Bio Digest Ores

5/11/2018 Bio Digest Ores

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OPS/CEPISI96Original: espafiol

FUNDAMENTOS BAsICOS PARA EL DISENODE BIODIGFSTORES ANAER6BICOS RURALES

Producci6n de Gas y Saneamiento de Efluentes

lng. Antonio Guevara VeraM.S. en Saneamiento AmbientalProfesional Residente, CEPIS

Centro Panamericano de Ingenierfa Sanitaria y Ciencias del AmbienteDivision de Salud y Ambiente

Organizaci6n Panamericana de la SaludOficina Sanitaria Panamericana Oficina Regional de la

Organizaci6n Mundial de la SaludLima1996


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FUNDAMENTOS BAsICOS PARA ELDISENO DE BIODIG ESTORES

ANAERO SICO S RURALES

Producci6n de gas ySaneamierito de Efluentes

Ing. ANTONIO GUEVARA VERAM.S. Saneamiento AmbientalProfesional Residente , CEPIS

Centro Panamericano de Ingenieria Sanitaria y Ciencias del AmbienteDivision de Salud y AmbienteOrganizacion Panamericana de la Salud

Oficina Sanitaria Panamericana. Oficina Regional de IsOrganizacion Mundial de la Salud

Lima - Peru1996


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Siempre el inicio de toda tarea se tornadificultosa, pero luego de comenzado ella,el camino no parece tan tortuoso.A. G. V.

Dedicado a:MargaritaVictorYaissaJose de la PazEstherQuienes siempre estan conmigo


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AGRADECIMIENTOQuiero expresar mi agradecimiento:AIDr. Clemente Quintero Rojo, Rector de la Universidad Nacional Experimental de los

Llanos Occidentales IIEzequiel Zamora" ( UNELLEZ), Y a todas las Autoridades Universitarias,por haber apoyado la realizaci6n de mi de ano sabatico.

AI Ing. Sergio Caporali, Director del Centro Panamericano de Ingenieria Sanitaria yCiencias del Ambiente ( CEPIS ), y a todo su personal, por permitir que realizara mi afio sabaticoen e I Centro , me apoyaron y me dieron todas las facilidades para la realizaci6n del presentetrabajo.

AI Ing. Leonardo Taylhardat, profesor del Instituto de Ingenieria Agricola de laFacultad de Agronomia de la Universidad Central de Venezuela ( UCV ), Director del Centro deInvestigaciones en Biogas, quien a traves de su constante asesoramiento sobre la digestionanaerobica, motive a que me adentrara en el interesante campo de esta tecnologia.

A los Ingenieros Freddy PiRate profesor Titular de la Universidad Nacional Experimentalde los Llanos Centrales " Romulo Gallegos II( UNERG. ), y Emerson Rincon profesor Asociadode la UNELLEZ, Nucleo San Carlos Cojedes, por su aporte y ayuda a la realizaci6n de lapresente Investigaci6n.


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2INDICE

Pag ..Introduccicn 6I. Objetivos 8II. Antecedentes 9III. Caracteristicas De La Fermentacion Metanogenica 11III. 1. Microorganismos Que No Producen Metano 12III. 2. Microorganismos Productores De Metano 14IV. Factores A Considerar En EI Proceso Metanogenico 15IV. 1. Materiales De Carga Para La Fermentacion 15IV. 2. Relacion Carbono - Nitrogeno (C / N) 15IV. 3. Concentracion De La Carga 16IV. 4. Temperatura 18IV. 5. Valor Del Ph 20IV. 6. Promotores E Inhibidores De La Fermentaci6n 20V. Procesos De Digestion Para Tratar Los Residuos Organicos 22V. 1. Por La Forma De Alimentaci6n 22V. 1. 1. Fermentaci6n Continua 22V. 1. 2. Fermentacion Semi - Continua 22V. 1. 3. Fermentacion Por Lote 23V.2. Por La Temperatura 24V. 2. 1. Fermentaci6n Termofilica 24V. 2. 2. Fermentaci6n Mesofilica 24V. 2. 3. Fermentaci6n A Temperatura Ambiente 24V. 3. Por El Numero De Etapas 24V. 3. 1. Fermentaci6n En Una Sola Etapa 24V. 3. 2. Fermentacion En Dos 0Mas Etapas 24VI. Tipos De Digestores Metanogenicos 25.VI. 1. Digestor De Mezcla Completa 25VI. 2. Reactores De Filtro Anaerobico, Lechos Expandidos

Y Fluidizados Y Las Unidades U.AS.B. 25VII. Componentes Y Clasificacion De Los Digestores 28VII. 1. Componentes De Un Biodigestor 28VII. 2. Clasificacion De Los Digestores Rurales 28VII. 2. 1. Segun EI Almacenamiento Del Gas 28VII. 2. 2. Segun Su Forma Geornetrica 28VII. 2. 3. Por Los Materiales De Construccion 28VII. 2. 4. Segun Su Posicion Respecto A La Superficie Terrestre 28VII. 2. 5. Modelos De Digestores 28VII. 2. 5. 1. Modelo Chino 33VII. 2. 5. 2. Modelo Indio 33VII. 2. 5. 3. Modelo Horizontales 33VII. 2. 5.4. Modelo Batch 0Por Lote 33


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Pag.VIII. Objetivos En EI Uso De La Biodigestion Anaerobica 38VIII . 1. Para EI Saneamiento Ambiental 38VIII. 2. Para La Produccion Y Aprovechamiento Del Gas 39VIII. 2. 1. En Cuanto A La Recoleccion Del Gas 41VIII. 2. 2. En Relacion A Los Gas6metros 41VIII. 2. 3. Distribucion Del Gas 41VIII. 2. 4. Aplicacion Del Gas 42VIII. 3. Para La Producci6n De FertiIizantes .. 42VllI. 4. Para La Introducci6n De La Tecnologia 42VIII. 5. Con Fines Conservacionistas 42IX Secuencias De Actividades Para Operar Los Digestores 47IX. 1. Prueba De Los Nuevos Y Mantenirnientos De Los Viejos Digestores ..47IX. 2. Preparacion De La Carga 47IXI0. 3. Verificacion De La Concentraci6n Y De La Relacion C / N 47IX. 4. Llenado Del Digestor 48IX. 5. Producci6n De Gas 49IX. 6. Duracion De La Digestion 49IX. 7. Descarga 49IX. 8. Actividades Cotidianas 49X. Disefio De Biodigestores 51X . 1. Datos De La Zona De Estudio 51X . 2. Seleccion Del Digestor Mas Factible A Realizar 52X. 3. Especificaciones Para EI Disefio De Biodigestores 52X. 3. 1. Calculo De La Camara De Fermentacion 52X. 3. 1. 1. Con Fines De Saneamiento 52X 3. 1. 2. Con Fines De Produccion De Gas 53X. 3. 2. Para Calcular La Oferta De La Materia Prima 54X. 3. 3. Filtro Anaerobico 57X. 3. 4. Volumen De LaCamara De Carga Y Descarga 59X. 3. 5. Calculo De Gasometro 59X. 3. 6. Requerimientos De Materiales Y Computes Metricos 63Xl Conclusiones YRecomendaciones 68BIBLIOGRAFiA 70ANEXOS 73

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4CUADROS

Pag.1. Clasificacion De Las Metanobacterias (Balch, 1979) 142. Relacion Carbono A Nitrogeno De Las Materias PrimasEmpleadas Corrientemente (Apr6x ..) 153. Analisis De Los Resultados De Diversos RecursosEfectuados Por EI Instituto Industrial De Microbiologia De Shanghai 17

4. Contenido De Solidos Totales (Enseco) En Material DeFennentaci6n Comunmente Utilizados En Las Zonas Rurales (Apr6x ..) 17

5. Rendimiento De Gas En Digestores Pequefios Rurales A DistintasTemperaturas 18

6. Rendimiento De Gas Con Materiales Empleadas CornunmenteA Distinta Temperatura.............................................................................. 18

7. Concentraci6n Inhibidora De Inhibidores Comunes 218. Rendimiento De Gas Con Distintas Materias En DiferentesRegiones (Concentracion De 6% (M3/ Kg. Ts) 399. Velocidad De Generaci6n De Gas A Partir De Materiales De Uso Comun 40

10. Cornposicion Promedio Del Biogas 4011. Resultado De Los Analisis Del Efluente De Un Digestor Modelo

Chino Y Del Liquido De Digestores Batch 4612. Valores Comparativos De Los Nutrientes Presentes En EI Sub-ProductoSolido De Digestores Batch Provenientes De Dos Materias Primas Diferentes .4613. Demanda De Biogas Para Diferentes Usos 5414. Produccion De Residuos Humanos Y Animales (Estimaci6n) 5415. Produccion De Biogas A Partir De Desechos De Anirnales Y Humanos 55


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FIGURASPag.

1. Etapas De La Fermentaci6n Metanogenica 132. Efeeto De La Temperatura Y El Tiempo De Retencion SobreLa Produccion De Gas A Partir De Efluentes Urbanos 193. Unidades De Tratamientos Anaerobicos 264. Esquema Operativo Del Sistema Biodigestor Gasometro 295. Digestor De Cupula Fija 306. Digestor Con Deposito Flotante De Gas 307. Digestor Con Gasometro De Plastico 0 Caucho En Forma De Bolsas 308. Digestor De Cupula Movil 319. Digestor Cilindrico 3110. Digestor Esferico 3111. Digestor Ovalado 3212. Digestor Rectangular 3213. Digestor Cuadrado 3214. Digestor Modelo Chino 3415. Digestor Modelo Indio 3516. Digestor Modelo Horizontal 3617. Digestor Modelo Batch 3718. Uso Del Biogas En E1 Campo Chino 4319. Cocina Comercial (Marca Rivergas) Modificada Para Usarla

Con Biogas. Ucv. Facultad De Agronomia. Planta De Biogas 4420. Una Cocina Comercial (Marca No Identificada) Y Disefiada Para

Gas Licuado, Modificada Para Usarse Con Biogas. AsentarnientoCampesino "La Molinera" San Francisco De Asis. Edo. Aragua 4421. Lampara De Biogas. Vivienda Campesina. Provincia De Sichuan.Republica De China 45

22. Lampara De Biogas Construida En Los Talleres De La Facultad DeAgranomia U.C.V. Maracay. Disefio Basado En La Lampara "Tuojiang D 80-311 .. 4523. Filtro Anaerobico 5824. Camara De Descarga Y De Carga 6025. Gasometro Instalado 6126. Presiones A Que Esta Sometida El Gas6metro 6227. Gasometro Seco 6428. El Sella De Agua 64


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INTRODUCCIONLa creciente producci6n de desechos s61idos y liquidos, resultado de las distintas

actividades que realizan las poblaciones humanas -'lara satisfacer sus necesidades basicas desupervivencia y confort, ha originado que constantemente el medio ambiente se vea pulido ycontaminado por el inadecuado tratamiento y disposici6n final de dichos desechos.

Los metodos tradicionales para el saneamiento de efluentes no han logrado una eficienciaoptima, en la disminuci6n de los indices de contaminaci6n de las aguas servidas a fin de que nosean agresivas a los cuerpos receptores; es por ella que se han venido implementando nuevosmetodos de degradaci6n de efluentes, algunos de los cuales permiten ademas el aprovechamientoenergetico de los gases que se originan de estos procesos, favoreciendo en este sentido a las zonasrurales en donde cada vez es mas problematico proporcionarles energia adecuada, por los altoscostos del petr61eo y de la energia electrica,

En este sentido la biodigesti6n anaer6bica de los desechos organicos, como excretas deanimales y de humanos, restos de cosechas y de procesos agroindustriales, se presenta como unaaltemativa factible de realizar en e l campo, tanto por los costos que requiere, como por elsaneamiento ambientallogrado y la produccion de energia que se origina.

Sin embargo, al tratar de mejorar el saneamiento ambiental, nos encontramos que ennuestros paises no existen investigaciones sobre los sistemas de saneamiento de efluentes masapropiados para las condiciones del tropico, menos aim, utilizando procesos anaerobicos 0disefios de sistemas de tratamiento de efluentes con aprovechamiento de la energia producida. Espor ella que se hace urgente desarrollar investigaciones que ayuden a buscar soluciones a 1 0 antesplanteado, sobro todo can la dificil situacion econ6mica que atraviesan los paises Sudamericanosy que ya no se pueden dar el Iujo de desperdiciar sus escasos recursos.

Por todo 1 0 antes planteado eI presente trabajo representa el resultado de unainvestigaci6n documental sobre los diferentes aspectos que involucran la utilizacion de labiodigesti6n anaer6bica, tanto con el proposito de saneamiento, como de producci6n yaprovechamiento de energia. Se Ie ha estructurado por capitulos, en los cuales se recogen losprincipios basicos, asi como los procesos y metodos que se deben conocer y aplicar en el "Disefiode Biodigestores Anaer6bicos en el Medio Rural".

En la redacci6n se ha utilizado un leguaje sencillo de facil comprension, de tal manera queel lector pueda captar los conocimientos que se exponen y adquiera la informacion necesaria paraorientarlo en la forrnulacion y disefio de proyectos basados en la tecnologia de la biodigestionanaer6bica para el tratamiento de excretas de origen animal 0 domesticos, asi como de losdesechos agricolas.

Es importante sefialar que como la biodigestion anaer6bica en Latoamerica es pococonocida y las referencias bibliograficasson escasas, el trabajo que se presenta constituye unaprimera aproximaci6n a1conocimiento y comprensi6n de los diferentes aspectos que involucran el


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diseiio de biodigestion, sin embargo dado 1 0 amplio de la materia que se esta tratando, se haresumido todo 1 0 posible en la exposicion tecnica de los diferentes topicos que abarca el trabajo.

El texto esta conformado por XI capitulos; en el capitulo I se plantean los objetivos que sebuscan con este trabajo, el capitulo II se refiere a los antecedentes tanto en el exterior como enVenezuela sobre la aplicacion de esta tecnologia; el capitulo III expone las caracteristicas masimportantes de la fermentacion rnetanogenica y el papel que juegan las bacterias en la reaccionesbioquimicas que se originan; el capitulo IV tiene que ver con los factores que se deben tener encuenta en el proceso metanogenico, ya que ellos influyen 0 modifican el proceso; el capitulo V serefiere a los procesos de digestion para tratar los diversos residuos organicos; en el capitulo VI sehabla de los diferentes tipos de digestores rnetanogenicos que se emplean en el medio rural; luegoen el capitulo VII se explican todas las partes que conforman un biodigestor usado en el mediorural, igualmente se da una clasificacion de los rnismos; en el capitulo VIII se detalla cuales sonlos objetivos que se buscan en la utilizacion de la digestion anaerobica; en el capitulo IX se hablasobre la secuencia de actividades que se deben cumplir en la operacion de los digestores; en elcapitulo X, se dan las especificaciones para el diseiio de Biodigestores, y finalmente en el capituloXI se expone algunas conclusiones y recomendaciones.


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I.OBJETIVOS1. Objetivo General.- Exponer los elementos basicos que se deben tener en cuenta para el diseiio de

biodigestores anaer6bicos que se usan en el medio rural, tanto para el tratamiento de desechosorganicos de origen domestico y agropecuario como para la producci6n y aprovechamientoenergetico de los gases y lodos producidos.

2. Objetivos Especificos.- Analizar las caracteristicas de la fennentaci6n metanogenica, en 10 referente a la

particpaci6n de las bacterias anaerobicas,- Identificar los factores que influyen en el proceso metanogenico,

- Exponer los procesos de digestion para tratar los residuos organicos.- Sefialar los tipos, la c1asificaci6n y los componentes de los digestores usados en el medio

ruraL- Determinar los objetivos que se buscan en el uso de la digesti6n anaerobica.- Proponer la secuencia mas adecuada para la operacion y para el disefio de los

biodigestores.


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9II.ANTECEDENTES

EI proceso de la Biodigestion Anaerobica ha sido conocido y aplicado desde laantiguedad, as! por ejemplo, se utilizaba para el curtido de cueros, para la obtencion de etanol,acidos organicos como el lactico, etc., pero era comprendido en razon de sus productos finales yno en funcion de sus procesos, Taylhardat, (1986).

Ya para 1884 Louis Pasteur al presentar los trabajos de su discipulo Gayon concluyo quela fermentacion de estiercoles podria ser una fuente de energia para la calefaccion e iluminacion,Medina (1984). En Inglaterra en el afio de 1896, Donald Cameron perfecciono el tanque septico yutilize el gas que se origina en el proceso como fuente de energia. En los EE.UU. deNorteamerica se empezo a investigar esta tecnologia en Massachusetts, por intermedio del Dr.Louis P. Kinnincutt.

Para el ano de 1900 es puesto en funcionamiento el primer Biodigestor en Bombai - LaIndia, Charles James utilize el gas producido en el proceso para el funcionamiento de un Motor.

EI desarrollo de la bioquimica para satisfacer las altas demand as de solventes quimicos querequeria la Primera Guerra Mundial y el impacto de problemas sanitarios productos de ella,derivaron en el desarrollo acelerado de la microbiologia de los procesos anaerobicos que podriaayudar eficientemente a aportar soluciones que los procesos aerobicos (asociados al oxigeno) nohabian podido solucionar; adernas, la creciente poblacion mundial requeria cada dia mas fuentesde energia altemas que complementaran las ya existentes .

.En Alemania a partir de 1923 se empieza a utilizar el biogas, mediante una red publicapara satisfacer las demandas de energia. En Inglaterra es sin embargo a partir de 1927 cuando seimpulsa el uso de biogas, para suplir las necesidades de la comunidades que pasaban de 7.000habitantes; es aqui tambien, donde se introduce el sistema para recolectar gas por medio deestructuras flotantes de concreto armado, Herrera (1977).

Para el afio de 1939 la India inaugura una unidad experimental para el estudio y diseno desistemas de equipos que requiere la utilizacion del Biogas, es en este pais y en especial en laRepublica Popular China, donde esta tecnologia se ha difundido en forma masiva en el sectoreampesino, existiendo mas de 7.5 millones de digestores construidos y operando,TAYLHARDAT (1986).

Sin embargo la Biodigestion Anerobica que inicialmente se habia empleado para satisfacerla demand a de energia (requerimiento de combustible), en los ultimos afios ha venidodemostrando su potencialidad para el tratamiento de los residuos y excretas de origen domesticosy agropecuario, prineipales contaminantes del ambiente. Paises como China, India, Australia,Inglaterra, etc, han eneontrado en la fermentacion anaerobica una tecnica aliada en la lucha contrala contaminacion ambiental, especialmente en el area rural en donde los efluentes urbanos yagropecuarios son transforrnados en sustancias inofensivas al ecosistema circundante, mejorandola calidad de vida de sus habitantes, FAD, (1986); en este sentido HOBSON, P et al (1980)utilizando la Biodigestion anaerobica lograron grandes reducciones en los niveles de Demanda


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10Bioquimica de oxigeno (DBO) y Demanda Quimica de Oxigeno (DQO) de estos efluentes,adernas los constituyentes olorosos de los residuos como el fenol y el indol fueron destruidos porla digestion; iguales resultados encontraron SUMMER, R. and Bousfield en (I980).

La utilizacion progresiva y creciente del proceso anaerobico en estos ultimos anos a nive1mundial, nos hacen ver que la descontaminacion es una realidad, asi 1 0 han corroborado muchosensayos a t respecto.

Por ello, en Europa y Asia, cada dia se esta incrementando su uso. Segun Hobson y otros(1980) en Inglaterra y otros paises de Europa se est a aumentando la presion popular y legislativapara el uso preferencial de procesos anaerobicos.

En America (segun 10 expresado en el seminario taller sobre biogas y otras fuentes alternasde energia en el medio rural, realizado en Cali, Colombia del 14-17 de octubre de 1986) se estandesarrollando algunas experiencias en paises como Colombia, Peru, Bolivia, Costa Rica,Honduras; la Organizacion para la Agricultura y la Alirnentacion (F.A.O.) esta dando un apoyodecidido; asimismo algunos paises industrializados como la Republica Federal de A1emania,concibio el programa especial de energias renovables (PEER), este proyecto deberia fomentar lainvestigacion sobre el uso de energeticos renovables, entre ellos la tecnologia del biogas, teniendocomo objetivo la reduccion de cargas contaminantes y la sustitucion de abonos quimicos medianteel uso de los efluentes tratados y de buena calidad fertilizante.

En Venezuela puede pensarse que dada la abundancia de recursos energeticos, tantohidraulicos como fosiles, no tenga relevancia el uso de formas altern as de energia como lautilizaci6n de Biogas, sin embargo, para el a r e a rural y las zonas alejadas donde existe una gransuperficie que no tiene acceso a la electrificacion por los altos costos de las redes y equiposelectricos (pasa de 600 mil Bs. I Krn. lineal de red) si tiene mucha importancia, y asi 1 0 hanentendido los organismos oficiales como CADAFE, el IV.I.C. y la Uc.v., quienes estanaunando esfuerzos y recursos para realizar investigaciones tendientes a un mejor conocimiento dela tecnica del Biogas, asi como una mayor difusi6n tecnica para lograr su implementacicn populary rapida.

Sin embargo la investigacion en Venezuela es incipiente, los pocos estudios que seconocen son los realizados en la V.C.V. en su planta Piloto generadora de Biogas y las pocas tesisde grado realizadas por estudiantes de la Facultad de Agronomia de la u.C.V. (Maracay), asitenemos trabajos sobre la "Evaluaci6n te6rico econ6mica de estanques para Biogas", Medina, L.(1984); "Evaluacion de Producci6n de Biogas a partir de desechos organicos'', Colmenares(1987); "Disefio y Construccion de un Gasometro y Formulacion de Programas de Cornputacionpara disefio de un Biodigestor Chino" Moreno. (1988).

Tambien existen algunas experiencias sobre tratamiento de efluentes porcinos que handemostrado la eficiencia del sistema en la reducci6n de la DBO la DQO, de los solidos y de loscoliforrnes totales en mas del 80%, podemos mencionar los trabajos de LUNA (1991) sobre eltratamiento de efluentes porcinos utilizando un reactor de flujo ascendente con filtro anaerobico;y de SILVA (1991)sobre la evaluaci6n de un digestor horizontal para efluente porcinos con finesde saneamiento y producci6n de energia.


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m . CARACTERiSTICAS DE LA FERMENTACION METANOGENICA.La digesti6n de lodos es un proceso de descomposici6n anaerobica, que consiste en la

degradaci6n de la materia organica en ausencia de oxigeno. EI proceso para producir metano(CH4), bi6xido de carbono y otros compuestos implica la realizaci6n de una serie de reaccionesbioquimicas, donde participan una gran variedad de microorganismos, los cuales a una parte delcarbono 1 0 oxidan completamente formando anhidrido carb6nico y a la otra 1 0 reduce en altograde para formar metano, siendo quimicamente estables ambos compuestos.

Casi todas las materias organicas pueden emplearse para la fermentaci6n. EI hombre en laproducci6n de biogas utiliza principalmente diversas aguas residenciales, aguas residuales de laindustria liviana y alimenticia, los desechos municipales y diversos subproductos agricolas(residuos de cultivos y excrementos humanos y de animales), ademas se aprovechan algunoscultivos energeticos. La composici6n quimica principal de estos recursos son polisacaridos,proteinas, grasas y pequeiias cantidades de metabolitos, la mayoria de ellos insolubles en agua.

Estos compuestos son desdoblados fundamentalmente por bacterias que descomponen losmateriales organicos, algunos de los cuales producen gas metano y otros no producen ningun gas,tambien se han encontrado en los aislamientos protozoarios y hongos. La cooperaci6n einteracci6n entre estos microorganismos es 1 0 que produce la transforrnaci6n y degradaci6n de losdiversos materiales, de alli que el conocimiento de la microbiologia de la fermentaci6nmetanogenica sea la base fundamental para el diseiio del equipo, la organizaci6n del proceso, lapolitica tecnol6gica de la producci6n y el control de las condiciones tecnicas, FAD, (1986).

Segun ZEIKUS (1986), citado por TAYLHARDAT (1989) hasta el presente, sereconocen cuatro grupos de bacterias que poseen diferentes funciones catab6licas sobre elcarbono, en el proceso de degradacion de la materia organica hasta el metano, estos grupos son:

GRUPO I. Bacterias hidroliticas, catabolizan sacaridos, proteinas, lipidos y otrosconstituyentes menores de la biomasa.

GRUPO II. Bacterias acetogenicas, productoras de hidr6geno, catabolizan ciertos acidosgrasos y productos finales neutros.

GRUPO III. Bacteria Homoacetogenicas, catabolizan compuestos monocarbonados, y /0hidrolizan compuestos multicarbonos hacia la producci6n de acido acetico.

GRUPO IV. Bacterias rnetanogenicas, catabolizan acetato compuestos monocarbonatospara producir metano; contemplandose solo cuatro generos=Metanobacteriurn Methanococcus,Methanospirillum y Methanosarcina, basado en la c1asificaci6n taxon6mica propuesta porBATCH y otros.

Considerando la aeci6n de los microbios en la fermentacion metanogenica,TAYLHARDAT (1989) expresa que "Actualmente se considera que el proceso es mejor


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explicado bajo un esquema de tres etapas", como se observa en la figura ( N"] ). En este sentidoCiterio y Herrera (1977), dan la siguiente explicacion del proceso.

I. Periodo de producci6n intensiva de acidos (acidificacion). Se inicia con los alimentos ycompuestos de mas facil descornposicion (grasas) existe gran produccion de dioxidos de carbono(CoJ, producci6n de acido sulfidrico ~S), acidos organicos, bicarbonatos. EI pH. se encuentraen la zona acida 5.1 a 6.8.

2. Periodo de digestion de acidos (Regresion, licuefaccion). Ataque a los acidos organicosy compuestos nitrosos, produccion de pequefias cantidades de dioxido de carbono (C02),nitrogeno e hidrogeno, Produccion de bicarbonates y de compuestos amoniacales, mal olorcausado por el acido sulfidrico ~S). Gran parte de los s61idos flotan y el P.H. se encuentra entre6.6y 6.8.

3. Periodo de digestion intensiva 0 de fermentacion alcalina, digestion de materiasresistentes, proteinas, aminoacidos, celulosa, etc, produccion de amoniaco, sales de acidosorganicos y gran des volumenes de gas, principalmente metano y cantidades menores de dioxidode carbono (C02) y nitrogeno, olor a alquitran. Pequeiias cantidades de s61idos flotantes. EI pH.pasa a la zona alcalina 6.9 a 7.4.

Normalmente en un digestor se cumplen las tres etapas.Para que un proceso de fermentacion se realice en forma normal y vital es preciso contar

con la accion conjunta y combinada de bacterias que producen metano y las que no 10 producen.EI exceso 0 falta de cualquier grupo de bacterias y su funci6n mas 0 menos act iva 0 inactiva,tienden a destruir el equilibrio cinetico 10 que lleva a la anormalidad 0 incluso al fracaso delproceso de fermentacion,

1.Microorganismos que no producen metano.Son una serie de microorganisrnos que convierten complejos productos orgarucos en

compuestos de rnoleculas mas sencillas y mas pequeiias. Participan numerosos y variadosmicrobios anaer6bicos y facultativos, dependiendo su numero y su variedad de los materiales defermentaci6n.

Los microbios que no producen metano pueden clasificarse en tres grupos, bacterias,mohos y protozoos, entre los cuales tienen mayor importancia los primeros.

- Bacterias: Hay muchos tipos de bacterias que no producen metano. Segun la FAD(1986), sobre la base de sus grupos fisiologicos, se clasifican las bacterias no metanogenicas ensiete grupos: las que descomponen la celulosa, la semi - celulosa, las proteinas y las grasas, lasque producen hidrogeno, otros microbios especificos como los Thiovibros y las que emplean elacido lactico.

- Mohos: Mediante el cultivo artificial se han aislado numerosos mohos y levaduras en 1adigestion anaerobica, Ilegandose a la conclusion que estos organismos podrian participar en elproceso de la digestion, del cual obtendrian los nutrientes para producirse.


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Figura N 1 ETAPAS DE LA FERMENTACION METANOGENICA

Materia Organica(Carbohidratos, Proteinas, Lipidos)

r---------Hidr6lisis y Fennentaci6n (I) -----.

Acidos Grasost_ ~Deshidrogenaci6n Acet6nica...!..__1l~ ~~+C02~ Deshidrogenacion AcetOgenica~ 1cetatoen.coo!Dexcarboxilaci6n

del AcetatoitCH4+COz(ill) (ill) Formacion de Metano

Por Reducci6nJ tCH4 +COz( I ) Primera Etapa: La materia organica es atacada por grupos de bacteriasfennentativas Proteoliticas y Celuloliticas, que la degradan hasta acidos grasos ycompuestos neutros.( II ) Segunda Etapa: Los acidos grasos organicos son atacados por bacteriasreductoras obligadas de hidr6geno, que Bevan los acidos a acetato , a Hz Y CO2,Simultaneamente un grupo de bacterias hornoacetogenicas, degradan los acidos decadena larga a acetato y H z Y CO 2,(ill)Tercera Etapa: Las bacterias metanogenicas utilizan tanto el acetato comoel H z Y CO2 para producir metano.

Fuente: Tornado de McInerney and Bryant (1980)

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14- Protozoos: Algunos investigadores han sefialado que los protozoos tambien intervienen

en este proceso, tratandose principalmente de Plasmodium, flagelados y amebas, aunqueconsideran que podrian desempefiar un papel de menor importancia en el proceso.

En la digesti6n anaer6bica la mayoria de las bacterias son no metanogenicas, y tienen unagran importancia en el desarrollo del proceso anaerobico, ya que las bacterias productoras debiogas no pueden aprovechar directamente los compuestos organicos a menos que estes hayansido degradados y convertidos en compuestos mas sencillos, de menor peso molecular, gracias ala acci6n de las bacterias no metanogenicas,

2. Microorganismos productores de Metano.Son el grupo mas importante de microbios de fermentaci6n en la fabricaci6n del biogas.

Estas bacterias se caracterizan por ser muy sensibles a t oxigeno y a los acidos solo pueden usarcomo sustrato los compuestos organicos e inorganicos mas sencillos. EI crecimiento yreproducci6n de las bacterias metanogenicas es muy lento. Doblar su poblaci6n demora de 4 a 6dias. Su estudio ha avanzado muy lentamente por la dificultad de aislar, incubar y almacenarlos.Hasta ahora se han obtenido muy pocas especies puras, no pasan de 13 Cepas puras (Ver cuadroN 1).

Cuadro N IClasificaci6n de las metanobacterias(Balch, 1979)Orden Familia Genero Especies

Methanobacteriates Methanobacteriaceae Methanobacterium MethanoformicicumMethanobryantilM. thermo autotrophic

Methanobrevibacter MethanoruminantiumMethanoarboriphilusMethanosmithil

lMethanococcates Methanococcaceae Methanocoecus MethanovannieliiMethanovoltae

Methanomicrobiates Methanomicrobiaceae Methanogenium MethanocaraciMethanomarispigri

Methanospiellum MethanohongateiMethanomicrobium Methanomobile

Methamisarcinaceae Methanosarcina MethanobarkerieFuente: Tornado de el Biogas una experiencia en China. FAD ( 1986 )


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15IV. FACTORES A CONSIDERAR EN EL PROCESO METANOGENICO

Existen muchos factores que influyen directamente en la fermentacion metanogenica y soncapaces de modificar la rapidez de la descomposici6n, entre ellos tenemos:1. Material de carga para la fermentaci6n.

Llamamos asi a todos los desechos organicos que se introducen dentro de un biodigestorpara su degradacion. Pero para la fermentacion los microorganismos metanogenicos necesitannutrientes para producir biogas, por eUo es necesario contar con suficiente material de carga paraque el proceso de digestion no se interrumpa. La materia organica que se utiliza como material decarga (residuos de los cultivos, excretas de humanos y de animales) pueden dividirse en dosgrupos, las materias primas ricas en nitrogeno y las materias primas ricas en carbono, el nitr6genoy las materias primas ricas en carbono, el nitr6geno se utiliza como constituyente para laformacion de la estructura celular, y el carbono se utiliza como fuente de energia.

2. Relacien Carbono-Nitrogeno (C / N).Los microbios siempre consumen estos elementos en determinada proporcion, medidos

por la relaci6n carbono-nitrogeno (C I N) que contiene la materia organica. Existen muchoscriterios en 10 referente a esta relacion, pero se reconoce en general como aceptable una relaci6nC IN de 20-30:1.

Las excretas de humanos y de animales son ricos en nitr6geno, con una relaci6n C I Ninferior a 25:1, durante la fermentaci6n tienen una mejor velocidad de biodegradamci6n y degeneraci6n de gas; en cambio los residuos agricolas son ricos en carbo no, can una relaci6n C I Nsuperior a 30: 1, pero con una generaci6n mas lenta de gas en el proceso de digesti6n (CuadroN>2) . Cuadro N2 Relacion carbona a nitrogeno de las materias

nrimas emnleadas corrientemente (anroximacie)Materias Primas Conteoido de carbona Conteoido de oitrogeno Relacion carbonade las materias primas de las materias primas por a oitrogeooper peso (%) peso (0/.) (C/N)Paja seca de trigo 46 0.53 87:1Paja seca de arroz 42 0.64 67:1Tallo del maiz 40 0.75 53: 1Rojas secas 41 1.00 41: 1

Estiercol de aves 41 1.30 32:1Pasto 14 0.54 27:1

Cacahuetes tallos y hojas 11 0.59 19:1Estiercol fresco de oveja 16 0.55 29:1Estiercol fresco de vaca 7.3 0.29 25: 1Estiercol fresco de caballo 10 0.42 24:1Estiercol fresco de cerdo 7.8 0.60 13:1Excretas frescas humanas 2.5 0.85 2.9:1

Estiercol de aves 15:1


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16En general las materias primas ricas en carbono producen mas gas que las ricas en nitr6geno, asimismo es mas rapida la producci6n de gas a partir de materias primas nitrogenadas (excretas), quelas ricas en carbona (paja y tallos). Mientras en los primeros 10 dias de fermentaci6n las materiasprimas nitrogenadas generan de 34.4%-46% del total de gas producido, las ricas en carbono soloaportan el 8.8% (FAD, 1986a,b).

Por ella para conseguir un buen rendimiento de gas en forma constante durante lafermentaci6n, es conveniente combinar proporciones adecuadas de materiales con bajo y altorendimiento y de distintas velocidades de generaci6n; tambien es conveniente agregar las materiasprimas ricas en nitr6genos a las materias primas de alta relaci6n C IN, a fin de bajar esta relacion.Por ejemplo, residuos de animales y humanos se aplica a la paja y a los tallos.

La relaci6n C I N se puede calcular aplicando la f6rmula siguiente:K = C1Xl + C2 X 2 + C3 X 3 + '" .. =

Nl X 1 + N2 X 2 + N3 X 3 + ..... LCi XiLNiXiC =Porcentaje de carbono en la materia prima

En dondeN = Porcentaje de nitr6geno en la materia primaX =Peso de la materia PrimaK =C I N de la mezcla de las materias primas

Por ejemplo: se tiene 100 Kg. de excretas de humanos100 Kg. de estiercol de cerdosX Kg. de paja de arroz

l,Cuanta paja de arroz necesito para tener una mezcIa de ellas cuya relaci6n C I N sea de 25: I?Aplicando la f6rmula tendremos25 = 2.5% x 100 + 7.8% x 100 + 42% x X3

0.85% x 100 + 0.6% x 100 + 0.63% x X3Desarrollando ----- X3 = 98.9 Kg.3. Coneentracion de la carga.Para la produccion de gas, tratamiento de los efluentes y operacion del reactor no esconveniente que la carga a degradar este muy concentrada ni muy diluida, se recomienda una

concentraci6n de 5-10%. Sobre la base de los s61idos totales de la carga pueden calcularse laconcentraci6n de los lodos, la cantidad de agua que habra que agregar y las proporciones de loscomponentes; los cuadros ( 3 ) Y( 4 ) nos muestran el contenido de solidos totales de algunosmateriales de carga para los digestores.


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nor e nstituto Industrial de icro bielozla de hanshaiMateriales Renglones Solidos S6lidos Grasas Lignina Celulosa Protein a

totales volatiles eompleja% (TS) ( VS)

Estiercol Frescos % 27.4 20.97 3.15 5.8 8.88 3.0porcino Totales % 100 76.54 1l.5 21.49 32.39 10.95

VS % ---- 100 15.03 28.08 42.32 14.31Estiercol Frescos % 20.0 15.8 0.65 7.11 6.56 1.81vacuno Totales % 100 76.89 3.23 35.57 32.49 9.05

VS % ---- 100 4.20 46.2 42.26 11.77Estiercol Frescos % 68.9 56.64 2.96 13.66 24.83 6.36de aves Totales % 100 82.20 2.84 19.82 50.55 9.56

VS % ---- 100 3.46 24.11 61.5 11.58Paja de Frescos % 88.82 76.41 8.54 11.28 53.25 4.81arroz Totales % 100 86.02 9.62 12.7 59.95 5.42

VS % ----- 100 11.18 14.76 69.19 6.3Pasto Frescos % 15.9 12.93 1.28 1.56 9.1 0.79verde Totales % 100 81.32 8.05 9.8 57.22 4.94

VS % ---- l O a 9.90 17.05 70.36 6.07

Cuadro N3Analisis de los resultados de diversos reeursos efectuados

II M S

Fuente El Biogas, 1986Cuadro N4

Contenido de s61idos totales (en seeo) en materiales defermentaci6n eomunmente utilizados en las zonas rurales

(aproximado)Materiales Contenido seeo (%) Contenido hidrico (% )Paja de arroz 83 17

Paja de trigo seca 82 18Tallo de rnaiz 80 20Pasto verde 24 76

Excretas humanas 20 80Estiercol de cerdo 18 82Estiercol de vaca 17 83Orina humana 0.4 99.6Orina de cerdo 0.4 99.6Orina de vaca 0.6 99.4

Fuente: El Biogas. 1986


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184. La temperatura.Es uno de los factores que tiene mayor relevancia en el proceso anaerobico, ya que define

las zonas en donde el proceso puede lIevarse a cabo ya sea por la latitud y/o la altura. Tambienella es vista como el factor en potencia para aumentar la eficiencia de los sistemas, principalmentecuando de saneamiento se trata (TAYLHARDAT 1989).

La temperatura afecta e l tiempo de retencion para la digestion y degradacion del materialdentro del digestor, la degradacion se incrementa en forma geometrica con los aumentos de latemperatura de trabajo, ademas se incrementa la produccion de gas, (Ver Figura N2) y cuadro(5) y (6)

Cuadro 5Rendimiento de gas en digestores pequenos rurales a

distintas temperaturasMaterial de carga Temperatura Produccien de gas

C'C) ( m3 / m3 x dia)Paja de arroz + estiercol 29-30 0.55

Porcino + pastos 24-26 0.21Porcino + pastos 16-20 0.10Porcino + pastos 12-15 0.07Porcino + pastas menos de 8 escasa

Cuadro 6Rendimiento de gas con materiales empleados

comunmente a distinta temperaturaMateriales Mesoffiico ( 35C) Ambiente ( 8-25C )

Estiercol de cerdo 0.42 0.25-0.3Estiercol de vaca 0.3 0.2-0.25Estiercol de humano 0.43 0.25-0.3

Paja de arroz 0.4 0.2-0.25Paja de triga 0.45 0.2-0.25Pasto verde 0.44 0.2-0.25

Una forma de aumentar la eficiencia del sistema es calentado el efluente, para ello se haeecircular agua caliente por un serpentin colacado dentro de la camara de fermentacion, tambien seutiliza bujias de calentamienta, pero tienen el inconveniente que el calor no se distribuyeuniformente en el efluente, Finalmente el cicIo digestivo al ser mas rapido a altas temperaturas,determina que la capacidad del digestor debe ser mayor a menores temperaturas que a altastemperaturas.


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Figura Na2 Efecto de la Temperatura YTiempo de Retencion sobre IaProduccion de Gas

0,066

5 10 1 5 25 30

TIEMPO DE RETENC:Ot'; (DIAS l

Fuente: Golueke ( 1977 ), Citado por Moreno, 1 . ( 1988 )


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205. Valor del pH.EI valor 6ptimo para la digesti6n metanogenica es de 6.5-7.5, cuando baja de 5 6 sube de

8 puede inhibir el proceso de fennentaci6n 6 incluso detenerlo. Normalmente cuando se trabajacon residuos domesticos y agropecuarios, la dinamica del mismo proceso ajusta el pH.

EI pH se puede corregir en forma practica, de la siguiente manera:Sacando freeuentemente una pequefia cantidad de efluente y agregando materia primafresca en la misma cantidad y en forma sirmiltanea.Cuando el pH es bajo se puede agregar fertilizante, cenizas, agua amoniacal diluida 6 una

mezcla de ambos y lieor fennentado.6. Promotores e inhibidores de Ia fermentaci6n.Los promotores son materiales que pueden fomentar la degradacion de la materia

organica y aumentar la produeci6n de gas; entre ellos tenemos enzimas, sales inorganicas, sepuede emplear urea, carbonato de calcio (CaC03). Los inhibidores, son aquellos factores, queinhiben la actividad vital de los mierobios.

Entre los promotores de la fennentaci6n hay diversos tipos de materiales entre ellosenzimas, sales inorganicas. Cuando se carga el digestor, es util agregar celulosa para promover elproceso y la producci6n de gas.

La Urea y el carbonato de calcio han dado buenos resultados. EI primero acelera laproducci6n de metana y la degradacion del material, el segundo es util para la generaci6n de gas ypara aumentar el contenido de metano en el gas.

En relaei6n a los inhibidores. Por la naturaleza biol6gica del proceso son muchos losfaetores que afectan la aetividad de los microorganismos. La alta concentracion de acidos volatiles(mas de 2000 ppm en la fermentaci6n mesofilica y de 3600 ppm para la termofilica). La excesivaconcentraci6n de arnoniaco y nitrogeno, destruyen las bacterias, todo tipo de productos quimicosagricolas, en especial los t6xicos fuertes aun en intimas proporciones podrian destruir totalrnentela digesti6n normal. Muchas sales como los iones metalicos son fuertes inhibidores. Van Velsen yLettinga, (1980) FAD, (1986). En el Cuadro N7 se indican las concentraciones inhibidoras dealgunos inhibidores comunes:


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Concentracion inhibidora de inhibidores comunes

Inhibidores Coneen tracioninhibidoraS04 5000 ppm.NaCl 40000 ppm.

Nitrato ( Segun contenido de nitrogeno) 0.05 mg. / ml.Cu 100 mg. II.Cr 200 mg. / 1 .N i 200500 mg. / l.CN 25 mg. / l. mg. / 1 .

Detergente sintetico 2040 mg. / I.Na 35005500 mg. / I.K 25004500 mg. /1 .Ca 25004500 mg. /1 .

10001500 mg. / l. 10001500 mg. / I.Fuente: FAO, 1986.


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22V. PROCESOS DE DIGESTION PARA TRATAR LOS RESIDUOS ORGANICOS

La digestion para degradar los residuos organicos y/o producir biogas en un procesomicrobiano, por 1 0 que se necesita condiciones ambientales propicias y un manejo adecuado paraque funcione eficientementeel sistema, desde que se carga el digestor hasta la produccion del gasy salida del efluente. Existen muchos procesos para tratar los diversos residuos organicos, loscuales dependen de las condiciones de diseiio del sistema, como de los propios digestores y delmodo del sistema, como de los propios digestores y del modo d presentaci6n de los substratos aser fermentados.

En este sentido los procesos pueden ser c1asificados segun:1. Por la forma de alimentation pueden ser:1.1. Fermentaci6n continua. Cuando la ferrnentaci6n en el digestor es un proceso

ininterrumpido, el efluente que descarga es igual aI material que entra, la producci6n de gas esuniforme en eI tiempo; este proceso se aplica en zonas con ricas materias residuales y digestor detamaiio grande (mayor de 15m3) y mediano (entre 6.3 y 15m3).

La caracteristica mas importante es la alta diluci6n de la carga, de 3 a 5 veces agua Iexcreta y ademas su manejo es relativamente facil, pues 1 0 que se hace es un manejo hidraulico delsistema, que puede llegar a no requerir mane de obra en la operacion si las condicionestopograficas son favorables.

EI digestor se carga diaria 0 interdiariamente adicionando nuevas cantidades de lodosfrescos.

Esquema del Proceso

Insumo Digestor ProductosDesecho organicoalta dilucion

Material liquidoMicroorganismos

BiogasBioabono liquido

Tiempo de RetentionFuente: Tomado de Jacome ( 1990)

1.2. Ferrnentaci6n semicontinua. La primera carga que se introduce, consta de grancantidad de materiales; cuando va disminuyendo gradualmente el rendimiento del gas se agregannuevas materias prirnas y se descarga el efluente regularmente en la misma cantidad.


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23EI sustrato a degradar ocupa un volumen en el digestor (80%), mientras que el resto del

volumen (20%) es reservado para realizar cargas continuas diarias 0 intermedias, a medida que vadisminuyendo gradualmente el rendimiento del gas.

Esta operaci6n reune las ventajas y desventajas del batch, pero en el caso del bioabono,por la adicion continua de materia rica en nutrientes incrementa aun mas su calidad.

Una forma de operacion podria ser: se incorpora al digester una carga batch de pasto 0restos de cosecha y la carga continua es con excretas de porcinos 0 humanos.

Debido a que el suministro de lodos frescos no es constante el proceso se hace bastantelargo, por esta razon en la practica se acelera mediante 1a utilizaci6n y el control de factoresfavorables.

1.3. Fermentacion por lotes, Los digestores se cargan con material en un s610 lote, cuandoel rendimiento de gas decae a un bajo nivel, despues de un periodo de ferrnentacion, se vacian losdigestores por completo y se alimenta de nuevo.

Tambien se conoce como operaci6n "Batch", todo adentro todo fuera.EI material de carga se caracteriza, por una alta concentraci6n de solidos, el cual debe ser

adecuadamente inoculado, sobretodo cuando se ferrnentan materiales vegetales. Las ventajasoperativas es que el proceso una vez iniciado llega al final sin contratiempos, necesitando mana deobra solo al momenta de la carga y la descarga. La desventaja es que al tratarse de manejo des61idos sobre todo cuando son grandes volumenes requiere mecanizarlo, no obstante hay granproducci6n de gas par unidad de volumen y un bioabono de buena calidad, el proceso es elsiguiente:

Esquema del ProcesoInsumo Digestor Productos

Desecho organicoSolido+~O

Material Solido + ~OMicroorganismos

BiogasBioabono liquidoBioabono solido

Tiempo de RetencienFuente: Tornado de Jacome ( 1990 )


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242. Por la temperatura.Es de suma importancia, puesto que la temperatura determina la formacion de gas en un

tiempo determinado, a menor temperatura mayor tiempo de retencion, pudiendo inhibir laformaci6n del gas.

2.1. Fermentaci6n termofilica: necesita una temperatura de 51-55C, se caracteriza poruna digesti6n rapida, alto rendimiento de gas y un corto tiempo de retenci6n, tiene buenascaracteristicas de desinfecci6n.

2.2. Fermentaci6n mesofilica. La temperatura va de 28-35C, la descomposici6n de lacarga es mas lenta que el anterior con menos consumo de energia.

2.3. Fermentaci6n a temperatura ambiente. La producci6n del gas varia de una estaci6n aotra dependiendo de la temperatura atmosferica tiene la ventaja de que sus estructuras son simplesy de baja inversi6n.

3. Por el mimero de Etapas. Pueden ser:3.1. Fermentaci6n en una sola etapa. Cuando la digesti6n se realiza en un solo dep6sito de

fermentaci6n, su estructura es simple, facil operaci6n y bajo costo, se usa mucho en las zonasrurales.

3.2. Fennentaci6n en dos 6 mas etapas. La digesti6n ocurre en dos 0 mas depositos defermentaci6n. El material de la carga primero se degrada y produce gas en la primera etapa; luegoel efluente de la primera etapa sufre un nuevo proceso de digestion en la segunda etapa. Con esteprincipio se pueden construir digestores de 3 6 4 etapas.

Los digestores de etapas multiples se caracterizan por un largo periodo de retencion,buena descomposici6n de la materia organica y una alta inversi6n.


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25VI. TlPOS DE DIGESTORES METANOGENICOS

La base fundamental para que se cumpla la digesti6n anaer6bica es la de mantener lasuficiente cantidad de lodos activados dentro del reactor, para que al entrar en contacto con elmaterial de carga, las bacterias que existan en ellos puedan ayudar a las fermentaci6n ydegradaci6n de la materia organica, Dependiendo de la forma de contacto entre el material 0sustrato fermentante y la poblaci6n bacteriana dentro del reactor, se definen dos tipos dedigestores anaerobicos.

1.Digestor de mezcla completa.Denominados as! por que el sustrato a ser digerido y los microorganismos encargados de

su degradaci6n se encuentran formando una sola unidad, dentro del cuerpo del digestor,originandose la fermentaci6n de la materia organica, como ejemplos de esto tenemos losdigestores rurales, de tacit operaci6n asi como los digestores construidos en Francia, China y laIndia. Los modelos de digestores clasicos industriales son esencialmente de tipo de mezclacompleta con una recirculaci6n del liquido en suspensi6n y con agitaci6n mecanica.

2. Reactores de mtro anaerebico, lechos expandidos y fluidizados y las unidadesU.A.S.B. (Upflow anaerobic sludge blanket)Todos estos reactores estan basados en la tendencia que tienen las bacterias,

especia1mente las metanogenicas a fijarse sobre superficies solidas.La carga incremental en un reactor de flujo continuo sin retenci6n de microorganismos y /

o materia organica ocasiona un lavado y por 1 0 tanto una disminuci6n del proceso ya iniciado. Deahi que se han intentado algunos mecanismos (Ver figura N3) en los cuales se busca separar loss6lidos del efluente y recargarlos al cuerpo del reactor 0 tambien retomar parte del etluente consolidos en suspension al cuerpo del mismo. En los reactores de filtro fijo, las bacterias se adhierensobre soportes estacionarios y especialmente provistos para tal fin, en cambio en las u.A.S.B. yreactores similares, la adherencia se da entre las propias bacterias formandose tl6culos que tienenla capacidad de sedimentar a velocidades superiores que la velocidad neta del liquido, Silva(1991).

EI sistema que ha obtenido exito en el medio rural es el digestor con filtro anaerobicodonde el agua residual al entrar en el digestor se Ie hace pasar a traves de una cama de soporte dematerial poroso inerte, que contiene gravas, rocas, carbon activado, ladrillos triturados, sepiolita,conchas marinas HUYSMAN (1998) WILKIS (1984), 0 rnultitud de materiales plasticos, comoanillos de P.V.C. 6 de Poliuretano (espuma) (paris 1986); silicatos: Saponita, mantmorillonita,etc.

EI filtro aner6bico tiene la caracteristica de aumentar el tiempo de residencia de losmicroorganismos en su interior, por estar formando por una matriz que posee una mayorsuperficie de contacto, donde se fijan las bacterias metanogenicas.


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26Figura N3Unidades de Tratamiento Anaer6bico

UUJOO[UOIO DU'A CA0 0

r"ASLlLIISPJA/S[rnr.,W~R. -,'! \ H- lIWmEHJ.~ . \ i,. I~ t t . J ) D VII I

IKTUJ IX t [ trun : o J t N A [ R O B I O r K O ( E S O ( 'J iA U O E I O H ~ t o S ~ E to~ J E f l . .U J O I l 3 : E N H J l T E

M C l C l o CH~ -t CO l~ = = = = = = = = = = = = v = ~ = =~dt lU .ducubiHlo~l~it~o~r_ ~~ Im u c J o d o - E f l u e n t t

M C l C l o

Effll,nlc

-aPROCESO t o" vUICIOH . 4 .l

U((SO t Y . . lodo~ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ~ ~ - - - - - - - - - -

e ci tc vl oc ion d t lodofhOCES~ lU .[ Ic0 510 D( COI\H.CTO

f Fillro,o 0

---0---- - - - - - - - - - - - - - - - ]- - - - - - M a n t o- d e I tX J o- 0-----0-

-t.ULlC r . l e .

mHO AtlHROflO UtilOAO V A H

Fuente: Tornado de cubillos 1985


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27Con estos procesos de biomasa retenida, se consiguen tiempos de retenci6n de solidos

entre lOy 100 veces mayores que en los digestores convencionales de mezcla completas. Con 1 0cual se obtienen tiempos hidraulicos de retenci6n notablemente inferiores y permiten unincremento en la cantidad 0volumen de carga a degradar.

Estos reactores son operados basicamente en forma continua con cargas diarias 6interdiarias, en las cuales el material a fermentar se encuentra suspendido en la solucion.


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28VU. COMPONENTES Y CLASIFICACION DE LOS DIGESTORES

1. Componentes de un Biodigestor.EI digestor que es una planta de ferrnentacion anaerobica, para la fabricacion de biogas,

esta compuesto por las siguientes partes:- Tubo de entrada de materia organica,- Camara de fennentaci6n 0 cuerpo del Digestor.- Camara de dep6sito de gas.- Camara de salida de materia estabilizado 0 fermentada ...,Conducto de gas, lleva el gas para ser usado.- Tapa hermetica,- Gasornetro (Ver figura N4)2. Clasiflcacion de los Digestores Rurales.Por sus forma y estructura los digestores pueden agruparse en los siguientes disefios.2.1. Seg(ln el almacenamiento del gas pueden ser:- Cupula fija (figura 5)

- Cupula movil (figura 8)- Con dep6sito flotante, 0 de presi6n constante (figura 6).- Con gas6metro de Caucho 6 materia] plastico en forma de Bolsa (Figura 7),

2.2. Sewn su forma geometrica. pueden ser:- Camara vertical cilindrica (figura 9)- Camara esferica (igura 10)- Camara ovalada (figura 11)- Camara rectangular (figura 12)- Camara cuadrada (figura 13)

2.3. Por los materiales de construccion pueden ser de ladrillo, de mamposteria, dehormigon, de hormig6n armado y de plastico.

2.4. Sewn su posicion respecto ala superficie terrestre pueden ser:Superficiales (ver figura 8)Semienterrados (ver figura 13)Subterraneos (ver figura 10)

2.5. Modelo de digestores.Existen muchos modelos entre los mas populares tenemos "EI modelo Chino", "EI ModeloIndio", t'EI Modelo Olade de Guatemala", I IEI Modelo Xochicalli". Los modelos "Plasticos

Tubulares y "Rectangulares", los materiales con que son construidos varian desde mamposteria,prefabricados, hasta metalicos de diferentes aleaciones; 1 0 importante es que esten bienconstruidos, para que se pueda cumplir el proceso,


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" .

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~13

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----\1 2 .IS

---+---9--

,,---3Fig. 4 - IEsquemo operotivo del sistema Biodig9stor - Gasomelro

I~uborlo QUl !l conduea a\ 2 - LLove rOQulcdoro dcl 3 - BiodlQe,tor 4 - Tuber io QUI) ccndvcs et 5 - MOr'lguero flexibl flQO! Iuer o del diQe~lor uso del QO" (cuerpo) QO' 01 Qosomelro

6- Tuborla de entroda y 1- eorro, guios del 8 Gosometro 9 - TonQua de o cuo sObra 10-Tuberto de di, rribu~il)r'Isal ida del oo!omatro ,oosometrC!. 10 cuot f1o.to el QO!omatro del 00'

11-Monoml!lro 1 2. Camara de sal idad el m at er i al 1 3. Tubo deentrada 1 4. T ap a H er me ti ca 15. Camara de depsi to de gas.

00. . .Ill. . . .fII=,= .QC I.


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30

F i g . 5 D i g e c { O I de Cupula f l Jo .

- : 1 ,: ~ - _ = -:_z---- ~//~,

FlO 6 Di2utO! con depchlto flotonll de Qoa.

Figura 7. Digestor con gas6metro de Phisticos 0 caucho en forma de BoisaFuente: Tornado de Juan Moreno 1888


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I. Tubo de entrada de materia2. Camara de fermentacion3. Camara de deposito de gas4. Camara de salida

- . . . . , v

- 31

FIGURA N 8Digestor de Cupula M6vil

Fuente: Elaboracion propia-,

3

FIGURA N 9Digestor Cilindrico

Fuente: Tornado del Biogas 1986

FIGURA 10Digestor Esferico


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-2

1---..-.,- ---- --y

-/

32

3

2FIGURA N 11Digestor Ovalado

Fuente: Tornado del Biogas 1986

FIGURAN12Digestor Rectangular

Fuente: Elaboracion propia

3- -

2

FIGURA N 13Digestor Cuadrado

Fuente: Elaboraci6n propia


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332.5.1. Modelo Chino. Este modelo esta muy difundido en China, es un digestor de cupula

fija en forma cilindrica, enterrados con camaras de Hidropresion (ver figura 14).La estructura puede ser de hormig6n, de ladrillos, bloques y adobes, se Ie puede adicionar

el gas6metro. Este digestor por estar enterrado favorece el proceso fermentativo, con pocainfluencia por los cambios de temperatura, la desventaja que presenta es que la presi6n del gas esvariable dependiente del volumen acumulado.

2.5.2. Modelo Indio. Es originario de la India y se ha difundido mucho porque mantieneuna presion de trabajo con stante, generalmente son verticales, con el gasometro incorporado (por10 que se llama digestor de Cupula Movil), la estructura se construye de bloques y concreto, y elgas6metro es de acero, 1 0 que 1 0 hace costoso.

El t'Gasometro'' posee una camisa que se desliza en un eje y 10 mantiene centrado para queno rose con las paredes ni escoree, este eje descansa en una viga transversal de concreto armadoenjaulado.

Estos digestores son de alimentaci6n continua, se construyen generalmente enterradosquedando la cupula sin gas en un nivel cercano ala superficie del terreno. (ver figura 15).

2.5.3. Modelos Horizontales. Se habla de digestores horizontales cuando estos noprofundizan en el suelo, son de forma rectangular, aunque pueden ser cuadrados, se caracterizanpor ser en su rnayoria de concreto armado debido a las presiones que estan sometidos. Su uso esgeneralmente para el saneamiento de descargas cloacales, ya que su conformaci6n alargadagarantiza que el etluente al salir del cuerpo del digestor, debido al flujo piston y al tiempo deretencion sean debidamente degradados.

Estos digestores llevan generalmente en la parte superior una pequefia cupula metalicadesmontable que sirve de boca de visita, la presi6n se control a por el sella de agua, ademasrequieren gas6metro adicional debido a la poca capacidad de almacenamiento de la cupula y elcuerpo del digestor (Ver figura 16).

2.5.4. Modelos Batch por lotes. Estos digestores se caracterizan porque se cargan unasola vez, tienen una cupula metalica con selle de agua, la estructura se construye con bloques yconcreto reforzado; la desventaja es que se debe construir obligatoriamente un gas6metro y al seraereos estan afectados por la temperatura ambiental, se utiliza para degradar materias primassolidas, como restos vegetales, desechos solidos organicos, el requisito basico es utilizar unabuena inoculacion, (5 al 10% en base al peso), para garantizar una buena fermentaci6n.

EI rendimiento volumetrico de gas es superior a cualquier digestor continuo (debido atcontenido de solidos totales), igualmente el rendimiento de abonos solidos es elevado; por esoeste metodo permite el tratarniento sanitario de desperdicios organicos, el control satisfactorio detoda c1ase de plagas, asi como la proliferaci6n de moscas, asi mismo la recuperaci6n eficiente yeconomico del metano y la retencion de humus e ingredientes para usa de fertilizantes (ver figura17).


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Figura N 158iodigestor Modelo Indio Capacidad 150m3

Fuente: Catedra de Construccion Rurales UCY 1990


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II0.1 Ii'IV [QI.D tomUI.. 01: VI._1UD..A" ' ~ T A ' 1 1 f t , . ~01'10. Ill: _. "',"COLADuno"HOIlIIO.TALFigura N 16

Biodigestor Modelo HorizontalFuente: Catedra de Construccion Rurales UCV 1990


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SELlO DE AGUA CUPULA FLOTANTE

0 0 0 0 PUERTA DEVISITA0 0 TAPON0 DE0 @ 5 J0 0 0

Figura N 17Biodigestor Modelo BatchFuente: Tayllhardat, 1989


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38YIn. OBJETIVOS EN EL usn DE LA BIODIGESTION ANAEROBICA

La digestion anaerobica puede utilizarse para los siguientes objetivos.1. Para el Saneamiento Ambiental2. Para la produccicn y aprovechamiento del gas3. Para la producci6n de abonos solidos4. Para la producci6n de abonos liquidos5. Desarrollo 0 Introducci6n de la tecnologia6. Con fines conservacionistas1. Para el Saneamiento Ambiental.La finalidad basica es lograr reducir los parametres fisico-quimico y biologicos de las

aguas servidas, domesticas 0 agropecuarias, despues de un periodo de tiempo en los digestores,que pennitan obtener al final un efluente, cuyas caracteristicas y caIidad aseguren una baja 0 nulacontaminacion, medida en valores de DBO, DQO bacteriologico y pueden ser dispuestos al medioambiente sin peligro para los cuerpos de agua receptores finales de ellos.

Se recomienda desde el punto de vista de saneamiento ambiental utilizar los digestoreshorizontales con un eje de recorrido largo del material, el cual contribuye a que el crudo salgaapropiadamente degrado con una DBO muy baja, 1 0 que no ocurre en los digestores redondos,donde por el corto recorrido (diarnetro corto) parte del crudo entrante, puede encontrar en elefluente saliente sin haberse degrado, bajando asi la eficiencia del sistema; tarnbien la experienciadetermina que digestores chinos de mucho diametro son estructuralmente complejos 0 dificiles deconstruir, de igual manera digestores indios de gran diametro, requieren una gran inversion, tantopor la cupula flotante, como por la excavacion, sobre todo cuando se realiza de poco diametro,requiriendo profundas excavaciones.

En los referente a la capacidad de saneamiento de los digestores se han obtenido enVenezuela, reducciones superior a190% en los S.v., DBO y DQO, Silva (1991) y la investigacionse orienta al diseiio y evaluacion de sistemas anaerobicos de alta eficiencia, con la utilizacion defiltros anaerobicos, tendientes a reducir el tiempo de retenci6n hidraulico de la materia prima, quetiene que ver con el tamafio de la estructura del digestor; asi como se esta investigando lareduccion y esterilizacion de huevos de parasites en las excretas; ya existen resultados sobre laesterilizaci6n de huevos de lombrices intestinales y el bacilo de la disenteria.

La secuencia que se sigue en el esquema es:A1macenamiento y distribucion de gas1 1Carga Poluente => Tratamiento => Disposici6n final

1 1 \ 1Digestor

UQuema 6 disposicion de gas al ambiente.


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39Generalmente se trabaja con influentes de baja concentracion de S.T. operados en forma

continua.2. Para la Produccien y aprovechamiento del gasPara lograr una buena produccion de gas es conveniente contar con un adecuado

material de carga, con una relacion de C / N conveniente como se explico anteriormente (vercapitulos sobre material de carga) pudiendose estimar casi la producci6n de gas que se origina; engeneral los materiales de origen vegetal tienen una produccion mayor que las de origen animal, seestima que los pastos rinden un promedio 0,40 m3 / kg. S.T. y las excretas rinden un promedio0,25 m3/kg ST. En el cuadro 8 se exponen algunos rendimientos yen el cuadro 9 la velocidad degeneracion del gas.

Cuadro 8 Rendimiento de gas con distintas materias en diferentes regiones[concentraelen de 6%) (m31 Kg. TS. )

Estlercol Estierco) Estiercol Excretas Pasto Paja Paja Tallo Tallode vaca de de cerdo humanas verde de de de decaballo arroz trigo maiz sorgoInstituto Hebei de 0.154 0.345 0.394 0.432 - - -- - - - - --MicrobiologiaInstituto Liaoning de 0.173 0.243 0.224 - - 0.248 0.394 .392 0.365 0.386recursos energeticosInstituto Shangdong de 0.11 - - 0.48 0.47 - - 0.47 0.51 0.55 --recursos energeticosColegio Pedagogico 0.211 - - 0.423 0.332 0.442 0.395 0.42 0.4 --

del SudoesteInstituto Lisoning de 0.284 0.286 0.313 - - 0.404 0.308 .367 0.454 - -Ciencias AgricolasInstituto Changdu 0.3 0.2 0.405 0.376 0.408 0.418 .435 - - - -de Biogas

Fuente: Biogas ( !986 )


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40Cuadro N9 Velocidad de genera cion de gas a partir de materiales de uso comun

Dias de 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Tasa defermentacion generacion

(m3/Kg. TS)Materiales Porcentaje del volumen total de gas generado ( % )

Excretas humanas 40.7 81.5 94.1 98.2 98.7 100 0.478Estiercol de cerdo 46.0 78.1 93.9 97.5 99.1 100 0.405Estiercol de vaca 34.4 74.6 86.2 92.7 97.3 100 0.300Pasto verde - - -- - - 98.2 - - 100 0.410Paja de trigo 8.8 30.8 53.7 78.3 88.7 93.2 96.7 98.7 100 0.435

Fuente: Biogas (1986)

La composicion del biogas viene dada por el tipo de desecho utilizado y las condicionesen que se procesa. Su cornposicion promedio se resume a continuaci6n (Ver cuadro N10)

Cuadro 10: Composicion Promedio del Biogas

Componentes 0/. en volumenMetano (CH4) .Dioxido de Carbono (COJ .Nitrogeno (N 2 ) .Hidr6geno ~) .Sulfuro de Hidrogeno (S2H) .......

55 - 6534 - 450-3o - 1o - 1

Fuente: De Gouveia y otros, (1988)

El metano es el componente energetico util y del contenido de este depende el valorcombustible del biogas (Poder calorifico 5000 K. call m3 aproximadamente)

Para la producci6n de gas se sigue la siguiente secuencia:Produccion ~ Almacenamiento ~Digestor Gas6metro

Distribucion ~ UsoRedes

En 1 0 referente al digestor, los que producen mas gas son los reactores batch, luego lossemicontinuos y por ultimo los continuos, dependiendo tambien del material de carga y de los


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41volumenes de desechos que se va a tratar; al contrario de los digestores utilizados para elsaneamiento, los tiempos de retencion hidraulico en este caso son mas largos.

2.1. En cuanto ala recoleccion del gas. se utilizan varios metodos:2.1. L Cuando el sistema usa tanques Imnoff (Ver anexo) sale economico utilizar las

camaras de sedimentaci6n para almacenar el gas, se aprovecha el a r e a destinada a la espuma parala liberacion y pequefia acumulacion del gas, mediante una cubierta adecuada.

2.1.2. Cuando las instalaciones tienen digestores separados se presentan los siguientescasos:

- Digestores de cupula fija- Digestores de cupula flotanteEn el primer caso es necesario evitar la formacion de vacio parcial, para esto se utiliza 1 0

siguiente:- Digestores de cupula fija con mezc1a directa de gas a un secundario de cupula movi l ,- Digestor de cupula fija con mezcla directa de gas a un gasometro.Los digestores de cupula flotante constituyen el tipo mas seguro y conveniente pero su

costo es relativamente alto.2.2. En relacion a los Gasometros. Estos se utilizan para regular la presion del gas,

establecen el equilibrio de presion entre la produccion y el consumo.Los gasornetros pueden ser de baja presion y de alta presion.Los de baja presion son del tipo flotante en donde la presion intema se establece por el

propio peso de la estructura flotante, Esta comprension esta entre 7,5 y 30 ern. de columna deagua, en la parte superior se debe colocar una valvula de seguridad para evitar el vacio y e l excesode presion.

Los gasometros de alta presion, son tanques esfericos comercialmente conocidos con elnombre de HORTONS PHERE y son operados a presiones entre 1.5 y 3.5 atmosferas, estosrequieren compresores y equipos de seguridad automaticos de gran efectividad. Estos gasometroscomprimen el gas en un tercio 0 un cuarto de su volumen a condiciones normales, ocupando unarea menor. Para la construccion del gas6metro se utilizan laminas de acero de 6 rnm. a un 114depulgada de espesor y recubierto con pintura anticorrosiva.

Se recomienda almacenar el volumen medio diario de produccicn, sin embargo el volumendel gasometro puede estar entre el 20% y 100% de la produccion media diaria.

2.3. Un aspecto que es necesario resaltar, es 1 0 referente a la distribucion del gas; en estesentido, para llevar el gas desde donde esta almacenado, a los puntos de consumo, se necesita unapresion inicial, que varia de 100 ems. a 10 em. de agua. Cuando se dispone de gas6metro se debetrabajar con presiones bajas, el sistema debe proyeetarse con la mayor sencillez evitando codos yaeeesorios innecesarios, la velocidad para condueir el gas debe estar entre 3-10m I s, Heming(1975)


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422.4. Finalmente, el gas que se genera en el proceso puede tener una amplia gama de

aplicacion, como par ejemplo en calefacci6n, funcionamiento de motores (diesel y a gasolina),ilurninacion, incubadoras de pollos y cerdos recien nacidos, iluminacion, refrigeracion etc. (en lafigura 18-19-20-21-22) mostramos ejemplos de utilizacion).

3. Para la preduccidn de fertilizantes.Como subproductos despues de la generacion del metano y en funci6n a la carga utilizaday al metodo seguido se pueden obtener dos tipos de abonos, liquidos 0 solidos.

3. 1. Liquidos provenientes de digestores continuos de alta tasa de carga, con bajocontenido de solidos totales, (inferior al 12%), el inconveniente de este abono es sucomercializacion por el estado fisico de su presentaci6n.

3.2. Solidos provenientes de digestores hatch 6 semicontinuos, estos producen residuossolidos de buen poder fertilizantes (ver cuadro 11 y 12) y que luego de secados se puedencomercializar sin problemas.

4. Para la introduccien de Ia tecnoIogia.Se refiere a los digestores que se utilizan para realizar investigaciones, sobre diferentes

aspectos del proceso metanogenico 6 para demostraciones practicas, estos digestoresexperimentales pueden ser del tipo bach, continuos 0 semicontinuos; normalmente son de pocacapacidad, ya que no pasan de 2 m e , esto para permitir su facil operaci6n y poder simulardiversos procesos 0 tratamientos, sin embargo la capacidad del digestor dependent de 10 que seesta estudiando; se ubican bien sean en laboratorios, al aire libre a en ambientes cerrados. Paraestudiar 6 simular casos reales se utilizan modelos 0 prototipos construidos mediante el principiade similitud hidraulica 0geometria con la realidad.

5. Con fines conservacionistas.Se trata de preservar y mejorar el medio ambiente ecol6gico, protegiendo los bosques,sustituyendo metano por lena, disminuyendo asi la presi6n sobre las masas forestales, quegeneralmente se observa en el medio rural, debido al deficit de combustible. Tambien ayuda a laconservaci6n del ambiente a tratar en forma adecuada los desechos de origen organico que causancontaminaci6n, acumulaci6n de basuras y proliferaci6n de artropodos, vectores de diferentesenfermedades.


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Figura N 18 Uso del Biogas en el Campo Chino1. Tubo de entrada de materia3. Camara de deposito de gas5. Conducto de gas7. Larnpara de gas9. Porqueriza11. Entrada de materia13. Tapa hermetica con agua

2. CAmara de fermentacion4. Camara de hidropresion6. Estufa de gas8. Uso del biogas como fuerza propulsora10. Bafio ( letrina )12. Salida de materia ( abono )14. Tapa de la camara de hidropresion


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Figura N 19 Cocina comercial ( marca Rivergas) modificada para usa ria con Biogas. UCVFacultad de Agronomia Planta de Biogas

~.

Figura N 20 Una cocina comercial (marca no identificada), y diseiiada para gas licuado.modificada para usarse con biogas. Asentamiento campesino "La Molinera USan Francisco de As!s. Estado Aragua. Venezuela.


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... " )J 'M .i I',. . .1!". "

Figura N 21 Lampara de biogas. Vivienda campesina. Provincia de Sichuan. RepublicaPopular de China

Figura N 22 Lampara de Biogas construida en los talleres de la Facultad de Agronomiauev. Maracay. Diseiio basado en la himpara "Tuojiang D 80-3"


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Cuadro N 11 Resultado de los analisis de efluentes de un digester Modelo Chino ydel Iiquido de digestores BatchDigestor P %N Ca Mg K Zn Cu Fe Mn(ppm) (ppm) (ppm) (ppm) (ppm) (ppm) (ppm) (ppm) (ppm)ChinoI 475 0.039 117.3 200.4 283.8 0.02 0.10 0.10 0.05Batch' 450 0.022 314.3 274.2 187.3 0.67 0.10 0.10 0.05Batch' 145 0.034 121.5 85.3 186 0.02 0.10 0.10 0.05Tanque" 437 0.006 67.0 65.8 115.2 0.88 0.10 0.10 0.05Fuente: Planta de Biogas. DCV Facuitad de Agronornia

1.En base a excretas de conejo2. Pulpa de cafe, con un 5% de inoculaci6n3. Pulpa de cafe, con 1%de inoculo ( Hubo que reinocular )4. Pasto y excretas porcinas (Aprox. seismeses almacenado )

Cuadro N 12 Valores comparativos de los nutrientes presentes en el SubproductoSolido de digestores Batch provenientes de dos materias primasdiferentes.Materia %N %P %K % Ca O/OMg Cu Fe Zn MnPrima (ppm) (ppm) (ppm) (ppm)Pasto 1.35 0.94 0.03 0.17 0.02 75.1 10125.32 580.02 795.85Puipa de 1.30 0.12 0.08 0.14 0.03 25.0 8110.72 92.04 299.18cafe

Fuente: Planta deBiogas UCv. Facultad de Agronomia


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IX. SECUENCIA DE ACTIVIDADES PARA OPERAR LOS DIGESTORESSe debe procurar un ambiente estrictamente anaerobico, ya que las bacterias

metanogenicas son muy sensibles al oxigeno y expuestas al aire, aunque sea por un par de minutosrnoriran; sera dificil la digesti6n en presencia inclusive de rasgos de oxigeno, por ella el digestordebe estar perfectamente sellado.

La secuencia de actividades en la operaci6n de los digestores es la siguiente:1.Prueba de los nuevos digestores y mantenimiento de los antiguos.Es necesario examinar detenidamente los nuevos digestores, para comprobar que no

tienen fugas ni filtraciones, deben verificarse y probarse antes de ponerse en marcha. Cuando undigestor ya tiene mas de un afio de uso, se Ie debe hacer mantenimiento verificando suimpenneabilidad y sellado.

2. Preparacion de la cargaSobretodo cuando utilizamos digestores Batch, se debe reunir material suficiente con 20 6

30 dias antes de empezar el proceso, los tallos y otros residuos agricolas deben picarse en trozosde 2 a 9 ern. antes de alimentar el digestor; si es posible se debe machacar, moler 0 licuar; estosmateriales almacenados por un tiempo, al sacarlos y tratarlos termicarnente favorecenampliamente la fennentaci6n.

En algunos casos, como las excretas de aves, que contienen un alto contenido deamoniaco, 0 residuos vegetales poco degradables, como cortezas de arboles 0 conchas decereales, se acostumbra tratarlas previamente con sustancias quirnieas adecuadas (sales).

- En regimenes continuos cuando se trabaja con excretas de animates, humanos, 0descargas domesticas, mayonnente no requieren preparaeion, sin embargo es conveniente analizarque no tengan inhibidores del proeeso, ni que tampoco tengan muehos elementos en suspensi6n yque no esten tan concentradas.

3. Verificacien de la concentracien y de la relaclen C I N.Como se dijo, la concentraei6n debe estar entre 5-10% y en relaei6n C I N, cuando se

busea produccion de gas, debe estar en el rango 20-30:1; para verifiear la concentraei6n se puedeapliear la siguiente relaci6n:

Mo= W2 x 100WI

Mo =Concentraci6n de s61idos (%)en donde WI =Peso de la muestraW2 =Peso de la muestra 105C

- Cuando la materia prima es compuesta se aplieaMo = 1 : Xi Mi x 100

1 : XiMo = Coneentraci6n s6lidos en la materia prima eompuestaXi =Peso de la materia primaMi =Concentraci6n de solidos para una sola materia prima

(%)


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- Para calcular la cantidad de agua en la materia prima compuesta se aplica.MO=L XiMiLXi+W

W =Peso del agua a agregar

4. Llenado del digestor- En el tipo batch tenemos:Se puede mezclar en el suelo, los residuos agricolas (cortados) con los excrementos, el

inoculo (material de arranque) y el agua, luego se uniformiza y se llena el digestor.Si no fuera po sible esta operacion se puede cargar el digestor por capas alternadas y no

muy gruesas de materias primas e inoculo, tallos en la primera capa, luego excretas y acontinuacion del inoculo; las capas se deben comprimir.

En algunos casos cuando no hay inoculo, se debe dejar fermentar la materia prima porespacio de 1-2 semanas y luego se introduce al digestor. La mezc1a se introduce por la cupula,aplastando cada capa.

Despues de lIenado el digestor se deja en cornpostacion de 1-3 dias, no debe cerrarse eldigestor en esta etapa para que pueda desarrollarse la digestion con bacterias facultativas yaerobicas,

Cuando la temperatura llega a 40-60C (a los dos dias) se agrega agua por las bocas detoma y salida. AI terminar esta operacion se detennina el pH de la masa de fermentacion (con unpapel universal para pH)

EI digestor puede sellarse con su cubierta m6vil cuando el pH sube a 6, sino alcanza estevalor sera preciso ajustar la acidez, agregando cenizas, agua amoniacal 0 incluso cal hasta quellegue a 7 y entonces se puede tapar el digestor.

Despues de sellar el digestor deben terminarse de instalar las griferias, conexi ones para elgas, asimismo la Have de paso debe estar cerrada.

Recomendaci6n. EI inoculo puede ser aguas municipales, lodos del fondo de los lagos,lagunas y estercoleros, los lodos de mataderos y de fabricas de alimentos ofrece un mediofavorable para los microbios metanogenicos, tambien se puede utilizar lodo activo de lasalcantarillas y lodo del propio digestor. EI inoculo debe ser el 10-15% del volumen que se va allenar y del 30% cuando proviene del mismo digestor.

Despues de cierto tiempo de descomposicion, los excrementos humanos, de animates yotras materias primas de fermentacion, asi como material de carga descompuesto conanterioridad, mas un lodo activo, pueden servir como material de arranque.


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49= En el digestor continuo tenemos: La carga inicial, en este caso se inocula preferiblemente

con aguas de lagunas de oxidacion; el manejo se limita a un manejo hidraulico del sistema; parallenar el digestor se calcula la carga diaria que viene dada por:

Volumen de cargadia Volumen carga de FermentacionTiempo de retencionEl tiempo de retencicn se estima en funcion de la reduccion diaria del sustrato, y es el

tiempo que va a estar dentro del reactor la carga diaria que se introduce, antes de su disposicionfinal.

Cada dia se introduce la carga diaria por la camara de entrada, la cual al llegar a la camarade fermentacion va a desplazar, mediante el principio fisico de flujo piston, un volumen de materiaestabilizada que va a salir por el tubo de salida.

5. Produccion de gas.A los 2 0 3 dias se empieza a producir gas, pero inicialmente tienen un alto porcentaje dedioxide de carbono, cuando los gases de escape permiten tener una llama continua ya esta listo

para su uso.- En el caso del digestor continuo se debe esperar a que el digestor este en regimen, se

considera que esta en regimen cuando el volumen de gas que se produce diariamente se haestabilizado, se considera que est a estabilizado cuando existe una variacion diaria de + 0 - 25%

El gas producido se debe almacenar en un gasometro 0 se debe quemar 0 vertirlo al mediaambiente despejado.

6. Duracion de la digestion:En el caso Batch. La produccion de gas aumenta al inicio del proceso, hasta alcanzar un

maximo y finalmente decrece, cuando gran parte del material ha sido descornpuesto; el cicio durade 1 a 2 meses.

En el caso semi continuo. Se agregan nuevas materias primas cada 5-6 dias. en unvolumen que eguivale al4 05% del volumen total.

En el caso continuo. Se debe cargar todos los dias: la digestion dura mientras dure elproceso.

7. Descarga.Antes de descargar el digestor se debe sacar todo e l gas remanente que tenga dentro,

luego se quita la cubierta para hacer la limpieza.Se debe dejar el 10% del lodo del fondo 0 de 10-30% del efluente como inoculo.8. Actividades Cotidianas- Se recomienda lIevar un control de la temperatura, para ello se puede utilizar un medidor

de resistencia (multitester) u otro metodo.


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50- Tambien se debe lIevar un control de las presiones generadas en el proceso, medido en

em. de agua a fin de evitar dafios al sistema por el exceso de presion.- Observacion frecuente de los dispositivos del sistema para detectar fugas, filtraciones 0

conexi ones dafiadas para su reparaci6n inmediata.- En los digestores batch se debe colocar una lamina de aceite de un (1 cm.) de espesor,

para proteger la cubierta contra la corrosi6n.- En los digestores experimentales 0 para investigaciones especificas, se debe lIevar uncontrol de la eficiencia del sistema, medido en reducciones de los parametres como DBO, DQO,S.T, S.V, S.F, coliformes, etc. en funci6n al objetivo que se busca.


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x . DISENO DE BIODIGESTORESEI diseiio de los digestores debe responder tanto al lugar como el grado de aplicaci6n y a

la finalidad de la tecnologia. Conociendo la regi6n, la localidad, y el lugar donde va a estarubicada la planta, y en funci6n al material de carga que se dispone y que se va a tratar, 0 deacuerdo a las necesidades de producci6n, se seleccionara el sistema de digesti6n mas adecuado,de acuerdo a una secuencia 0 flujo que permita tener una idea clara del tamaiio y forma deldigestor necesitado.

E I d is efio abarca una serie de actividades que van desde la etapa preliminar hasta e 1 calculode materiales y grafica. Se recomienda la siguiente secuencia:

1. Recolecci6n de informaci6n de la zona en e stu d io ; in fo rm a cio n socio-econ6mica y delclima para hacer uso del sistema.

2. Precisar, el objetivo, el regimen de operaci6n y selecci6n del tipo de digestor masfactible de realizar en la zona en estudio.

3 . Espec if icac iones para el diseiio de Biodiges tores .3 .1 . C alc ulo de la camara de fermentacion.3.2. Altemativas de la materia prima a utilizar, demanda, tipo etc.3.3. Filtros anaer6bicos, para el medio rural.3.4. Volumen de la camara de carga y descarga.3.5. Gas6metro.3.6. Requerimiento de materiales de construccion (infraestructuras),3.7. Computes metricos de las instalaciones, espesor de pisos, nurnero de columnas,

altura, diametro de la c am a ra de fermentaci6n, etc.3 .8 . R e p re se nta cio n g ra fic a y dimensiones del modele (pIanos).1. Datos de la zona en estudio.Este punto abarca recolectar la siguiente informaci6n:- Sobre la ubicaci6n politica de la zona, las caracteristicas geograficas, las condiciones

climaticas de la region,- Sobre los medios de vida de los habitantes, la tipologia familiar, los servicios publ icos ,

las condiciones de la vivienda etc., que existen en ellugar.- Sobre los servicios sanitarios, las condiciones sanitarias generales de la localidad, el

abastecimiento de agua, la disposicion de basuras y de excretas, etc.- Demografia y catastro (N de habitantes).- Sobre, el suelo y su bsu elo , la informacion referente a las caracteristicas y calidad delterreno, la altura de la mesa de agua.- Sobre las descargas y donde y como se descargan las aguas servidas.- Sobre la producci6n agricola y pecuaria mas importante de zona y que tenga relaci6n

con el disefio.


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52Esta informacion es indicativa ya que depende del objetivo de la tecnologia y de su

ubicacion; cuando se trata de Saneamiento se debe buscar 0generar datos sobre las caracteristicasde las aguas servidas, asi mismo se deben analizar los cuerpos de aguas receptores de elias, etc.

2. Para la seleccion del modelo de digestor mas factible a realizarEs conveniente relacionar el objetivo y el regimen de operacion, con los recursos tecnicos,economicos y de materiales con que se cuenta en la zona.3. Especificaciones para el diseiio de biodigestores3.1. Calculo de la camara de fermentacion3.1. 1. Con fines de saneamiento~ se aplica la siguiente relaci6nV.C.F. = V.C.T. + (5 - 10)% V.C.T.V.C.T. =T.R.R. X V.C.D.V.C.F. =Volumen de la camara de fermentaci6n.V.C.T. =Volumen de la carga totalT.R.H. =Tiempo retencion hidraulicoV.C.D. =Volumen carga diariaEI V.C.T. Maximo de entrada equivale a195% del V.C.F.

- T.R.R. representa el tiempo que el efluente esta dentro del digestor; Van Helsen yLettinga (1980), sugieren para la digestion de desechos con una concentracion de s61idos totalespor encima del 5% un digestor de flujo continuo con un tiempo de retenci6n de 10 dias yoperando en condiciones mes6filas. Cuando la concentraci6n de s61idos totales es muy baja,(0.75% - 1.5%), se debe mantener una suficiente cantidad de lobos activados dentro del digestor,para esto se utilizan los filtros anaer6bicos ya explicados anteriormente; los filtros aumentan lacapacidad degradativa del digestor y permite reducir el T.RH; con 5 dias de T.RR. se hanconseguido reducciones del contenido de S.T, S.V., D.Q.O, por encima del 90% de su valor, porella el centro de Biogas de la V.C.V. recornienda T.R.R. de 5 dias, usando fi1tros anaer6bicos.

- V.C.D. Volumen de carga diaria: Para el caso de aguas domesticas el gasto prornediodiario, se debe calcular siguiendo el metodo aplicado para el disefio de eloacas rurales; en dondeel gasto promedio diario de las aguas servidas se consideran provenientes de tres fuentes, aguasnegras domiciliarias, aguas residuales de industrias e infiltraciones de agua del subsuelo hacia laseloacas; solamente se debe considerar la primera fuente ya que las dos restantes, no sonsignificativas en los asentamientos campesinos. En 10 referente aI calculo de aguas negrasdomiciliarias, se calcuIa un gasto promedio en funci6n de la poblaci6n servida por el acueducto yla dotaci6n percapita dia, esta dotaci6n se multiplicara por e l coeficiente 0.85 (se considera que el85% del agua potable prevista ira a la cloaca una vez utilizada); la resultante no debe ser menor a125 Iitros Zhab / dia neto. Para el calculo de la poblacion futura se debe calcular por tes metodosdiferentes y se tomara el valor promedio (los metod os pueden ser graficos comparativos, graficosde tendencias, metoda aritmetico, metoda geornetrico, metodo de crecimiento de crecientes). Larelaci6n entre la poblaci6n futura y la actual sera como minimo 2,2 de la actual 6 130 personas /Ha; considerando el aporte de aguas negras par persona y por dia de 125 Lt. Yun gasto maximocalculado de 0,188 Lt / seg. / Ha x 2.5 = 0,47 Lt / seg. / Ha (para 6 habitantes por / casa).


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S3

Para el caso de excretas de origen agropecuario, para calcular el gasto promedio diario sehara de la siguiente manera:* Se estima la producci6n diaria de excretas de cada animal y se multiplica por el nurnerototal. * Se calcula la cantidad de agua para limpieza que se gasta en lavar los pisos donde estanalojados los animales (Lt / mt2 x area total)* Se suma otro tipo de agua de desecho que se produce en la explotacion.

3.1.2. Con fines de producci6n de biogas. Los calculos pueden hacerse partiendo de doscriterios.

- Utilizar todos 0 una determinada parte de los desechos organicos originados ydisponibles en un lugar para producir gas de uso variado.

- Producir una cantidad detenninada de gas para satisfacer la demanda para unos usosespecificos, como cocinar, comer, calefacci6n, etc.

Ambos casos dependen de la cantidad de materia prima disponible en ellugar.- Para el calculo del volumen de la camara de fermentacion se aplican las siguientes

relaciones:V.C.F. =V.C.T + 5% V.C.T.V.C.T. = Demanda de Biogas (mtL)= D.B.

Rendimiento de Biogas mt3 / kg. Rend.del desecho organico

- D.B. se ca1cula en base a los requerimientos de combustibles para los equipos, se tomaen cuenta los siguientes parametres:

Biogas = 60% metano + 40% COl* Poder calorifico 4767 K. Cal / m3* Eficiencia de combustion 60%* Poder calorifico efectivo: 2860 K. Cal / m3Algunos datos de demanda de biogas en el medio rural:********

Se estima un consumo diario de gas de 0.2-0.3 m3 percapita.Para una familia varia 4-10 me segun numero de personasCocina domestica -------- 2 m3 / dia (familia de S a 6 pers.)Calentamiento agua ------- 3 mt3 / dia (tanque de 100 It.)Refiigeraci6n alimentos -- 3 mt3 / dia (familia S a 6 pers.)Iluminaci6n 0.1 mt3 / diaUna maquina de 2 HP 0.9 mt3 / horaPara enfriar 90 It. de leche 10m3 / dia


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54Para otros equipos ver cuadro N13

Cuadro N 13 Demanda de Biogas para diferentes usosEquipos Caracteristicas Consumo (m3 I )Lampara Equivalente aprox, a 100 W. 0.09Cocina Por hornilla Standard 0.40Homo 0.44Nevera 1 quemador- 1 inyector 0.15Motor cicio otto 0.45/HPSoplete 0.80Criadora 1500K calorias, por 1 inyector 0.16

Hervir agua a 100C 0.081ltElectricidad 0.62/KWFuente: FAD - Embrater - Mendoza

- Rendirniento puede ser expresado en m3/kg de s61idos humedos, solidos secos, s61idosvolatiles 6 acidos volatiles. Se considera un rendimiento aproximado de:

0,25 m3 Im3 para digestores continuos0,50 m3/l kg. S.T. para digestores Batch0,40 m3 1 1 kg. S.T. para pastos0,25 mt3 I kg. S.T. para excretas* 1 tonelada metrica de residuos produce de 50 a 70 mt3 de gas dependiendo de lamateria organica y de la cantidad de carbono que posee.3.2. Para calcular la oferta de materias primas consideramos el cuadro N 14 V 15.Cuadro N 14 Producci6n de residuos humanos y animales ( Estimado )Productor Peso (Kg.) Producci6n diaria Producci6n Producci6n

de estiercol ( Kg. ) anual de anualdeestiercol ( Kg. ) estiercol ( Kg. )

Cerdo 50 6 15 2.190Vaca 500 34 34 12.410Caballo 500 10 15 3.650Oveja 15 1.5 2 548Ave 1.5 0.1 0 36.5

Humanos 50 0.5 1 182.5Fuente: Biogas. (1986 )


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S5Cuadro N 15 Produccilm de Biogas a partir de desechos de animales y Humanos

Materia prima Biogas Tiempo de Solidos vohitiles(M/Kg. SV) retencion (% )

(dias)Estiercol bovino 0.0158 3S 4Estiercol porcino 0.0315 35 6Estiercol ave 0.05652 35 9Estiercol ovino 0.0245 35 5Estiercol humane 0.02303 35 7Estiercol equino 0.00852 35 3Fuente: Catedra de construcciones rurales ( FAGRO. 198

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