 0.00 0.00 25.46 51.942 7 0.50 0.50 0.00 32.36 75.893 2 0.50 0.00 0.50 0.40 27.374 4 0.00 1.00 0.00 12.23 35.025 6 0.00 0.50 0.50 0.13 30.246 5 0.00 0.00 1.00 0.02 24.007 8 0.67 0.17 0.17 1.17 68.818 10 0.17 0.67 0.17 1.10 24.379 9 0.17 0.17 0.67 0.00 35.02

10 3 0.33 0.33 0.33 0.58 24.37

48


El diseño con 10 corridas junto con las respuestas: Volumen de metano acumulado y

reducción de materia orgánica en términos de sólidos volátiles (%Red SV) se muestran en la

tabla 16. El diseño simples-centroide aumentado para tres componentes usado en el presente

trabajo requiere un mínimo número de experimentos para estimar los términos cuadráticos

de la superficie de respuesta y provee los medios para detectar defectos de ajuste. Las

superficies de respuestas (Volumen de metano acumulado y el porcentaje de reducción de

SV) son dependientes de la composición del sustrato, la complejidad del modelo fue

seleccionado basado en el cálculo secuencial desde modelos lineales a modelos cúbicos

especiales de manera que los valores de R2, F value, Prob> F del análisis de varianza den los

valores más satisfactorios.

La tabla 17 y 18 corresponden al análisis de varianza con los resultados de ajuste de modelos

cuadráticos reducidos para cada respuesta, estos resultados permiten establecer que los

modelos cuadráticos se ajustan bien a las respuestas. En orden de estabilizar la varianza de

la respuesta y satisfacer la suposición de normalidad fue necesario efectuar una búsqueda

empírica del modelo de transformación de las respuestas que permitan que el modelo sea

significativo, este trabajo fue efectuado utilizando la versión trial de Design expert V, así

para la respuesta “Volumen de metano” la transformación y’ = (y+k)-0.5 con k=0.3236, y

para la respuesta “% reducción de sólidos volátiles” sin transformación, fueron los modelos

que mejor se ajustan.

49


Tabla 17. Análisis de varianza (ANAVA) para la respuesta Volumen de metano Response: Vol. Metano Transform: Inverse sqrt Constant: 0.3236 ANOVA for Mixture Reduced Quadratic Model Analysis of variance table [Partial sum of squares] Sum of Mean F Source Squares DF Square Value Prob > F Model 3.07 3 1.02 42.12 0.0002 Linear Mixture 2.82 2 1.41 58.01 0.0001 BC 0.25 1 0.25 10.33 0.0183 Residual 0.15 6 0.024 Cor Total 3.22 9 Std. Dev. 0.16 R-Squared 0.9547 Mean 0.95 Adj R-Squared 0.9320 C.V. 16.43 Pred R-Squared 0.7920 PRESS 0.67 Adeq Precision 16.123 Coefficient Standard 95% CI 95% CI Component Estimate DF Error Low High A-EVC 0.34 1 0.12 0.054 0.62 B-SVCRR 0.26 1 0.13 -0.071 0.58 C-MFV 1.85 1 0.13 1.52 2.17 BC 2.23 1 0.69 0.53 3.92 Tabla 18. Análisis de varianza (ANAVA) para la respuesta % de reducción de sólidos

volátiles Response: %Red. SV. ANOVA for Mixture Reduced Quadratic Model Analysis of variance table [Partial sum of squares] Sum of Mean F Source Squares DF Square Value Prob > F Model 2060.30 3 686.77 3.43 0.0927 Linear Mixture 1530.07 2 765.03 3.83 0.0849 AB 530.24 1 530.24 2.65 0.1546 Residual 1199.75 6 199.96 Cor Total 3260.06 9 Std. Dev. 14.14 R-Squared 0.6320 Mean 39.87 Adj R-Squared 0.4480 C.V. 35.47 Pred R-Squared 0.0215 PRESS 3190.07 Adeq Precision 5.259 Coefficient Standard 95% CI 95% CI Component Estimate DF Error Low High A-EVC 53.05 1 12.12 23.39 82.71 B-SVCRR 28.47 1 12.12 -1.19 58.13 C-MFV 19.32 1 10.47 -6.29 44.93 AB 102.35 1 62.85 -51.44 256.14

50


Las ecuaciones ajustadas para cada respuesta en términos de los valores actuales de

componentes son:

Vol. Metano = -0,32+ 0,33673EVC + 0,255586SVCRR + 1,84517MFV + 2,22683

SVCRR*MFV

% Reducción S.V. = 53.05349EVC + 28.47349SVCRR + 19.31897 MFV+

102.34939EVC*SVCRR

Las figuras 10 y 11 muestran las gráficas de contorno de las respuestas. Ambos gráficos

establecen que conforme se reduce la proporción de residuos de frutas y vegetales, el

volumen acumulado de metano y el porcentaje de reducción de materia orgánica van

aumentando; los máximos valores se encuentran en el eje A-B que corresponde a mezclas

de estiércol y residuos de estomago, sangre y rumen.

Fig. 10. Gráfica de contorno de la respuesta Volumen de Metano

D E S I G N - E X P E R T P l o t

1 . 0 / S q r t ( V o l . M e t a n o + 0 . 3 2 )

X 1 = A : E V CX 2 = B : S V C R RX 3 = C : M F V

A : E V C1 . 0 0

B : S V C R R1 . 0 0

C : M F V1 . 0 0

0 . 0 0 0 . 0 0

0 . 0 0

1 . 0 / S q r t ( V o l. M e t a n o + 0 . 3 2 )

0 . 5 2 8 3 3 30 . 8 0 0 8 0 5

1 . 0 7 3 2 8

1 . 3 4 5 7 51 . 6 1 8 2 2

D e s i g n P o i n t s

51


Fig. 11. Gráfica de contorno de la respuesta Reducción porcentual de Sólidos Volátiles

D E S I G N -E X P E R T P l o t

% R e d . S V .


A : E V C1 .0 0

B : S V C R R1 .0 0

C : M F V1 .0 0

0 .0 0 0 .0 0

0 .0 0

% R e d . S V .

2 7 .3 9 6 7

3 5 .4 7 4 4

4 3 .5 5 2 2

5 1 .6 2 9 9

5 9 .7 0 7 6

D e si g n P o i n t s

La figura 12 es una gráfica de superposición de las superficies de respuesta, donde se puede

observar la zona de mezclas de los tres componentes que permiten obtener las mejores

respuestas.

La zona de trabajo factible en proceso batch de digestión aeróbica para obtener una buena

reducción de la materia orgánica en los residuos de matadero y mercado con la mayor

producción de metano se encuentra en la zona no sombreada.

Los resultados anteriores obtenidos en proceso batch, son importantes referente al considerar

procesos continuos o semicontinuos. La siguiente etapa del trabajo experimental establecerá

a nivel bench scala y en proceso continuo las condiciones de operación (Temperatura,

agitación, tiempo de retención y porcentaje de sólidos volátiles).

52


Fig. 12. Gráfica de contorno de las respuestas Volumen de Metano y % de reducción de Sólidos Volátiles, donde se muestra la región factible de trabajo.

D E S IG N -E X P E R T P l o t

O v e rl a y P l o t


A : E VC1 .0 0

B : S VC R R1 .0 0

C : M F V1 .0 0

0 .0 0 0 .0 0

0 .0 0

O ve rla y P lo t

1 .0 /S q r t( V o l. M e ta n o + 0 .3 2 ) : 0 .5 0 0% R e d . S V .: 5 0

D e si g n P o i n t s

53


3.4 Pruebas experimentales para análisis de microorganismos patógenos

Para estudiar el efecto de la digestión anaeróbica sobre los microorganismos patógenos, se

utilizaron materias primas frescas y se realizaron tres pruebas, repitiendo tres puntos del

diseño experimental (X1, X2, X3) y cuyas formulaciones son las siguientes.

Tabla 19. Formulación de cargas para prueba de patógenos.

Proporción de los componentesNro. Sgn Dis. Exp.

Prueba X1 X2 X3

SV [%]

pH

3 P – 3,1 – B 0.33 0.33 0.33 4 7.118 P – 8,1 – B 0.75 0.25 0.00 4 7.9212 P – 12 – B 0.17 0.17 0.67 4 6.06

Tabla 20. Caracterización de patógenos en materia primas

Materia prima m.o. Patógenos encontrados X1 EVC Escherichia coli (patógeno) X2 SVCRR Proteus vulgaris (no patógeno) X3 FV Citrobacter freundii (no patógeno)

En la Tabla 13 se da la caracterización de m.o. patógenos de las materias primas empleadas

en la formulación de las mezclas para las pruebas utilizadas en el estudio del efecto de la

digestión anaeróbica sobre los m.o. patógenos.

Tabla 21. Resultados inicial y final de m.o. patógenos en las pruebas

Prueba Inicial

m.o. Encontrados

Prueba Final

m.o. Encontrados

P – 3,1 – B Proteus vulgaris(no patógeno)

P – 3,2 – B Bacilos Gramm(-) no Fermentadores (no patógeno)

P – 8,1 – B Escherichia coli(patógeno)

P – 8,2 – B Citrobacter freundii (no patógeno)

P – 12 – B Proteus vulgaris(no patógeno)

Escherichia coli(patógeno)

P – B Citrobacter freundii (no patógeno)

Para poder estudiar el efecto de la digestión anaeróbica sobre los m.o. patógenos, se preparo

tres pruebas, cuyas formulaciones se dan en la Tabla 19. Se mando a analizar muestras de las

cargas iniciales y cuyo reporte se tiene en el informe de cultivo bacteriológico de fecha 19 de

julio de 2004, y la Tabla 21. Al cabo de 20 días de duración del proceso, se suspende las

pruebas y se manda a analizar las muestras finales de cada prueba, los resultados son

54


reportados en el informe de cultivo bacteriológico de fecha 2 de Agosto de 2004 y la tabla

21.

Los resultados de los análisis de presencia de patógenos en la alimentación (tabla 21) y del

digestato posterior a la digestión anaeróbica, claramente establecen que el proceso de

digestión anaeróbica en condiciones mesofílicas es efectivo en la descontaminación o

reducción de microorganismos patógenos. Este resultado confirma trabajos reportados donde

establecieron que en digestión mesofilica (30 a 38oC) la inactivación de bacterias

patogénicas requiere entre 18 a 36 días, mientras que en digestión termofílica (50 – 55oC)

puede efectuarse en términos de horas [28].

3.5 Conclusiones del estudio básico

3.5.1 Estudio preliminar

La cantidad de materia orgánica cargada al biorreactor para el proceso de

digestión anaeróbica batch influye de manera significativa en la producción

acumulada de biogás y el rendimiento de producción de metano por unidad de

materia orgánica utilizada.

A mayor carga de materia orgánica se obtuvo menores volúmenes de biogás y el

rendimiento de producción de metano por unidad de materia orgánica utilizada se

redujo dramáticamente debido a efectos de inhibición ácida, que es causada por

uno de los componentes de la mezcla. Para poder determinar cual es el

componente que causa la inhibición, y equilibrando los criterios de mayor

cantidad posible de residuos sólidos a tratar con la mayor producción posible de

biogás, mayor contenido de metano y mayor reducción de sólidos volátiles

(materia orgánica) en sustrato, se definió como 4% la cantidad de sólidos volátiles

en el sustrato para las pruebas siguientes dentro el diseño experimental de mezcla.

55


3.5.2 Diseño experimental de mezcla

En proceso batch, la producción acumulada de biogás es mayor cuanto menor es

la proporción de residuos de frutas y vegetales en el substrato. La máxima

producción de metano acumulado fue de 32 litros en la prueba PE – 7 que

corresponde a mezcla de estiércol con residuos de estomago e intestino y sangre.

La mayor reducción de materia orgánica de la mezcla de residuos de matadero y

residuos de frutas y vegetales proveniente de mercados en el proceso de digestión

anaeróbica batch corresponde a mezclas con las menores proporciones de

residuos de frutas y vegetales. La máxima reducción alcanzada fue de 75,85% de

destrucción de la materia orgánica.

56


4. ESTUDIO A NIVEL BENCH SCALE

Los grandes volúmenes de residuos sólidos generados en el matadero de la ciudad de La Paz

(160 ton/mes aproximadamente) como el de residuos de frutas y vegetales provenientes de

mercados de abasto (900 ton/mes aproximadamente) establecen la necesidad de contar con

planta(s) de tratamiento anaeróbico continuo o semicontinuos en la posibilidad de

implementar esta tecnología.

Los procesos de digestión anaeróbica en sistemas continuos o semicontinuos para el

tratamiento de residuos sólidos orgánicos es un campo muy activo de investigación, la

diversidad de publicaciones reflejan un gran numero de tópicos dentro de este área [5],

demostrando que la implementación de la tecnología de digestión anaeróbica no es sencilla.

Como la degradación anaeróbica es efectuada por una comunidad bien organizada de varias

poblaciones microbianas es por consiguiente un proceso muy complejo. Algunos grupos

microbianos involucrados tienen una velocidad de crecimiento bastante lenta y son muy

sensibles a cambios en las condiciones de operación, esto puede causar inestabilidad durante

la puesta en marcha y en la operación del proceso anaeróbico. La investigación de procesos

de digestión anaeróbica estudia la optimización de estos procesos para crear las condiciones

de operación más favorables y por eliminación de factores limitantes influenciar

positivamente a los microorganismos, lo anterior podría conducir al desarrollo de procesos

más eficientes [15]. Así como se hizo bastante para mejorar el diseño de procesos, los

reactores de tanque agitado (RTA) en una sola etapa son todavía los más utilizados en la

configuración de procesos de digestión anaeróbica. Una buena estrategia de desarrollo es

explotar la relación costo – beneficio de un pequeño sistema para monitorear y controlar el

sistema de manera de establecer los parámetros de operación y establecer los riesgos de

inestabilidad del reactor para su aplicación a escala mayor. [16]

Varios son los factores que influencian la producción de biogás en proceso semicontinuo a

partir de materiales orgánicos determinados en un diseño de biorreactor definido, estos

factores son el pH, temperatura, velocidad de carga (LR), tiempo de retención hidráulico

(HRT), composición del substrato, etc. [17]

57


El digestato contiene partículas residuales, materiales no digestibles, liquido orgánico así

como la biomasa bacterial. Plantas existentes de co-digestión anaeróbica con materia prima

similar, distribuyen la fase liquida del digestato, como fertilizante a los agricultores de zonas

circundantes a estas plantas, y de esta manera consideran los estrictos limites para la

cantidad total de nitrógeno a introducir en el suelo y la posibilidad del ingreso de metales

pesados [3].

La legislación europea (“Biological tratment of bio-waste” European commission, 2001)

obliga por ley que las plantas en gran escala de digestión anaeróbica luego del filtrado del

digestato, la fracción sólida sea sometido a proceso de compost. [3,21].

En esta sección del presente trabajo se reporta los resultados de la digestión anaeróbica en

experimentos de co-digestión en proceso semi-continuo a nivel bench scale de mezclas de

residuos de matadero con residuos de frutas y vegetales en condiciones mesofílicas.

4.1 Materiales y métodos

4.1.1 Materia prima

Las tres mezclas de residuos utilizados en la formulación del sustrato para la carga diaria al

birreactor y sus características son las mismas descritas en las tablas 2 y 8.

Para las pruebas del estudio de la influencia del tiempo de retención (HRT), y el % de

sólidos volátiles (o porcentaje de materia orgánica) en la alimentación, la carga utilizada

corresponde a la formulación del experimento No 3 (tabla 13).

La carga diaria de biomasa en las pruebas donde se estudia la influencia de la composición

de mezcla, fue preparada en las proporciones indicadas en la tabla 8 conforme al respectivo

número de experimento.

58


4.1.2 Biodigestor

El Biodigestor “Bench scale” utilizado en el trabajo se muestra esquemáticamente en la

figura 13, este fue construido en acero inoxidable (con volumen de 14 litros), equipado con

cuatro bafles, agitado con agitador de hélice montado en la base del tanque. El reactor tiene

sistema de carga y retiro de digestato provisto de válvulas de bola, además de salida de

biogás por la parte superior conectado con manguera plástica hacia un botellón de colección

de biogás de 20 litros de capacidad. El volumen de trabajo del digestor fue de 9,5 litros.

El biogás fue colectado en el recipiente colector por desplazamiento de agua acidificada

(pH= 2) y este volumen fue medido diariamente a presión ambiente. La temperatura fue

mantenida y controlada a temperatura mesofílica (± 0.5oC) mediante circulación de agua

caliente en la chaqueta de calefacción.

Fig. 13 Biodigestor Bench scale

59


En el estudio, se investigaron el efecto en la producción de biogás y la reducción de sólidos

volátiles de los siguientes factores: Temperatura (T), composición de la mezcla (Ei), tiempo

de retención (HRT) y porcentaje de sólidos volátiles en la alimentación (%SVi). Las pruebas

por limitaciones de tiempo (6 meses) solo se corrieron por 15 días en promedio cada prueba,

estas pruebas fueron efectuadas secuencialmente una vez estabilizado el birreactor por

espacio de 40 dias.

La carga para cada experimento fue preparada de una sola vez, luego de pesado cada

componente fue mezclado y homogeneizado con una licuadora domestica, luego fue pesado

en porciones necesarias para cada día, embolsado y guardado en un refrigerador a

temperatura menor a 0oC. La carga y retiro de digestato se efectuó cada día a la misma hora.

4.1.3 Métodos analíticos

La concentracion de metano y dioxido de carbono en el biogas fue analizado con un

cromatografo de gas Shimadzu, modelo GC14B, equipado con detector TCD, columna

capilar Carboxen 1010, 0.32mm DI (Supelco). He fue utilizado como Carrier.

Los análisis de sólidos, sólidos totales (ST), sólidos volátiles (SV), pH, Nitrogeno y fosforo

fueron analizados usando los metodos estandard (APHA 2000) [12].

60


4.2 Resultados

4.2.1 Efecto de la temperatura

Condiciones de operación:

Sustrato: Estiércol de vaca

%SV 4%

HRT 50 dias

Agitación Intermitente 60 rpm (10 min seguido de 20 sin agitación)

Temperaturas Rango mesofílico 33 y 36oC

Resultados

Prueba Solido volatil HLR Prod. Biogas % Metano Rendimiento pHkg VS/d kg VS/(m3d) l/d % l CH4/(kg VSad)

T= 33oC 0.010 1.060 2.82 59.42 169.64 8.15T= 36oC 0.010 1.060 4.73 57.18 274.48 7.89

Los resultados del efecto de la temperatura en la producción de biogás demuestran la gran

influencia de la temperatura, una reducción de 3 grados Celsius reducen la producción de

biogás en 59.61% y 61,8% en el rendimiento de producción de metano. Las poblaciones de

microorganismos aeróbicos son altamente influenciados por el medio ambiente y la

temperatura es el factor más importante.[16],[18]

4.2.2 Efecto de la composición


%SV 4-5%

HRT 50 dias


Temperaturas Rango mesofílico 36oC

Substratos :

Experimento Estiércol(%) Rum/sangre FV(%)

E1 100 0 0 E3 33 33 33 E8 66 17 17 E9 17 17 66 E10 17 66 17

61


Resultados


Exp E1 0.009 0.968 2.53 58.11 163.61 8.01Exp E1 0.009 0.968 2.66 57.08 168.83 8.21Exp E8 0.007 0.753 4.49 60.24 386.31 6.95Exp E8 0.007 0.753 4.32 56.37 347.96 6.95Exp E10 0.007 0.753 7.43 59.73 634.08 6.70Exp E3 0.007 0.731 6.27 57.36 528.56 7.10Exp E9 0.007 0.763 1.95 55.32 151.86 7.00

Los resultados obtenidos de la influencia de la composición en la producción de biogás,

muestran que en proceso semicontinuo el comportamiento de digestión anaeróbica con

porcentajes menores de 33% de residuos de frutas y vegetales, existe un efecto sinergético

alcanzándose los máximos valores (7,43 litros biogás/día y 634.08 lt CH4/kg VS adicionado)

con substrato de 17% de FV, 67% mezcla de rumen/sangre y 17% de estiércol.

Mayores proporciones de residuos de frutas y vegetales al 17% en peso ocasionan drástica

reducción en la producción de biogás atribuyéndose a un efecto inhibidor y desbalances en

las reacciones.[10],[17]

4.2.3 Efecto del tiempo de retención (HRT)


Sustrato: Mezcla triple (E3), (33% EVC, 33% SVCRR, 33% FV).

%SV 4%

HRT 20, 50, 80 dias



Resultados


HRT 20 0.014 1.548 14.41 49.65 496.74 7.49HRT 50 0.007 0.731 6.27 57.36 528.56 7.10HRT 80 0.004 0.387 7.07 58.20 1143.63 7.54

62


El incremento del tiempo de retención en la digestión anaeróbica se refleja en un incremento

del rendimiento de producción de metano basado en la masa de materia orgánica agregado

diariamente al birreactor, este comportamiento es similar a trabajos reportados [18], [19] y

es atribuido a la presencia de compleja materia orgánica cuya descomposición demanda

largos periodos de tiempo. Plantas de tratamiento de materiales similares en proceso

semicontinuo y en condiciones mesofílicas utilizan entre 40 a 50 dias de tiempo de

retención.[21]

4.2.4 Efecto del porcentaje de sólidos volátiles en la alimentación (%SV)


Sustrato: Mezcla triple (E3), (33% EVC, 33% SVCRR, 33% FV).

%SV 1, 4 y 7%

HRT 50 dias



Resultados

Exp. SV en carga SV/vol. Biogás %CH4 Rendimiento pH %SV kg SV/d kg SV/m3d lt/d % lt CH4/kg SVad 1% 0.002 0.204 2.26 59.88 711.63 7.5 4% 0.007 0.731 6.27 57.36 528.56 7.1 7% 0.013 1.400 4.81 56.55 369.84 7.5

El incremento en la cantidad de materia orgánica o cantidad de sólidos volátiles en la carga

por unidad de volumen de substrato en el biorreactor (HLR) disminuye el rendimiento de

producción de metano (litros de CH4/kg SV adicionado), el comportamiento determinado es

similar a los obtenidos por diferentes investigadores [20]. Consideraciones técnico-

económicas son las que determinan el porcentaje adecuado de sólidos volátiles de

alimentación para una planta, puesto que a menor %SV implica mayores volúmenes de

substrato a tratar, mayores tamaños de planta consiguientemente mayores costos e

inversión. En este contexto 4% de sólidos volátiles es un valor razonable.

63


Los rendimientos de biogás y metano obtenido con el mejor resultado de las pruebas en

proceso semicontinuo fueron en condiciones de La Paz:

biogás: 163.64 l biogas/kg residuo, 1032.2 l biogas/kg SV

Metano: 97.74 l CH4/kg residuo, 634.08 l CH4/kg SV

La comparación de estos rendimientos con los valores reportados en proceso semicontinuo

por plantas a nivel de mar [21] son similares en magnitud, sin embargo los valores obtenidos

en La Paz, luego de corregir la presión a presión atmosférica normal de 760 mm Hg (65.97

l CH4/kg residuo, 428.00 l CH4/kg SV). Estos rendimientos son 65-67% de los valores

reportados a nivel planta piloto. Estos valores son de todas formas muy buenos considerando

que estos pueden ser susceptibles de optimización al estabilizar el birreactor por mayor

tiempo e introducir técnicas de pretratamiento de la materia prima.

4.2.5 Residuos del proceso de digestion anaerobica.


Sustrato: E9 (17% EVC, 17% SVCRR, 66% FV).

Alimentación 0.763 kgVS/m3 d

HRT 50 dias

Agitación Intermitente 60 rpm (10 min seguido, 20 sin agitación)

Temperatura 36oC

Las caracteristicas de los residuos del proceso de digestion anaerobica fueron determinados

analizando los elementos de interes N, P, K tanto en la carga como en las fracciones

resultantes de la separación del liquido por filtración.

La separación sólido – líquido efectuado por filtración al vacio utilizando papel filtro común

con bomba de vacio de 1/6 HP , EMERSON Industria USA dio en promedio 71,58% de

filtrado y 28,42% peso de residuo solido.

64


Resultados del análisis

Tabla 22. Caracterización del Bioabono Peso [g] %peso N [%] P [%] K [%] pHFiltrado 118.8 71.58 0.10 0.010 0.063 7.1Residuo sólido (lodo) 47.2 28.42 0.31 0.091 0.072 7.1

Los resultados determinados muestran que el digestato retiene el N, P y K. El exceso de

estos elementos respecto a la alimentación es resultado del gradual ajuste en el sustrato a la

alimentación requiriéndose un tiempo mayor a 2HRT (días) para alcanzar un estado cuasi-

estacionario. Las proporciones de distribución obtenido experimentalmente entre filtrado y

el lodo correspondientes a cada elemento son:

Filtrado Lodo Peso [%] 71.58 % 28.42 %N 45 % 55 % P 22 % 78 % K 63 % 37 %

4.3 Conclusiones y recomendaciones del estudio experimental

La producción de biogás utilizando residuos sólidos de matadero y residuos de frutas y

vegetales es viable en condiciones mesofílicas.

La producción de biogás es fuertemente dependiente de la temperatura, un descenso de 3

grados del valor óptimo (36oC) se refleja en un descenso hasta de un 60% en la producción

de biogás. Es recomendable que la temperatura en el proceso de digestión anaeróbica se

mantenga estable a la temperatura fijada.

La composición de la carga de biomasa al biorreactor influye en el proceso de co-digestión

anaeróbica estableciéndose efectos de sinergismo (efectos positivos de co-digestión) y

antagonismos (efectos de inhibición o desbalances). En proceso semi-continuo de digestión

de mezclas de residuos de matadero y residuos de frutas y vegetales se observo un efecto

sinérgico al incrementar la proporción de frutas y vegetales hasta alcanzar la concentración

65


de 17%, mayores porcentajes de estos residuos produce efectos negativos reduciendo

drásticamente la producción de biogás.

La mejor combinación de co-substratos con los mayores volúmenes de producción de biogás

y mejores rendimientos de producción de metano fue:

Residuos de frutas y vegetales 17% peso

Residuos sólidos de matadero (rumen/sangre/residuos de estomago) 66%

Estiércol 17%

Los rendimientos obtenidos

biogás: 163.64 l biogas/kg residuo, 1032.2 l biogas/kg SV

Metano: 97.74 l CH4/kg residuo, 634.08 l CH4/kg SV

Mayores tiempos de retención influyen positivamente en la producción de biogás. Se adopta

50 dias de tiempo de retención como adecuado tomando en consideración referencias de

plantas similares.

El porcentaje de sólidos volátiles (materia orgánica) es inversamente proporcional al

rendimiento de metano. Se adopta el 4% de SV en la carga como el adecuado en

consideración a aspectos técnico-económicos.

El digestato o residuo del proceso de digestión anaeróbica retiene los contenidos de N, P y K

de la alimentación. El líquido filtrado del digestato contiene 45% del N, 22% del P y 63%

del K, el que siguiendo experiencias de países europeos puede ser utilizado sin riesgo como

fertilizante. El residuo solidó resultado del filtrado puede ser utilizado como material prima

en el proceso de compost por su contenido de material orgánica, N, P y K.

66


5. PROPUESTA DE LA PLANTA A NIVEL PILOTO

La planta de co-digestión para el tratamiento simultaneo de mezcla homogénea de mas de

dos substratos (residuos sólidos de matadero como ser rumen, residuos de

estomago e intestino, sangre, estiércol y residuos de frutas y vegetales de mercado)

es una planta tipificado como de medio húmedo y proceso de simple etapa de

digestión, cuyo biorreactor es un tanque con agitación.

Los resultados del estudio básico y a nivel bench scala establecieron las condiciones de

operación del proceso de digestión anaeróbica mesofílica, y los volúmenes empíricos de

producción de biogás y los porcentajes de reducción de la materia orgánica en el substrato en

función de la proporción de sus componentes (mezclas de residuos sólidos de matadero y

residuos de frutas y vegetales de mercado). La siguiente etapa en el desarrollo de un proceso

industrial es la implementación e investigación a nivel planta piloto que permita la

optimización del proceso general (pre-tratamiento – digestión – post-tratamiento) y la

obtención de la información técnico- económico para su escalamiento a nivel industrial.

En el presente trabajo se propone una pequeña planta piloto de estudio cuyo biorreactor se

escalo 100 veces al reactor bench scale utilizado en la investigación, de manera que

pueda técnicamente trabajarse con todas las operaciones unitarias de una planta a

nivel industrial y además su implementación demande una razonable inversión.

5.1 Descripción del proceso

La planta piloto propuesta tiene el objeto de efectuar la digestión anaeróbica de residuos

sólidos orgánicos proveniente de matadero y residuos de frutas y vegetales de mercado con

fines de desarrollo de la planta industrial e investigativo.

67


El proceso general consta de las siguientes operaciones:

Almacenaje de materia prima

Pretratamiento de co-substratos

Reducción de tamaño de partícula

Remoción de metales, vidrios, piedras, etc.

Homogenización (mezcla)

Esterilización

Digestión anaeróbica

Postratamiento

Almacenaje de biogás

Separación sólido-liquido del digestato

5.1.1 Almacenaje de materia prima

La planta piloto propuesta demandara aproximadamente 20 a 60 kg de residuos sólidos

orgánicos totales diariamente. Para fines de diseño se adopta los siguientes criterios:

Los residuos de frutas y vegetales se coleccionaran una vez por semana (sábado) después de

la jornada de feria por ser el día de mayor movimiento en los mercados.

Los residuos sólidos de matadero se coleccionaran una vez por semana y el día con mayor

actividad en el matadero.

Los residuos de estomago e intestinos, el estiércol y los residuos de frutas y vegetales

tendrán contenedores específicos para cada mezcla (tres contenedores de 200 kg. Cada uno).

El material de los contenedores deberá ser de material inerte.

5.1.2 Pre-tratamiento de los residuos orgánicos

Reducción de tamaño y separación de partículas metálicas

La materia prima será alimentada a una cinta transportadora donde un separador magnético

remueve metales.

68


Un rallador cortara los residuos orgánicos en partículas menores a 5 mm antes de mezclarse

con estiércol u otros residuos líquidos en el tanque primario de homogenización.

Homogenización y esterilización

La homogenización del estiércol y los residuos sólidos de matadero y residuos de frutas y

vegetales con agua, es llevada a cabo en el tanque primario por un agitador de hélice

montado por la parte superior

Una vez alimentado los materiales en el tanque primario se inicia el tratamiento térmico

elevando la temperatura hasta 70oC por lo menos una hora para destruir esporas y

microorganismos patógenos.

5.1.3 Digestión

La mezcla homogeneizada y esterilizada de residuos orgánicos es descargada al biorreactor

por gravedad a través de un intercambiador de calor para rebajar la temperatura del substrato

a la temperatura de proceso de digestión.

El biorreactor trabajara en proceso semicontinuo en condiciones mesofílicas a 36oC.

Entre 20 a 50 kg de biomasa será la carga diaria para su digestión, dependiendo del tiempo

de retención a utilizar (50 a 20 días de HRT). Se estima una producción diaria de biogás

500 l/día, parte del biogás producido será utilizado para el proceso de calentamiento en la

propia planta piloto.

5.1.4 Post-tratamiento

Tanque de almacenamiento de biogás

El biogás generado continuamente será enviado mediante tubería a un tanque de

almacenamiento de donde se dispondrá para su utilización, el sistema contara con medidores

de flujo, nivel y presión.

69


Separador sólido-liquido

El digestato o biomasa digestada será bombeada a un separador sólido-liquido o filtro prensa

para remover materiales indeseables y materiales no descompuestos.

Los materiales sólidos serán dispuestos hacia el relleno sanitario.

El líquido filtrado del lodo (residuo de la digestión anaeróbica) podría ser utilizado como

fertilizante y cuya evaluación se dejo para la segunda fase del proyecto. Información

relacionada de plantas de co-digestión de estiércol con residuos industriales y residuos

domésticos [21,3] demuestran esta aplicación (ver anexo D).

La materia liquida (o fertilizante) será enviado a un tanque de almacenaje para su utilización

semanal en la fertilización de parques y jardines.

5.2 Descripción global del proceso

(3 139 Kg)

Pasteurización

Intercambio de calor

DIGESTION ANAERÓBICA En digestor de 1000 L

Líquido (Fertilizante) (13.968 Kg)

Sólido al relleno sanitario (5.545 Kg)

Filtración Biogás (507.23 L)

Agua (15.118 Kg)

Estiércol (0.762 Kg ) Homogeneización

Reducción de tamaño y Separación de impurezas

Residuos de frutas y vegetales (0.981 Kg)

Residuos de estómago

E intestinos Inicio

Recolección de materia prima

5.3 Balances de masa y energía

70


5.3.1 Balance de masa global

Bioabono 13.968 kg

Residuos sólidos5.545 kg

PROCESO DE DIGESTIÓN

Estiércol (EVC)

0.762 kg

Agua

15.118 kg

Residuos de estomagoe intestinos (SVCRR)

3.139 kg

Residuos de frutas y vegetales (MFV)

0.981 kg

Biogás 0.487 kg (507.23 L)

5.3.1.1 Balance de masa y energía para cada operación unitaria

5.3.1.1.1. Recolección de residuos de matadero y residuos de frutas y vegetales y

posterior reducción de tamaño

Residuos de matadero y frutas – vegetales4.12 kg

Reducción de tamaño

Recolección de residuos matadero y frutas -vegetales

4.12 kg

Residuos de estomago e intestinos

3.139 kg

Residuos de frutas y vegetales 0.981 kg

71


La energía requerida por una picadora de cuchillas rotatorias para la reducción de tamaño de

los residuos de frutas – vegetales y los residuos sólidos de matadero de 3 kg de capacidad

con motor de 0.5 CV es de 0.75 Kwh.

5.3.1.1.2 Homogenización, esterilización, intercambio de calor

Substrato (biomasa)

20 kg

Homogeneización

Agua 15.118 kg

Residuos de matadero y frutasVegetales 4.12 kg

Estiércol 0.762 kg

La homogenización se efectuara por agitación o mezcla mediante un agitador de hélice en el

tanque de homogenización y simultáneamente se procederá a esterilizar por tratamiento

térmico a 70oC por una hora.

La energía necesaria por unidad de tiempo para la agitación esta dada por la ecuación

siguiente [22]

P = KLN2Da3µ/(75gc)

Donde P= potencia (CV)

KL= Constante laminar

N= velocidad de giro (rps)

Da= Longitud de la hélice

µ= viscosidad del substrato

La potencia calculada es 0.1 CV (0.1 hp) el motor a especificar será de 0.25hp

72


La energía para la esterilización por unidad de tiempo (potencia del equipo) corresponde al

calor sensible necesario para calentar desde la temperatura ambiente hasta los 70oC en un

determinado tiempo (10 min.), posteriormente el equipo suministrara solo la energía

necesaria para compensar la disipación al medio ambiente.

P= m Cp∆T/t

Donde: m = masa de substrato (kg)

Cp = Capacidad calorífica del substrato (1.213 kcal/oC kg)

∆T = Incremento de temperatura en el substrato (oC)

t = Tiempo para llegar a los 70oC (min.)

P = Potencia (Kcal/min)

Entonces P= 145.56 Kcal/min (10.16 kw =13.8 hp)

La potencia total requerida para la homogenización y pasteurización será 14.05 hp (la

potencia especificada será de 15 hp)

5.3.1.1.3 Digestión

Digestato 19.513 kg

Biogás 0.487 kg (507.23 L)

DIGESTIÓN ANAERÓBICA

Substrato (biomasa)

20 kg

Los requerimientos de energía en el digestor anaeróbico son en forma de calor para mantener

el substrato a temperatura mesofílica mediante la recirculación de agua caliente por la

camisa de calefacción.

73


La disipación de calor a través de las paredes del digestor por la diferencia de temperatura en

la pared interior de biorreactor (350C) y el ambiente se estimo por la ecuación: [23]

Q = hA(Tw-Ta)

Donde

Q = calor disipado por unidad de tiempo (w)

h = Coeficiente convectivo de transferencia (2.968 w/m2)

A = Área de transferencia de calor (m2)

Tw = Temperatura media de pared

Ta = Temperatura media del medio ambiente

Q= 796.9 w (1.08 hp)

5.3.1.1.4 Filtración

Bioabono (fertilizante) 13.968 kg

Lodo a relleno sanitario 5.545 kg

filtración

Digestato

19 513 kg

5.4 Requerimiento de materia prima, agua, energía y otros

Los requerimientos de materia prima, agua, y energía para la planta piloto son detallados en

la tabla 23.

74


Tabla 23. Requerimiento de materia prima, agua, energía y otros insumos

Materia prima

Residuos de matadero (SVCRR) 3.139 kg/día Sangre de vaca 0.896 kg/día Sangre de cerdo 0.153 kg/día Rumen de vaca y residuos de estomago 1.794 kg/día Residuos de panza e intestino de cerdo 0.296 kg/día

Residuos de frutas y vegetales (MFV) 0.981 kg/día Estiércol (EVC) 0.762 kg/día

Estiércol de vaca 0.541 kg/día Estiércol de cerdo 0.221 kg/día

Agua 15.118 kg/día Total materia prima 20 kg/día

Requerimiento de agua

Proceso (materia prima) 15.118 Litros/día Pasteurizacióna

Intercambio de calor Digestión anerobicaa

Almacenaje de biogasa

Limpieza y aseo 50.000 Litros/día Total requerimiento de agua 65.118 Litros/día

Requerimiento de energía (potencia)

Potencia

Reducción de tamaño 0.5 hp Homogenización /pasteurización 15 hp Intercambio de calor 0.5 hp Digestión anaeróbica 2 hp Filtración 2 hp Total requerimiento de potencia 20 hp a Volumen de agua requerido para reponer el volumen evaporado

75


5.5 Requerimiento y descripción o diseño de maquinaria y equipos Tolvas de almacenamiento Numero 3 Características Lado 0.4 m

Tolva Para

Residuos

Altura 0.8 m Material acero inoxidable Industria boliviana

Reductor de tamaño a cuchillas Características Capacidad 0.5 Kg/min Voltaje requerido 220 V Potencia 0.5 Hp Industria Boliviana Homogeneizador – pasteurizador

Diámetro 0.4 m Altura 0.6 m Material Acero inoxidable Industria boliviana Agitador hélice Voltaje 220 V Potencia 10 kw

76


BiogásBiodigestor Características Diámetro 1 m Altura 1.7 m Material Acero inoxidable Agitación 50 – 400 rpm Bafles 4 Software Programa del sistema de control

y registro de datos de operación Sistemas de medición y control Temperatura control Agitación control PH control Presión medición Volumen de biogás medición

Gasómetrode Domo Flotante

Gasómetro (Tanque de almacenamiento del Biogás) Características Material : Hierro Galvanizado de 2mm Chapa. H(Tanque) : 3 m D(Tanque) : 1,04 m H(Domo) : 3 m D(Domo) : 1 m

Filtro Prensa Aire

Características Capacidad 20 Kg Diámetro 10 ” Altura 12 ” Espesor de chapa 10 mm Cinta transportadora

Características Longitud 2 m Velocidad 1 m/min Ancho de cinta 20 cm Imán para separación de objetos metálicos. Compresor Características Tipo: Reciprocante o de pistón Presión normal de trabajo 60 lb/plg2 Potencia 2 Hp Presión máxima de trabajo 116 lb/plg2 Peso 135 Kg Tanque para aire comprimido 50 lt Voltaje 220 V

77


5.6 Distribución de la planta

Gas Natural

Calentadora Biogas

Tolva de residuos

de Mercado y Rumen

Triturador

Gasómetrode Domo Flotante

Tanque de mezclay pasteurizado

Estiércol, Sangre y Agua

BioabonoLíquido

Lodo Residual

Aire

Filtro Prensa

BIO

RR

EA

CT

OR

Simbología del plano de planta. B 1 : Barril de almacenamiento de Sangre de Ganado Vacuno. B 2 : Barril de almacenamiento de Sangre de Ganado Porcino. B 3 : Barril de almacenamiento de Residuos de Estomago y Viseras de Ganado Porcino. B 4 : Barril de almacenamiento del Bioabono Líquido B 5 : Barril de almacenamiento del Lodo de filtración Tlv 1 : Tolva de almacenamiento de Residuos de Mercado. Tlv 2 : Tolva de almacenamiento de Rumen de Ganado Vacuno. Tlv 3 : Tolva de almacenamiento de Estiércol de Ganado Vacuno. Tlv 4 : Tolva de almacenamiento de Estiércol de Ganado Porcino Bal : Balanza. Trit : Triturador HP : Homogenizador, Pasteurizador. Cal : Calentador de agua (Termotanque). FP : Filtro Prensa. Comp. : Compresora.

78


PLANO DE PLANTA

Gab

etas

Comp. B 5

B 4

Cal.

HP

BIORREA

LABORATORIO

Bal.

Tri

t.

S

ALA

PR

INC

IPA

L

SALA

DE PERSONAL

Tlv 4

Tlv 3

Tlv 2

Tlv 1

SALA

DE

ALM

AC

ENA

MIE

NTO

D

E M

AT

ER

IAS

PRIM

AS

B 3

B 2

B 1

79


5.7 Servicios auxiliares

Control de calidad

El adecuado sistema y control de calidad requerirá de un recinto especifico donde se realice

los controles del proceso, y los diferentes análisis cuyo requerimiento de equipos, materiales,

reactivos y otros no se incluyen, por estar fuera del alcance del presente trabajo.

Los controles y análisis fisicoquímicos mínimos son:

Peso Volumen Densidad pH Análisis de sólidos Análisis de N /P /K Control de patógenos Análisis de gases (CH4, CO2)

5.8 Inversiones

Las inversiones necesarias en maquinaria y equipos para la planta piloto propuesto son:

Maquinarias y equipos

4 Tolvas de almacenamiento $us. 3435.50 1 Balanza de 20 Kg. de sensibilidad 5g $us. 330.00 1 Homogeneizador – pasteurizador $us. 3485.90 1 Calentador de agua (Termotanque) $us. 500.00 1 Biorreactor con sistema de control y medición vía PC $us. 8808.80 1 Compresora $us. 250.00 1 Reductor de tamaño a cuchillas $us. 1500.00 2 bombas centrífugas inox $us. 1800.00 1 cinta transportadora $us. 1109.30 1 Filtro prensa $us. 1550.00 1 tanque de almacenamiento de biogás $us. 752.60 5 recipiente de almacenamiento de 200 L $us. 125.00 Otros $us. 352.90

Total maquinaria y equipos $us. 24000.00

80


5.9 Arranque del biodigestor

El arranque del biodigestor constituye una etapa de trabajo preliminar diferente al trabajo

rutinario de una planta en proceso continuo o semi-continuo. Por motivos prácticos la puesta

en funcionamiento del biodigestor se efectuara en la siguiente secuencia de operaciones:

a) Carga del biodigestor

El biodigestor se cargará en base al experimento 7 en las pruebas batch (tabla 8):

Estiércol de vaca y cerdo (EVC) 112 kg

Residuos de rumen, sangre y residuos de panza e intestinos (SVCRR) 119 kg

Agua 769 kg

Total de substrato inicial 1000 kg

b) Periodo de trabajo en proceso batch.

Posterior al cargado del biodigestor, se iniciara el funcionamiento en proceso batch, cuya

finalidad es la de activar el crecimiento microbiano presente en el substrato. Este periodo

generalmente tiene una duración de 15 a 30 días. Los volúmenes diarios de gas generado y

su composición son indicadores de esta evolución.

Las condiciones de operación serán:

Proceso: batch.

Temperatura: 36oC

Agitación: Intermitente 60 rpm (10 min. seguido de 20 min. sin agitación)

c) Periodo de Ajuste en proceso semi-continuo

Cuando la concentración de metano en el gas generado supere los 50% y el incremento

diario en los volúmenes de biogás sea pequeño se procederá a iniciar la recarga diaria de

substrato axial como la descarga del fondo del birreactor (proceso semicontinuo), este

periodo de aclimatación de los microorganismo y periodo de estabilización del birreactor

puede demandar un periodo prolongado de hasta 2 a 4 tiempos de retención (HRT).

Posteriormente el digestor entrara en estado estacionario.

81


6 Disposición del bioabono:

Una planificación inteligente y realista del sitio de la utilización del bioabono es la clave

para una unidad económica del biogás. El volumen del bioabono digerido es

aproximadamente el doble del estiércol fresco. El bioabono tiene que llegar a los cultivos sin

perder demasiado valor fertilizante. Donde sea posible, el bioabono debe ser distribuido

directamente a los cultivos mediante la gravitación. El bioabono como tal esta conformado

por dos componentes, el biol ( abono líquido) y el biosol ( lodo ).

6.1 Bioabono líquido ( Biol.):

El bioabono líquido que se descarga frecuentemente de un biorreactor y por medio de

filtración y floculación se separa la parte líquida de la sólida, por cuanto es un biofactor que

promueve el crecimiento de los vegetales, este efluente se puede aplicar al follaje, como a la

semilla. El bioabono liquido puede emplearse en diluciones crecientes a razón de 300 lts/ha

de solución y aplicarse a cualquier cultivo o vegetal. Se requiere una inclinación mínima de

2.5 % para distribución a corta distancia. La distribución del bioabono líquido requiere una

buena administración. Una distribución no controlada puede crear pantanos o capas gruesas

de bioabono seco que evitan el contacto de las raíces de los cultivos.

6.2 Biosol (lodo)

El biosol constituye el lodo extraído del digestor y que luego de tratado y oreado, se emplea

como abono orgánico enriquecido y como estimulante de crecimiento radicular y parte aérea

de la planta.

7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El matadero municipal de Achachicala La Paz y los mercados de abasto de la Ciudad

generan grandes cantidades de residuos sólidos orgánicos cuyo tratamiento biológico vía

digestión anaeróbica es viable técnicamente, reduciendo dramáticamente la cantidad de

residuos destinados al relleno sanitario y produciendo: biogás cuyo poder calorífico puede

ser aprovechado como combustible y bioabono de buena calidad.

82


El tratamiento de residuos orgánicos es un campo muy activo de investigación, la revisión

bibliográfica permitió establecer que los reactores de tanque agitado en una sola etapa son

los más utilizados en la configuración de procesos de digestión anaeróbica.

La digestión anaeróbica es un proceso de reacciones secuenciales donde las concentraciones

de los compuestos intermedios deben estar en un rango adecuado y cuyo exceso o

deficiencia puede ocasionar un desbalance reduciendo el rendimiento. El proceso semi-

continuo permite regular la cantidad de productos intermedios a través de la adecuada

velocidad de alimentación, porque la etapa de acidificación, produce mas productos

intermedios (ácidos volátiles) que lo que la segunda etapa puede utilizar. La

sobrealimentación lleva a provocar una caída en el pH e inhibición de la actividad

metanogénica.

En las pruebas preliminares se vio que a mayor carga de materia orgánica se obtuvo menores

volúmenes de biogás y el rendimiento de producción de metano por unidad de materia

orgánica utilizada se redujo dramáticamente debido a efectos de inhibición ácida, que es

causada por uno de los componentes de la mezcla. Para poder determinar cual es el

componente que causa la inhibición, y equilibrando los criterios de mayor cantidad posible

de residuos sólidos a tratar con la mayor producción posible de biogás, mayor contenido de

metano y mayor reducción de sólidos volátiles (materia orgánica) en sustrato, se definió

como 4% la cantidad de sólidos volátiles en el sustrato para las pruebas siguientes dentro el

diseño experimental de mezcla.

Condiciones de operación para el proceso batch:

T = 35 ºC

HRT = 50 días

SV( base húmeda) = 4%

Carga sustrato = 1800 gr.

Agitación = 30 r.p.m., discontinuo (agitación de 15 min. Seguido de 105 min. sin agitación)

La productividad de biogás y productividad de metano obtenido con el experimento 7 dio los

mejores resultados, y cuyos rendimientos són:

biogás: 156.8 l biogás /kg residuo, 1012 l biogás /kg SV

Metano: 86.29 l CH4/kg residuo, 557 l CH4/kg SV

83


Proceso semi continuo:

La digestión anaeróbica de residuos de matadero y frutas – vegetales de mercado en proceso

semicontinuo, es dependiente de la composición de la materia prima que se alimenta al

biodigestor. La composición de la carga influye estableciéndose efectos de sinergismo

(efectos positivos de co-digestión) y antagonismos (efectos de inhibición o desbalances). Se

estableció que residuos de frutas y vegetales tienen un efecto sinérgico al incrementar la

proporción de frutas y vegetales hasta alcanzar la concentración de 17%, mayores

porcentajes de estos residuos produce efectos negativos reduciendo drásticamente la

producción de biogás. La mejor combinación de co-substratos determinado

experimentalmente y que produce los mayores volúmenes de biogás y mejores rendimientos

de producción de metano fue: 17% de residuos de frutas-vegetales (MFV), 17% estiércol

(EVC) y 66% de residuos de estomago e intestinos (SVCRR). Esta composición asegura la

adecuada relación C: N y P [(37.24: 1) y 6.7] que en procesos de digestión anaeróbica son

recomendables y al mismo tiempo establece la importancia de considerar los análisis de SV,

N, y P en la selección de una mezcla adecuada.

Los rendimientos obtenidos con la combinación de co-substratos propuesta en condiciones de La Paz fueron: Rendimiento de biogás: 163.64 l biogás/kg residuo, 1032.2 l biogás/kg SV ad. Rendimiento de metano: 97.74 l CH4 /kg residuo, 634.08 l CH4/kg SV ad. En condiciones normales (P=760 mmHg, T= 0oC) se tiene: Rendimiento de biogás: 110.46 l biogás/kg residuo, 696.74 l biogás/kg SV ad. Rendimiento de metano: 65.97 l CH4 /kg residuo, 428.00 l CH4 /kg SV ad.

Comparado con los valores reportados en plantas del exterior (0.70 m3 biogás/kg SV y 55

m3/ton residuo, ref [21]) operando con materiales similares y en proceso semi-continuo, los

resultados obtenidos son de igual magnitud.Composición de la mezcla:

84


Condiciones de operación para el proceso semicontinuo:

T = 36 ºC

HRT = 50 días

SV( base húmeda) = 4%

Carga sustrato = 9000 gr.

Recargas diarias de sustrato = 186 gr.

Agitación = 60 r.p.m., discontinuo (agitación de: 10 min. seguido de 20 min. sin agitación)

pH = 6.8 – 7.2

La temperatura es un parámetro muy sensible en la digestión anaeróbica, así, una reducción

en 3 grados, de 36 ºC a 33ºC, determino una reducción de 60% en la producción de biogás.

Se recomienda mantener el proceso a 36 ºC con la menor fluctuación posible.

El presente proyecto, considera necesario la implementación de una planta piloto de

digestión anaeróbica, con la finalidad de obtener la información técnico-económico que

posibilite el escalamiento del proceso final a nivel industrial y posibilite posteriormente el

trabajo de optimización del proceso. Con este propósito se propone una planta cuyo

biodigestor es de 1000 kg de capacidad útil y se estima la inversión necesaria

construyéndoselo en nuestro medio, ya que se cuenta con suficiente experiencia.

La puesta en funcionamiento de la planta piloto requiere de un periodo de arranque del

biodigestor, para tal efecto se propone un procedimiento de carga del digestor, un periodo

batch de activación, seguido de un periodo de proceso semi-continuo de ajuste para entrar a

un estado estacionario.

Calidad del Biogás producido:

El gas de digestión contiene entre 55 y 70 % de metano, y entre 30- 45 % de CO2. Dado

que el contenido energético del metano puro es 8556.2 Kcal./m3, en condiciones Estándar

de presión y temperatura, el Biogás tiene un poder calorífico neto de 5975 Kcal./m3,

aproximadamente. El poder calorífico del metano es aproximadamente igual al del gas

natural, que tiene un poder calorífico de 8843 Kcal./m3.

85


Calidad del bioabono:


Sustrato: E9 (17% EVC, 17% SVCRR, 66% FV).

Alimentación 0.763 kgVS/m3 d

HRT 50 dias

Agitación Intermitente 60 r.p.m. (10 min seguido, 20 sin agitación)

Temperatura 36oC

Las caracteristicas de los residuos del proceso de digestion anaerobica fueron determinados

analizando los elementos de interes N, P, K tanto en la carga como en las fracciones

resultantes de la separación del liquido por filtración.

La separación sólido – líquido efectuado por filtración al vacio utilizando papel filtro común

con bomba de vacio de 1/6 HP , EMERSON Industria USA dio en promedio 71,58% de

filtrado y 28,42% peso de residuo solido.

Resultados del análisis

Peso [g] %peso N [%] P [%] K [%] pHFiltrado 118.8 71.58 0.10 0.010 0.063 7.1Residuo sólido (lodo) 47.2 28.42 0.31 0.091 0.072 7.1

Los resultados determinados muestran que el digestato retiene el N, P y K. El exceso de

estos elementos respecto a la alimentación es resultado del gradual ajuste en el sustrato a la

alimentación requiriéndose un tiempo mayor a 2HRT (días) para alcanzar un estado cuasi-

estacionario. Las proporciones de distribución obtenido experimentalmente entre filtrado y

el lodo correspondientes a cada elemento son:

Filtrado Lodo Peso [%] 71.58 % 28.42 %N 45 % 55 % P 22 % 78 % K 63 % 37 %

86


Además el bioabono resultante, se encuentra libre de microorganismos patógenos como lo

indica el Informe De Cultivo Bacteriológico realizado en Fecha 2 de Agosto de 2004 en el

Laboratorio de Bacteriología del Hospital Municipal Boliviano Holandes de la ciudad de El

Alto a la muestra codificado para su análisis como P – 12 –B. Que indica que a las 48 horas

de incubación no se observa crecimiento bacteriano.

87


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90


ANEXO A

RESULTADOS EXPERIMENTALES

CONEXIÓN CON EXCEL PARA VER EL CUADRO

91


ANEXO B

MÉTODOS ANALÍTICOS, MATERIALES Y EQUIPOS

USADOS EN LOS ANÁLISIS DE SEGUIMIENTO

NORMA BOLIVIANA

NB 744

92


Residuos Sólidos – Preparación De Muestras Para Su Análisis En Laboratorio

OBJETO Y CAMPO DE APLICACIÓN Esta norma, establece el método de preparación de muestras en el laboratorio para su análisis.

REFERENCIAS.

• NB 742 Residuos sólidos – Terminología sobre Residuos Sólidos y Peligrosos.

• NB 743 Residuos sólidos – Determinación de Parámetros e Indicadores Sobre Residuos Sólidos

Municipales.

• NB 745 Residuos sólidos – Determinación de Humedad

DEFINICIONES.

Para los efectos de esta norma, las definiciones son las establecidas en la Norma NB 742.

APARATOS Y EQUIPO.

- Balanza de precisión de 20 Kg. con Sensibilidad de 1g. - Guantes - Escobilla - Mascarilla protectora - Tijeras - Alzadores - Pala de jardinero - Lentes protectores - Triturador - Frasco de vidrio de color ámbar y cuello esmerilado de 2L de capacidad.

PROCEDIMIENTO Verificar si la muestra está debidamente identificada, de no estarlo, se anota en el reporte del laboratorio.

A continuación se procede a vaciar la muestra de 10 Kg. de residuos sólidos, en un área limpia y seca del

laboratorio; para que con unas tijeras se desmenuce tales residuos, hasta un tamaño máximo de 5cm.

Posteriormente, después de un cuidadoso proceso de homogenización se lleva a cabo un cuarteo para

separar las muestra en dos partes mas o menos iguales. Con una de ellas, se llevara a cabo la

determinación de humedad de acuerdo a la Norma NB 745 Determinación de Humedad. Una vez

efectuado esta determinación los residuos secados se verterán dentro de un triturador para obtener un

producto más homogéneo y de tamaño semejante a la arena gruesa. Dicho producto, se deberá colocar en

la estufa a 60°C (333°K), hasta obtener peso constante, para después depositar en frascos de vidrio color

ámbar de cuello esmerilado y de 2L. De capacidad, los cuales se almacenan a 4°C (277°K), para realizar

las demás determinaciones físicas, químicas y biológicas, en las siguientes ocho horas. Evidentemente se

deberá pesar el material después del proceso de secado, para que por diferencia, se pueda determinar el

peso seco del material y la humedad que contenía.

NORMA BOLIVIANA

NB 745

Residuos Sólidos – Determinación De Humedad

93


OBJETO Y CAMPO DE APLICACIÓN

Esta Norma, especifica un método llamado de Estufa que determina el porcentaje de humedad, contenido

en los residuos sólidos municipales; se basa en la perdida de peso que sufre la muestra cuando se somete

a las condiciones de tiempo y temperatura que se establecen en esta norma, considerando que dicha

perdida se origina por la eliminación del agua.

REFERENCIAS.

• NB 742 Residuos sólidos – Terminología sobre Residuos Sólidos y Peligrosos.

• NB 744 Residuos sólidos – Preparación de muestras para su Análisis en laboratorio.

DEFINICIONES.

Para los efectos de esta norma, las definiciones son las establecidas en la norma NB 742.

OBTENCIÓN DE LA MUESTRA.

La muestra se obtiene en cantidad suficiente para efectuar la determinación por duplicado, según norma

NB 744 Residuos Sólidos – Preparación de muestras para su Análisis en laboratorio.

APARATOS Y EQUIPO. - Balanza analítica con snecibilidad de 0.001g - Espátula para balanza. - Estufa con temperatura 150°C (423°K) con sensibilidad de 1°C a 2°C, capaz de mantener una

temperatura constante. - Cajas de aluminio con tapa de 250 cc. - Guantes de asbesto - Desecador con deshidratante - Equipo usual de laboratorio.

PROCEDIMIENTO.

Se coloca la caja abierta y su tapa en la estufa a 120°C (393°K) durante dos horas, transcurrido ese

tiempo, se tapa la caja dentro de la estufa, e inmediatamente se pasa al desecador durante dos horas como

mínimo o hasta obtener un peso constante.

Se pesa la caja vacía con todo y tapa para obtener la tara.

Se vierte la muestra sin compactar hasta un 50% del volumen de la caja.

Se pesa la caja cerrada con la muestra y se introduce destapada a la estufa a 60°C (333°K) durante dos

horas, se deja enfriar y se pesa nuevamente. Se repite esta operación las veces que sea necesario hasta

obtener un peso constante (se considera peso constante cuando entre dos pesadas consecutivas la

diferencia es menor al 0.01%).

CALCULOS. El porcentaje de humedad se calcula con la siguiente formula, teniendo en cuanta que para obtener PMH

y PMS se debe restar el peso de la caja.

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100.%PMH

PMSPMHH −=

Donde:

%H es la Humedad en %

PMH es el peso de la muestra húmeda, en g.

PMS es el peso de la muestra seca, en g.

PMH = (PMH+Pcaja) – Pcaja

PMS = (PMS+Pcaja) – Pcaja

Pcaja es el peso de la caja.

REPRODUCIBILIDAD.

La diferencia máxima permisible entre determinaciones efectuadas por duplicado no debe ser mayor al

1% en caso contrario se recomienda repetir la determinación.

BIBLIOGRAFIA.

- Tentative Methods of Analysis of Refuse and Compost municipal – refuse Disposal – Appendix.

- Methods of soil analysis Agronomy No 92 – 96. American Society of Agronomy. Inc. Publisher.

METODOLOGÍA DE ANÁLISIS

95


EMPLEADO EN EL SEGUIMIENTO AL SUSTRATO DE LAS PRUEBAS

OBJETO Y CAMPO DE APLICACIÓN

Este método empleado consiste en una secuencia de análisis, para determinar tanto la Humedad, el Sólido

Total, El Sólido Volátil en base seca y el Sólido Volátil en base húmeda, de las muestras extraídas

durante el tiempo que duro el proceso de cada prueba. Ya que estas muestras tenían un alto contenido de

humedad y las muestras eran muy pequeñas.

REFERENCIAS

• NB 744 Residuos sólidos – Preparación de muestras para su Análisis en laboratorio.

• NB 745 Residuos sólidos – Determinación de Humedad

• Organic Matter – Wet Digestion.

OBTENCIÓN DE LA MUESTRA.

La muestra se obtiene en cantidad suficiente para efectuar la determinación por duplicado.

APARATOS Y EQUIPO.

- Balanza analítica con sensibilidad de 0.001g - Pinza Metálica. - Jeringa para muestreo. - Estufa con temperatura 150°C(423°K) con sensibilidad de 1°C a 2°C, capaz de mantener una

temperatura constante. - Mufla con temperatura de hasta 900°C con sensibilidad de 1°C a 2°C, capaz de mantener una

temperatura constante. - Crisoles de porcelana. - Guantes de asbesto - Desecador con deshidratante - Matraces erlenmeyer de 100 ml.

PROCEDIMIENTO.

Preparación de material.-

Lavar los crisoles con detergente, y abundante agua, luego reposar los crisoles con solución de ácido

clorhídrico diluido al 50% por 5 min. secar en la estufa a 105°C por 10 min., y luego secar en la mufla a

550°C por 15 min., luego sacar al desecador para su enfriamiento a temperatura ambiente y pesar.

Determinación de Humedad.

96


Para determinar la humedad de la muestra, se deposita la muestra homogenizada en los crisoles

preparados anteriormente, marcando cada crisol adecuadamente, luego se procede a pesar cada crisol con

mas la muestra, luego se introducen los crisoles en la estufa a 105°C por 3 horas, luego se saca los

crisoles al desecador, se hace enfriar hasta temperatura ambiente y se pesa.

Cálculos.

El porcentaje de humedad se calcula con la siguiente formula.

100.%PCPMHC

PMSCPMHCH−

−=

%H es el porcentaje de humedad en %

PMSC es el peso de la muestra seca mas el peso del crisol

PMHC es el peso de la muestra húmeda mas el peso del crisol

PC es el peso del crisol vació.

Determinación del Sólido Total.

El sólido total se determina con los mismos datos obtenidos para la determinación de la humedad y el

cálculo se lo realiza de la siguiente manera.

Cálculos.

El Sólido Total se calcula con la siguiente formula.

100.%PCPMHCPCPMSCST

−−

=

%ST es el porcentaje de Sólido total en %




Determinación del Sólido Volátil en base seca.

Para determinar el Sólido Volátil en base seca, los crisoles que contienen la muestra seca ya pesada, se

introduce en la mufla a 550°C por 3 horas, luego se saca los crisoles al desecador, se hace enfriar hasta

temperatura ambiente y se pesa.

Cálculos.

El Sólido Volátil en base seca se calcula con la siguiente formula.

100.%PCPMSC

PMCCPMSCSVbs−

−=

%SVbs es el porcentaje de Sólido Volátil en base seca en %


PMCC es el peso de la muestra calcinada mas el peso del crisol

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Determinación del Sólido Volátil en base húmeda.

Para determinar el Sólido Volátil en base húmeda, se utilizan los mismos datos de utilizados en la

determinación de la humedad y la determinación del Sólido volátil en base seca.

Cálculos.

El Sólido Volátil en base húmeda se calcula con la siguiente formula.

100.%PCPMHC

PMCCPMSCSVbh−

−=

%SVbh es el porcentaje de Sólido Volátil en base húmeda en %



PMCC es el peso de la muestra calcinada mas el peso del crisol


BIBLIOGRAFIA.

- Tentative Methods of Analysis of Refuse and Compost municipal – refuse Disposal – Appendix.

- Methods of soil analysis Agronomy No 92 – 96. American Society of Agronomy. Inc. Publisher.

- Davies, BO. 1974. Loos-on-ignition as an estimate of soil organic matter. Soil Sci. Soc. Amer. Proc.

38: 150-151.

- Ben-Dor, E. and Banin. 1989. Determination of organic matter content in arid-zone soils using a

simple “loos-on-ignition” method. Common, Soil Sci. Plant Anal. 20(15-16): 1675-1695.

98


MEDICIÓN DE PH

Para la medición del pH, durante el seguimiento a las pruebas experimentales, se utilizo el siguiente pH.

Meter.

El ph meter tiene es de la marca METTLER TOLEDO MP 225.

Su electrodo es de la marca METTLER TOLEDO Inlab 413 NTC ph 0 – 14.

MEDICIÓN DE LA COMPOSICIÓN DEL GAS

EN EL SEGUIMIENTO A LAS PRUEBAS EXPERIMENTALES

Para medir la composición del gas generado en las pruebas experimentales, se utilizo el siguiente

cromatógrafo de gases.

La marca del equipo es SHIMADZU MOD : GC – 14B

Columna capilar NUKOL

Nro : 18651 – 02F Aproved By JIM

15m x 0.53mm x 0.5 µm film, thickness

Detector: TCD

El gas de arrastre empleado es helio a 400 KPa de presión.

El gas es muestreado en jeringas de 1 ml, del cual se inyecta en el muestreador del cromatógrafo 0.5 ml.

Para el análisis.

Las condiciones de operación programadas son:

Temperatura inicial Ti = 120°C.

Temperatura final Tf = 120°C

Temperatura del Inyector Tiny = 150°C

Temperatura del detector Td = 200°C

Corriente Currier = 100

Detector Detector = 4

Los tiempos aproximados de salida de los gases analizados son:

Otros 2,6 min.

Metano 4,5 min.

Dióxido de Carbono 6,7 min.

BALANZA UTILIZADA

Se utilizo para los análisis la balanza analítica siguiente.

99


La marca es METTLER TOLEDO AB 204 – S

Capacidad máxima de 200 g. θ = 1mg.

Capacidad mínima 10mg d = 0.1 mg.

100

Producción Anaeróbica De Biogás Y Aprovechamiento De Los Residuos Del Proceso Anaeróbico

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