Ministerio de Educación Superior Universidad de Oriente Facultad de Ingeniería Mecánica Centro de de Estudio de Energía Energía y Refrigeración Refrigeración “Fernando Brossard Pérez”
Autores: Dr. Angel Amado Recio Recio.PT. CEER Ing. Antonio Palacios Barrera.PT Ing.Daniel Dinza Tejera.PI. CEER
Santiago de Cuba,19 de Mayo de 2015
C ONTENIDO Capítulo 1. Generalidades .............. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ............................ ................. ... 4 1.1. Introducción .............. ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ............................ ........................... ............. 4 1.2. Breve historia de biogás ............. ........................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ........................ .......... 4 Capítulo 2.- Bases teóricas t eóricas de la digestion anaerobia .............................. ............................................ ............................ ............................. ............................. ................ 6 2.1.-Formación del biogás ............ .......................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ............................ ................ 6 2.2.-Composición química. .............. ........................... ........................... ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ........................... ............. 7 2.3.- Usos del biogás................................. ............................................... ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ........................... ................. .... 7 2.3.1.-Equipamiento para generación de electricidad ........................................ ...................................................... ............................. ......................... .......... 7 2.3.2.-Utilización de los residuos del biogás.............. ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ...................... ........ 10 10 2.4..-Purificación del biogás .............. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ...................... ........ 13 2.5.-Factores Influyentes en la Digestión Anaerobia .............. ............................ ............................ ............................ ............................. ............................ ............. 15 Capítulo 3. Diseño y construcción de las plantas pl antas de biogás ........................ ...................................... ............................ ............................ ......................... ........... 18 3.1.- Explicación de Conceptos .................................... .................................................. ............................ ............................ ............................ ............................ ......................... ........... 18 3.2.-Características del material de fermentación .................................. ................................................ ............................ ............................ ......................... ........... 19 3.3.-Estructura y clasificación de plantas de biogás .................................... .................................................. ............................. ............................. .................... ...... 20 3.4.-Clasificación de plantas de biogás .......................... ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................. ....................... ........ 21
Ventajas de los biodigestores con la laguna de compensación encima de cúpula (Valia, 2005): ..................... .................... 23 3.5.-Cálculos de diseño de un digestor.............. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ..................... ...... 25 3.6.-Especificaciones constructivas de un digestor de cúpula fija ............. ........................... ............................. ............................. ...................... ........ 26 3.6.1.-Selección de lugar de construcción ............................ ........................................... ............................. ............................ ............................ ......................... ........... 26 26 3.6.2.-Preparación de materiales de construcción y la s exigencias : .............. ............................ ............................. ............................ ............. 27 3.6.3.-Preparación del terreno ............. ........................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................ ............... .. 28 3.6.4.-Medidas de construcción : ............ .......................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................ ............. 28
Primer día:
............................ .............. ............................. ............................ ........................... ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ......................... ........... 45
Segundo día.
........................... ............. ............................. ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ....................... ........ 45
........................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................ ............... .. 46 Revisión de la presión de la planta. .............
Tercer día.
........................... ............. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................ ............. 46
........................... ............................. ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ .................. .... 46 Introducción de aire en la planta. ............. 3.7.-Instalación y selección de tuberías de gas y accesorios .............. ............................ ............................ ............................ ......................... ........... 46 .
C ONTENIDO Capítulo 1. Generalidades .............. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ............................ ................. ... 4 1.1. Introducción .............. ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ............................ ........................... ............. 4 1.2. Breve historia de biogás ............. ........................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ........................ .......... 4 Capítulo 2.- Bases teóricas t eóricas de la digestion anaerobia .............................. ............................................ ............................ ............................. ............................. ................ 6 2.1.-Formación del biogás ............ .......................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ............................ ................ 6 2.2.-Composición química. .............. ........................... ........................... ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ........................... ............. 7 2.3.- Usos del biogás................................. ............................................... ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ........................... ................. .... 7 2.3.1.-Equipamiento para generación de electricidad ........................................ ...................................................... ............................. ......................... .......... 7 2.3.2.-Utilización de los residuos del biogás.............. ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ...................... ........ 10 10 2.4..-Purificación del biogás .............. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ...................... ........ 13 2.5.-Factores Influyentes en la Digestión Anaerobia .............. ............................ ............................ ............................ ............................. ............................ ............. 15 Capítulo 3. Diseño y construcción de las plantas pl antas de biogás ........................ ...................................... ............................ ............................ ......................... ........... 18 3.1.- Explicación de Conceptos .................................... .................................................. ............................ ............................ ............................ ............................ ......................... ........... 18 3.2.-Características del material de fermentación .................................. ................................................ ............................ ............................ ......................... ........... 19 3.3.-Estructura y clasificación de plantas de biogás .................................... .................................................. ............................. ............................. .................... ...... 20 3.4.-Clasificación de plantas de biogás .......................... ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................. ....................... ........ 21
Ventajas de los biodigestores con la laguna de compensación encima de cúpula (Valia, 2005): ..................... .................... 23 3.5.-Cálculos de diseño de un digestor.............. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ..................... ...... 25 3.6.-Especificaciones constructivas de un digestor de cúpula fija ............. ........................... ............................. ............................. ...................... ........ 26 3.6.1.-Selección de lugar de construcción ............................ ........................................... ............................. ............................ ............................ ......................... ........... 26 26 3.6.2.-Preparación de materiales de construcción y la s exigencias : .............. ............................ ............................. ............................ ............. 27 3.6.3.-Preparación del terreno ............. ........................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................ ............... .. 28 3.6.4.-Medidas de construcción : ............ .......................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................ ............. 28
Primer día:
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Segundo día.
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Tercer día.
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3.7.1.-Trampas de agua y pendientes de la tubería .............................. ............................................ ............................ ............................. ....................... ........ 48 3.8.-Arranque, operación y mantenimiento de los biodigestores. .............. ............................ ............................. ............................. .................... ...... 48 3.8.-Mantenimiento .............. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ............................ .................... ...... 50 Bibliografía.......................... Bibliografía............ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................ ............. 53
C APÍTULO 1 . G ENERALIDADES 1.1. I NTRODUCCIÓN Se llama biogás al gas que se produce mediante un proceso un proceso metabólico de descomposición de la materia orgánica, el estiércol animal, o la combinación de ambos productos y desechos de los vegetales realizada por acción bacteriana sin la presencia del oxigeno del aire. aire. Este proceso recibe el nombre de digestión anaerobia. anaer obia. La digestión anaerobia es un proceso de degradación de la materia orgánica en ausencia de aire (oxígeno). Este proceso lo llevan a cabo microorganismos anaerobios (siendo por tanto un proceso biológico) que actúan en el interior de un biodigestor. Este biodigestor o reactor no es más que una cámara hermética al aire, en la que se dispone la materia orgánica sin oxígeno para que pueda llevarse a cabo la fermentación. La digestión anaerobia orgánica, en ausencia de oxigeno, y mediante la acción de un grupo de bacterias específicas, se descompone en productos gaseosos o “biogás” (CH4, (CH4, CO2, H2,
H2S, etc.), y en digestato, que es una mezcla de productos minerales (N, P, K, Ca, etc.) y compuestos de difícil degradación El biogás contiene un alto porcentaje en metano, CH4 (entre 50-70%), por lo que es susceptible de un aprovechamiento energético mediante su combustión en motores, en turbinas o en calderas, bien sólo o mezclado con otro combustible. El proceso controlado de digestión anaerobia es uno de los más idóneos para la reducción de emisiones de efecto invernadero, el aprovechamiento energético de los residuos orgánicos y el mantenimiento y mejora del valor fertilizante de los productos tratados. La digestión anaerobia puede aplicarse, entre otros, a residuos ganaderos, agrícolas, así como a los residuos de las industrias de transformación de dichos productos. Entre los residuos se pueden citar purines, estiércol, residuos agrícolas o excedentes de cosechas, etc. Estos residuos se pueden tratar de formas independientes o juntas, mediante lo que se da en llamar co-digestión. La digestión anaerobia también es un proceso adecuado para el tratamiento de aguas residuales de alta carga orgánica, como las producidas en muchas industrias alimentarias.
1.2. B REVE HISTORIA DE BIOGÁS El interés en el biogás como un recurso de energía viable ha extendido a lo largo del el globo en las últimas dos décadas. 1600- Las primeras menciones sobre biogás al ser identificados por varios científicos como un gas proveniente de la descomposición de la materia orgánica. 1776-Volta descubre el metano (CH4) en el gas de los pantanos. 1890 se construye el primer biodigestor a escala real en la India. 1896 en Exeter, Inglaterra, las lámparas de alumbrado público eran alimentadas por el gas recolectado de los digestores que fermentaban los lodos cloacales de la ciudad. 1869-Por primera vez se utiliza el biogás (metano) en un hospital de Bombay – India. India.
Durante los años de la segunda guerra mundial comienza la difusión de los biodigestores a nivel rural tanto en Europa como en China e India que se transforman en líderes en la materia. Tras las guerras mundiales comienza a difundirse en Europa las llamadas fábricas productoras de biogás cuyo producto se empleaba en tractores y automóviles de la época. En todo el mundo se difunden los denominados tanques Imhoff para el tratamiento de aguas cloacales colectivas. El gas producido se lo utilizó para el funcionamiento de las propias plantas, en vehículos municipales y en algunas ciudades se lo llegó a inyectar en la red de gas comunal. Esta difusión se ve interrumpida por el fácil acceso a los combustibles fósiles y recién en la crisis energética de la década del 70 se reinicia con gran ímpetu la investigación y extensión en todo el mundo incluyendo la mayoría de los países latinoamericanos. Los últimos 20 años han sido fructíferos en cuanto a descubrimientos sobre del proceso microbiológico y bioquímico gracias al nuevo material de laboratorio que permitió el estudio de los microorganismos intervinientes en condiciones anaeróbicas (ausencia de oxígeno). Estos progresos en la comprensión del proceso microbiológico han estado acompañados por importantes logros de la investigación aplicada obteniéndose grandes avances en el campo tecnológico. Los países generadores de tecnología más importantes en la actualidad son: China, India, Holanda, Francia, Gran Bretaña, Suiza, Italia, EE.UU., Filipinas y Alemania.
C APÍTULO 2.- B ASES TEÓRICAS DE LA DIGESTION ANAEROBIA 2.1.-F ORMACIÓN DEL BIOGÁS La digestión anaeróbica es un proceso natural que ocurre en forma espontánea en la naturaleza y forma parte del ciclo biológico. De esta forma podemos encontrar el denominado "gas de loa pantanos" que brota en aguas estancadas, el gas natural metano) de los yacimientos petrolíferos así como el gas producido en el tracto digestivo de los rumiantes como los bovinos. En todos estos procesos intervienen las denominadas bacterias metanogénicas.
Fig. 2.1.-Proceso de Digestión Anaerobia La metanogénesis es un proceso que ocurre normalmente en el rumen de los herbívoros y en otros ambientes en ausencia de oxígeno, como pantanos, microambiente de suelos de bosques o praderas. Otra fuente importante de producción de metano es la descomposición de los desechos animales. Con excepción de la madera, que contiene lignina, estas bacterias anaerobias son capaces de digerir prácticamente cualquier material biológico. En este proceso realizado por bacterias, se libera una mezcla de gases.
Fig.2.2.- Proceso de Metanogénesis
La promoción e implantación de sistemas de producción de biogás colectivos (varias granjas), y de co-digestión (tratamiento conjunto de residuos orgánicos de diferentes orígenes en una zona geográfica, usualmente agropecuarios e industriales) permite, además, la implantación de sistemas de gestión integral de residuos orgánicos por zonas geográficas, con beneficios sociales, económicos y ambientales.
2.2.-C OMPOSICIÓN QUÍMICA .
Debido a su alto contenido en metano, tiene un poder calorífico algo mayor que la mitad del poder calorífico del gas natural. Un biogás con un contenido en metano del 60% tiene un poder calorífico de unas 5.500 kcal/Nm3 (6,4 Wh/Nm3. Es decir, salvo por el contenido en H2S, es un combustible ideal.
2.3.- U SOS DEL BIOGÁS El biogás es usado como cualquier otro combustible para uso doméstico e industrial, el prerrequisito indispensable es que exista la disponibilidad de quemadores diseñados especialmente para operar con biogás. Algunos aparatos en los cuales se podría utilizar son: •
Estufas
•
Lámparas
•
Refrigeradores
•
Calentadores
•
Incubadoras
•
Motores de generación eléctrica
2.3.1.-E QUIPAMIENTO PARA GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD Utilizando biogás como combustible en moto generadores: •
Motores con combustible dual
•
Motores especiales para biogás (incluyen el pre tratamiento del gas)
•
Generadores a Gas – Versátiles para funcionar con biogás y otras gases alternativos (al funcionar con biogás se pierde un 10% de potencia en el motor, lo que conlleva el mismo nivel de pérdidas en la generación de electricidad)
•
Motores Diesel adaptados para funcionar con biogás
Generador con motor Diesel adaptado
Generador con motor para Biogás
Fig.2.3.- Motores para biogás Generadores a Gas con motor Diesel: – En el caso de los motores diesel, el biogás puede reemplazar hasta el 80% del gasoil – La baja capacidad de ignición del biogás no permite reemplazar la totalidad del gasoil en este tipo de motores que carecen de bujía para la combustión. – El gas es succionado junto con el aire de combustión hacia el cilindro.
Fig.2.4.- Dispositivo para la alimentación de biogás al motor Dispositivos para adaptar los motores para la utilización de biogás: 1. Filtro para la captación del sulfuro de hidrógeno en el biogás 2. Mezclador de Aire-Biogás – No hay pérdida de presión durante el mezclado aumentando la potencia a una
máxima eficiencia. – Aún con cambios en el caudal másico del gas, la proporción aire-gas permanece constante.
– Con la temperatura de la cámara de combustión, el sistema de control regula la
emisión de gases del motor ajustando la proporción aire-gas correspondientemente.
Fig.2.5.-Dsipositivos para la alimentación de biogás al motor En el mercado de los energéticos, la planta de biogás compite con la leña, el gas propano y la electricidad; fuentes energéticas utilizadas usualmente en la cocción; con el kerosene, las velas y la electricidad en la iluminación, sobre todo en lugares donde el servicio es deficiente o no existe; con el gas propano y la electricidad en la refrigeración y con la gasolina o el diesel, como combustible para motores. Un m3 de biogás puede reemplazar 0.46 kg de gas propano, 0,7 litros de gasolina, 0,6 litros de Diesel ó 2 kg de leña, lo que previene en gran medida la destrucción de los bosques. Se ha calculado que 1 m3 de biogás utilizado para cocinar evita la deforestación de 0.335 ha de bosques con un promedio de 10 años de vida de los árboles (Sasse, 1989). Un metro cúbico de biogás totalmente combustionado es suficiente para: _ Generar 1.25 kw / h de electricidad _ Generar 6 horas de luz equivalente a un bombillo de 60 watt _ Poner a funcionar un refrigerador de 1 m3 de capacidad durante 1 hora _ Hacer funcionar una incubadora de 1 m3 de capacidad durante 30 minutos _ Hacer funcionar un motor de 1 HP durante 2 horas En el mercado de los abonos, la planta de biogás compite con el estiércol fresco y con los fertilizantes químicos; ya que permite un ahorro de la cantidad de otros abonos convencionales sin disminuir la productividad y además presenta un aumento de la productividad al compararla con la de suelos no abonados. En el mercado de tratamiento de residuales; la producción de biogás puede imponerse sobre sistemas de tratamiento aeróbicos tradicionales, que son mucho más caros y complejos. Estudios realizados en Cuba han demostrado que el uso del efluente líquido representa económicamente más beneficio que el propio biogás (Carballal, 1998).
Tabla 2.1. Duración mínima de 1m3 de biogás para diferentes artefactos 3
Alimentación
Consumo Kcal/h
1 m biogás (duración mínima)
Cocina de 1 hornilla
660 - 742.5
7.4 h
Heladera de 84.95 L Lámpara Termo tanque 110 L Estufa de 600 cal Motor ( hp/h) Generación de Electricidad
550 - 600 478 - 528 1375 - 1650 3355 - 4400 2750 - 4400 6.4 Kw/h
8.3 h 10.4 h 3.3 h 1.25 h 1.25 h 2h
Fuente: FAO,1996
2.3.2.-U TILIZACIÓN DE LOS RESIDUOS DEL BIOGÁS Residuos son productos secundarios del biogás. La utilización de residuos del biogás puede tener más beneficios económicos que el uso del mismo biogás, y en muchos países, incluidos China, la India y las Filipinas, se efectúan muchas investigaciones a esta opción. Residuos es un tipo de fertilizante orgánico y posee las características de fertilizantes tradicionales y otras ventajas como resultados de la fermentación anaeróbica. En la descomposición anaeróbica, la mayoría de las nutriciones se mantiene, excepto algunos elementos como carbono, hidro y óxido que se transforman en CH4 y CO2. Las nutriciones solubles se quedan en residuo líquido, y a la vez algunas sustancias sólidas ambas orgánicas o inorgánicas absorben nutriciones durante el proceso. Entonces, residuos del biogás son más nutritivos que fertilizantes tradicionales. Además de elementos nutritivos N, P, K el fertilizante del biogás contiene otras sustancias abundantes para plantas; tiene mayor concentración de ácidos humitos, celulosa, hemicelulosa que el compost. Por eso fertiliza más la tierra. Tabla2.2.- Componentes químicos Componentes químicos de fertilizantes
Residuos líquidos del biogás Residuos secos del biogás Estiércol Compost
N (%)
P (%)
K (%)
1,45 1,60 1,22 1,30
1,10 1,40 0,62 1,00
1,10 1,20 0,80 1,00
Resultados de investigaciones y experiencias prácticas han mostrado que residuos del biogás pueden reducir insectos y yerbas por sustancias biológicas activas como giberilino, ácido acetatico, hormonas...., los cuales no existen (o en cantidad insignificante) en materiales originales pero abundan en residuos.
Cuando las sustancias orgánicas se fermentan, una parte de nutriciones son absorbidos por bacterias para producción del gas, y otra parte se transforma en aminoácidos con una tasa del 230% en comparación con materiales originales. Asimismo, una cantidad de vitamina B12 se componen durante la fermentación. Según una investigación, la cantidad del B12 en un metro cúbico de residuos secos es unos 3000 kilógramos cuando las correspondientes cifras en pescado en polvo y hueso son 200 y 100 kilos respectivamente. La utilización de residuos del biogás como fertilizante para plantas o alimentos de animales beneficiará económicamente. Los residuos se dividen en dos tipos: los líquidos que contiene sustancias disueltas y los condensados que son sedimentos en el fondo del digestor. Se puede utilizar directo los residuos del biogás sin componer con fertilizantes químicos: Los residuos líquidos comprenden nutriciones disueltas a las cuales plantas pueden absorber con facilidad. Se usa en igual forma que los fertilizantes tradicionales (fertilización adicional). Los residuos condensados tienen alta concentración de nutriciones, más abundantes de sustancias orgánicas y de ácidos húmicos. Además tienen efectos ambos rápidos y prolongados y son, pues, convenientes para la fertilización básica (antes del sembrar semillas). Si los utilizan para terrenos escasos de agua, estos residuos deben cubrir la superficie del campo por una capa de 0 a 12 centímetros; y en el caso de terreno abundante de agua, hay que esparcir el material a toda superficie y después levantar bien la tierra para que se mezclen juntos. Si los materiales de fermentación son en mayor parte excrementos de puercos, deben añadir más agua a residuos antes de utilizarlos. En este caso, residuos líquidos al ser recién retirados del estanque de descomposición siguen fermentándose y así de ser esparcidos, absorberían el oxígeno de las plantas causando daños a sus raíces hasta secarlos. Para mejores efectos, deben conservar residuos, después de retirarlos del digestor, en otro depósito algunos días para los líquidos y dos semanas para los condensados. Se puede mezclar los residuos con fertilizantes químicos. Esta combinación balanceará las diferentes necesidades de nutriciones entre la tierra y las plantas. La adición de sulfato proteína y carbonato proteína a residuos del biogás acelera producción de nutriciones cuyo resultados atrasan la reducción de nitrógeno y aumenta el coeficiente del fertilizante químico. Los residuos del biogás, bastante nutritivos, son capaces de impulsar el crecimiento de plantas y microorganismos, lo cual disminuye la necesidad de fertilizantes químicos y previene la destrucción de estructura de la tierra. El compost es un fertilizante orgánico cuyos principales componentes son materiales botánicos. El compost incluye mucha celulosa y falta nitrógeno, es necesaria la adicción de enzimas microorganismos o sustancias auxiliares para una rápida descomposición. Los residuos del biogás, entre otros compuestos ricos de nitrógeno, pueden ser utilizados como fuentes de enzimas.
El secado es un simple pero eficiente método para la conservación y la transportación. Sin embargo, esta opción causará una notable pérdida de nutriciones, especialmente el nitrógeno. Se puede usar residuos del biogás en similar forma del estiércol. Residuos secos sirven como excrementos de animales secos. Residuos del biogás contiene muchas sustancias beneficiadoras a animales tales como los elementos calcio, fósforo, nitro, cobre, zinc y hierro; muchos tipos de proteínas, celulosas y aminoácidos, incluidos nueve ácidos indispensables para seres animales. Asimismo, las enzimas aumenta la efectividad del uso de alimentos. Residuos de excrementos de ganados mayores fermentados disminuyen la carencia de las vitaminas B1 y B2. Pueden usar residuos líquidos para puercos directamente o con alimentos tradicionales diluidos. Puercos de más de 20 kilos son adaptables a comidas con residuos del biogás y el volumen de residuos utilizados crece gradualmente correspondientemente con el peso del puerco. En el caso de que el puerco tiene diarrea, hay que reducir el porcentaje de residuos en la comida. Requisitos para cumplir: -
Residuos líquidos del biogás para este uso debe ser la parte superficial en un digestor de normales condiciones (estanque de descomposición de al menos de un mes de operación). - Se prohíbe introducir al digestor materiales que contienen cadáver de animales muertos, insecticidas, herbicidas u otras toxinas. - No alimentar puercos de peso menor de 20 kilos y puercas madres con residuos del biogás. - Desparasitar animales antes del abastecerlos residuos del biogás. Se utilizan residuos del biogás para alimentar peces ambos en lagunas y en arrozales. En caso de peces en lagunas: 1. El uso de residuos del biogás depende de la tasa de peces omnívoros presentes en el ambiente. Si esta tasa es inferior al 30 por ciento, puede usar residuos del biogás como el principal alimento, y esta tasa es superior al 40 por ciento, hay que mezclar residuos con otros alimentos. 2. En general, residuos condensados se utilizan como alimento básico y los líquidos como alimento adicional. Es necesario extender los residuos en el aire por un tiempo antes de introducir a la laguna Además de ajustar el volumen de residuos introducidos a la laguna de acuerdo con la temperatura, hay que enriquecer el oxígeno en el agua. Uno de los simples métodos para averiguar el nivel del oxígeno en la laguna es medir el tiempo que los peces salen de la superficie del agua: más tiempo que salen los peces, menos oxígeno hay en la laguna.
En caso de peces en arrozales, creando una red de acequias paralelas, horizontales y verticales, cada de las cuales de 30 centímetros de profundidad y de 30 centímetros de ancho. Alrededor del arrozal cavar acequias más grandes (50 cm de profundidad y 60 de ancho) para alojamiento de peces. Una semana después de trasplantar el arroz, se inician a poblar el arrozal con peces, y en el período siguiente, a cada ocho días se esparcen una vez residuos del biogás en las acequias mayores pero no en los lugares que se encuentran peces. Deben evitar contactos entre peces y insecticidas al usar estas últimas para proteger la cosechar.
2.4..-P URIFICACIÓN DEL BIOGÁS La purificación del biogás no es más que la remoción del dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno. El dióxido de carbono es eliminado para aumentar el valor del biogás como combustible. El (CO2) es un gas incoloro, no olfateable, pesa 1,5 veces del aire y no es combustible. Un alto porcentaje de este gas en el compuesto reducirá la calidad del biogás. El sulfuro de hidrógeno se elimina para disminuir el efecto de corrosión sobre los metales que están en contacto con el biogás (Hesse, 1983). El sulfuro hidrógeno (H2S) es otro gas incoloro, tampoco combustible y ocupa un porcentaje muy pequeño en el compuesto. Sin embargo, este produce un olor hediondo, que es el típico del biogás. Para las comunidades rurales es más práctico no ocuparse de la remoción del dióxido de carbono. En general los campesinos prefieren un gas menos eficiente que tener tiempo ocupado en el control del mismo, por lo que en las pequeñas granjas esta labor se considera innecesaria. Para grandes plantas de biogás y otras específicas donde los aspectos técnicos son menos onerosos existen justificaciones económicas para la purificación. A medida que la humedad es menor, la facilidad de combustión es mayor. El agua puede ser eliminada si se pasa el gas a través de cal viva, aunque con ello se afecta el porcentaje de bióxido de carbono. La presencia de bióxido de carbono en el gas presenta el aspecto más grave: reduce el poder calorífico del combustible, y aún más, aumenta la capacidad de almacenamiento así como incrementa la presión de los tanques de almacenamiento. Esto también es causa de baja efectividad en el momento de la combustión de gas, pues requiere algo del calor producido para elevar su temperatura de ignición. A pesar de esto, la operación de absorción resulta sencilla mediante el paso del gas a través de agua de cal. El uso de este absorbente deja de ser práctico y costeable cuando se trabaja a gran escala, en este caso, se emplean sustancias como dietil amina, trietil amina, hidróxido de calcio, carbonato de potasio e hidróxido de potasio. Un análisis de costo – beneficio de la ganancia de poder calorífico contra consumo de reactivos, de agua y de energía llevarán sin duda a concluir que es más ventajoso usar el gas con CO2. El hidrógeno aumenta el poder calorífico del gas, por lo que no es necesario eliminarlo. Por otro lado, el sulfuro de hidrogeno se presenta en pequeñas cantidades, casi imperceptibles, cuando el ciclo de digestión se alarga más de treinta días. Este componente
afecta cuando el gas se utiliza en la operación de maquinaria, pues ayuda al deterioro del metal; si el uso que se le da al gas es sólo para combustión, la eliminación del sulfuro de hidrogeno no es de importancia. El método químico más simple y eficiente de remoción del dióxido de carbono es su absorción en agua de cal. El método necesita mucha atención por cuanto el agua de cal se agota y necesita recambiarse frecuentemente, lo que trae como consecuencia su preparación frecuente si no se obtiene comercialmente. El agua de cal puede sustituirse por una solución acuosa de etanolamina, la cual absorbe el dióxido de carbono (y también el sulfuro de hidrógeno). Aunque este proceso es caro para hacerlo rutinario en la purificación del biogás debido al calentamiento periódico al que tiene que ser sometida esta sustancia para su regeneración. Otra alternativa es utilizar otro residual fuertemente alcalino como medio de absorción de estos gases como son los efluentes de cultivos de microalgas. El líquido efluente del digestor es vertido directamente en un tanque de gran tamaño para producir el alga Spirulina. El alga es filtrada para ser usada como alimento de cerdos o patos, o bien como aditivo y el agua residual que tiene un valor de pH de 10 o más y es almacenada en un tanque cilíndrico. Esta agua se hace atravesar en contracorriente al biogás. El agua que queda como resultado de esta reacción contiene carbonato de hidrógeno la cual es rehusada en el cultivo de las algas. El dióxido de carbono es bastante soluble incluso en agua neutral (878 cc / litro a 20º C) bajo presión atmosférica, así que el lavado con agua ordinaria es quizás el método más sencillo de eliminación de impurezas. El CO2 es soluble en agua mientras que el metano no lo es. A alta presión, la solubilidad del CO2 aumenta proporcionalmente permitiendo que la concentración de metano en el biogás se incremente (Lau-Wong, 1986). Para la conservación de los aparatos operados con biogás, especialmente en los motores se debe extraer el sulfuro de hidrógeno (H2 S) contenido en el gas. Para lograr esta purificación se emplean varios sistemas: a) Filtros de óxido de hierro (FeO2). Para esto se puede utilizar la viruta de hierro, la cual se puede regenerar con exposición al aire libre. El aire debe inyectarse con cuidado al filtro y puede hacerse con bombas para acuarios. b) Adición de FeO2 al sustrato. Adicionando 500 g por cada 4000 l de sustrato, el contenido de H2S pasa de 0,2% a 0,07%. Esta cantidad debe suministrarse diariamente. c) Aprovechamiento de la condensación de agua. Cuando se condensan grandes cantidades de vapor de agua del biogás, se absorbe allí mismo grandes cantidades de H2S, alcanzando remociones de un 30 a 40% del ácido. Este método es muy usado en climas fríos. d) Por adición de aire. Se puede inyectar aire en una proporción del 3% al 5% directamente al digestor o al sitio de almacenamiento del gas, con el fin de que el H2S se descomponga en agua y azufre elemental. Este azufre se puede adicionar al abono líquido resultando benéfico para el suelo. El suministro de aire debe ser controlado, para no crear una mezcla explosiva.
Además de los métodos tradicionales de desulfuración con limaduras de hierro existe un procedimiento basado en la adición de aire al 1.5% del volumen de biogás producido (Henning, 1986). Con este método se asegura una disminución del contenido de H2S de aproximadamente 120 ppm o 0.012% en volumen de biogás.
2.5.-F ACTORES I NFLUYENTES EN LA D IGESTIÓN A NAEROBIA Como todo proceso biológico, la digestión anaerobia debe ser controlada, pues existen diversos factores que influyen considerablemente en el éxito o no de la misma (Finck, 1992). Un desbalance en alguno de estos factores puede provocar la ruptura del equilibrio entre las comunidades microbianas y por consiguiente el no funcionamiento del sistema, la no producción de biogás y fertilizante (Flotats, 1997). A continuación se relacionan los factores de mayor importancia que influyen en este proceso fermentativo. 1. La temperatura Es una variable muy importante ya que a medida que aumenta la temperatura también aumenta la actividad metabólica de las bacterias (Veeken et al., 2000), requiriéndose menor tiempo de retención para que se complete el proceso de fermentación, tal como muestra la Tabla 2.3.
Tabla .2.3.- Relación entre el periodo de fermentación y la temperatura. 8
10
15
20
27
37
120
90
60
45
38
30
Temperatura (°C) Tiempo (días)
A mayor temperatura se obtiene mayor agilidad en el desarrollo del proceso, permitiéndose la posibilidad de emplear dimensiones menores en el reactor, no obstante lo anterior, cuando se trabaja a temperaturas muy elevadas el proceso puede dejar de ser rentable, por lo cual es común que los digestores operen en un rango mesofílico. La Tabla 2, muestra los valores máximos, mínimos y óptimos a los cuales puede operar una fermentación anaerobia. Tabla. 2.4.-Rangos de temperatura para la fermentación anaeróbica RANGOS, 0 C
Mínimo
Óptimo
Máximo
Sicrofilica
4-10
15-18
25-30
Mesofilica
15-20
28-33
35-45
Termofilico
25-45
50-60
75-80
Fermentación
2. Relación carbono/ nitrógeno
Los materiales de fermentación están compuestos en su mayor parte por carbono (C) y nitrógeno (N). Si el contenido de este último es muy alto, la reproducción de las bacterias se inhibe debido a la alta alcalinidad. Lo ideal es una relación C/N de 20:1 a 30:1; relaciones C/N menores; por ejemplo 8:1, inhiben la actividad bacteriana por excesivo contenido de amonio. La concentración de amoníaco en el material de fermentación debe ser menor de 2000 mg/L (Flotats et al ., 2000). 3. Control del pH
Es de vital importancia para el sistema, ya que una disminución del pH puede traer como resultado la inhibición del crecimiento de las bacterias metanogénicas, ello hace que disminuya la producción de metano y aumente el contenido de dióxido de carbono y se produzcan olores desagradables por el aumento del contenido de sulfuro de hidrógeno (Lay et al., 1998). De manera general, el pH se mantiene bastante estable a pesar de la producción de ácidos por las bacterias, ya que en el medio fermentativo se generan sustancias tampones que garantizan un rango de pH adecuado. Además, la velocidad de formación de ácido depende de la velocidad de la conversión a biogás. Se acepta generalmente que los valores óptimos del pH oscilen entre 5.5 y 8.0, sin embargo en el sistema de dos etapas el pH recomendado depende de la fase anaerobia, tal como muestra la Tabla 2.5. Tabla .2.5.- pH óptimo en la producción de biogás. Valor de pH
Etapa hidrolítica
Etapa metanogénica
Valor típico
5.0-6.0
6.5-7.5
Valor óptimo
5.5-5.7
6.8-7.2
4. Bacterias adecuadas
Debe existir una proporción óptima de ambas poblaciones bacterianas, metanogénicas y no metanogénicas, lo cual se garantiza con un previo inóculo, el cual desarrolla suficientes sustancias amortiguadoras para mantener los valores deseados de pH y que cubren casi totalmente las altas demandas de condiciones anaeróbicas por las bacterias metanogénicas (Angelidaki, 1997). 5. Inhibición del sistema
Los porcentajes más favorables de sólidos totales en el medio de fermentación, deben estar entre 5 y 10%, ya que valores de 15% en adelante tienden a inhibir el proceso (Sanz, 1996). Los metales pesados, los antibióticos, concentraciones elevadas de amoniaco, sales minerales y algunas sustancias como detergentes y pesticidas, son productos que inhiben el proceso de producción de biogás (Flotats, 1997), no deben existir en el sistema condiciones que faciliten la entrada de oxígeno ni presencia de compuestos que se oxiden y liberen
oxígeno, como por ejemplo, los nitratos; pues las bacterias metanogénicas demandan condiciones de estricta anaerobiosis.
C APÍTULO 3. D ISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LAS PLANTAS DE BIOGÁS La tecnología de los biodigestores, digestores anaeróbicos, reactores anaeróbicos o sistemas de biogás, ha tomado mucha popularidad en la última década. La fuerte influencia y dependencia de fuentes energéticas, provenientes del petróleo, la preocupación de la población civil y del Estado por el calentamiento global, así como la contaminación de las fuentes de agua, han sido los pilares de su notoriedad. El biodigestor, como popularmente se conoce, ofrece soluciones sencillas a los problemas mencionados anteriormente. Por un lado, brinda un sistema seleccionado, por excelencia, para el tratamiento de aguas residuales (aguas verdes), previo a su utilización como fertilizante en los potreros. Por otra parte, durante el proceso de descomposición, genera un gas, con altos contenidos de metano, lo que posibilita su uso como fuente de energía.
3.1.- E XPLICACIÓN DE C ONCEPTOS Un biodigestor es, en términos generales, un compartimiento hermético en el cual se fermenta la materia orgánica en ausencia de oxígeno. Como fruto de este proceso se obtiene un gas combustible que posee aproximadamente 66% de metano y 33% de bióxido de carbono. El material resultante de la biodigestión, o efluente, puede ser directamente usado como abono y como acondicionador del suelo, pues los nutrientes como el nitrógeno se tornan más disponibles, mientras los otros como el fósforo y el potasio no se ven afectados en su contenido y su disponibilidad. Para poder calcular el tamaño de un biodigestor de biogás, se utilizan una serie de conceptos característicos. Para una planta de biogás sencilla son los siguientes: Sd – Cantidad diaria de cieno de fermentación (afluente o sustrato). TR – Tiempo de retención. Gd – Producción especifica de gas al día en dependencia del tiempo de retención y el material de fermentación. MS, – La masa seca, o sea el porcentaje de agua que varía en cada material de fermentación natural. Por esta razón, en trabajos de investigación más exactos se trabaja con la parte sólida o masa seca del material de fermentación. MOS, – Masa orgánica seca, para el proceso de fermentación son importantes solo los componentes orgánicos o volátiles del material de fermentación. Por eso se trabaja solamente la parte orgánica de la masa seca. Md – Carga del digestor, indica cuanto material orgánico es alimentado diariamente o cuanto material debe ser fermentado al día. La carga del digestor se calcula en kilogramos de masa orgánica por metro cúbico del digestor por día (kg. MOS/m3 / d).
3.2.-C ARACTERÍSTICAS DEL MATERIAL DE FERMENTACIÓN Tabla .3.1.- Material de fermentación Origen
Cantidad de excreta diaria Md
% de excreta por peso vivo
% de orina por peso vivo
% de material de fermentación fresco
MS
Tasa
Biogás
C/N
m /kg
3
excreta
MOS
Y
Tasa de disolución Nd Exc:Agua
(kg) Vacunos
15-20
5
4
1620
13
2425
0.04
1:1
Búfalos
18-25
5
4
1825
12
1825
0.04
1:1
Cerdos
1.2-4
2.5
3
17
14
1213
0.07
1:1-1.3
Ovejas
1-2
30
20
2530
0.05
1:2-1:3
Equinos
10-15
25
15
2425
0.04
1:2-1:3
Aves
0.02-0.08
25
16
5-16
0.06
1:3
Humanos
0.18-0.5
20
15
2.910
0.07
1:2-1:3
C/N= relación Carbono- Nitrógeno
Tabla .3.2.- Material de fermentación Origen
Jacinto frescos
Cantidad diaria
25 kg/m
% de material de Tasa C/N fermentación fr esco MS
MOS
7
5
Biogás (litro/kg de material
12-25
0.3-0.4 1.5-2.0
Paja seca
80-85
48-117
Residual de matadero
15-20
(0.34-0.71m /kg MS
Residual de destilería
(15 m3 biogás/m3 de residuos)
Residual de levadura
(4 m3 biogás/m3 de residuos)
Líquido de café
(5 m3 biogás/m3 de residuos)
Cáscara de café
(0,1 m3 biogás/m3 de residuos) (0,4 m3 biogás/25 kg de materia seca)
3.3.-E STRUCTURA Y CLASIFICACIÓN DE PLANTAS DE BIOGÁS En la estructura de un biodigestor podemos primero considerar tres zonas: Zona de Biogás: Está formada por una cúpula en la parte superior donde se acumula
el biogás. Que en dependencia del tipo de reactor que se construya puede ser de cúpula fija o flotante. Zona de digestión: Está representada por un cilindro en la parte intermedia donde se realiza
el proceso de digestión anaerobia de los sustratos o materia orgánica. Zona de lodos: Constituida por un cono en la parte inferior donde se depositan los lodos.
De acuerdo con las zonas definidas arriba el biodigestor tiene 5 componentes principales: (I) tubo de entrada; (II) digestor (estanque de descomposición); (III) tubo de salida; (IV) tanque de regulación de presión (de tipo de cubierto fijo); (V) tapa de recolección de gas (puede ser fija o de tipo de cubierto flotante), debe contarse además con un lugar o fosa de almacenamiento de materia orgánica. 1. Tubo de entrada: con la tarea de conducir material a estanque de descomposición. Este tubo tiene forma cilíndrica, de hierro, hormigón o plástico con el diámetro mínimo de 150mm. Un extremo del tubo está atado al fondo de tanque de entrada y otro punto atado al digestor, con una desviación de un ángulo de 30 grados de la dirección vertical. Esta posición asegura la fácil entrada de material al estanque, también tiene función de mover el material descompuesto y dar un mejor contacto a la masa de bacteria. 2. Digestor (Estanque de descomposición): es el componente más importante de equipo. Contiene el líquido descompuesto y es el lugar donde ocurre la fermentación que genera el biogás. Los tubos de entrada y salida son instalados simétricamente en los dos lados opuestos de estanque. 3. Tubo de salida: tiene la forma y estructura como tubo de entrada, pero el diámetro puede ser más pequeño porque los residuos salen en modo de líquido y puede salir fácilmente. Este tubo está atado al estanque a una declinación de un ángulo de 40 grado a la dirección vertical. 4. Tanque de regulación de la presión: forma semiesférica, función de regulación de presión en el estanque de descomposición. Además, tiene función de contener
líquido después de la descomposición y es una válvula de seguridad para el estanque. Un tubo de desbordamiento instalado cerca de la boca de estanque con función de evitar la sobrecarga cando se produce demasiado gas. Cuando el líquido en el tanque de regulación de presión llega a un nivel determinado se sale para afuera por este tubo. 5. Tapa de recolección de gas: Puede ser hecho de acero o plástico sólido o de material de construcción en dependencia del tipo de biodigestor escogido, con el tubo de gas dentro de estanque y que traviesa la tapa para conducir el biogás para afuera de digestor.
3.4.-C LASIFICACIÓN DE PLANTAS DE BIOGÁS Entre los grupos de reactores anaerobios de mayor aplicación y comercialización para el tratamiento de sólidos, de primera generación, con mayor incidencia son los del tipo Hindú y los Chinos (Montalvo y Guerrero, 2003). Estos reactores no son de gran eficiencia desde el punto de biodegradación de la biomasa, pero por su sencillez constructiva y operacional, su puesta en marcha lo hace más apropiada para obtener Biogás a partir de residuos agropecuarios principalmente (Ringkamp y Col.1988; Sang-shi y Xi-Chun, 1988) 1. Planta de biogás de tapa flotante o Hindú:
Este equipo de biogás fue desarrollado por la Comisión de Industria rural y Khadi de la India (KVIC). El contenedor de gas es una tapa con forma de una caja tapada directamente sobre el líquido o a una junta de agua alrededor de la boca de estanque (dibujo 3.1). El gas producido en el estanque es recolectado y contenido en la tapa y hace flotar la tapa, cuando contiene más gas, más se flota la tapa. El peso de la tapa crea una presión sobre el gas contenido adentro, cuando sacan gas para el uso, la tapa se hunde para abajo. La introducción de nuevo material para descomponer por el tubo de entrada, crea una presión que impulsa el residuo o material ya descompuesto hacia fuera por el tubo de salida
Fig. 3.1.- Planta de biogás de tapa flotante con junta de agua 1234-
Digestor Tapa de contenedor de biogás. Entrada. Salida.
5- Tubo para sacar gas La tapa de este equipo son hechos de hierro o de hormigón con red de hierro con la calidad ya revisada antes de salir del taller. El peso de la tapa influye mucho a la presión por dentro de estanque, eso es un factor que en el momento de diseño hay que prestar atención. La tapa hecho de hierro genera un alto precio (ocupa 30 hasta 40% de todo gasto de la obra). La tapa tiene contacto directo con el aire y sufre afectación por la temperatura en ambiente, en el invierno, la temperatura baja afectara mucho a la productividad de gas. La junta de agua protege el estanque de la entrada de agua de las lluvias y evita el contacto entre líquido y aire de afuera que causa una reducción de anaerobia y así la productividad. 2. Planta de tapa fija
Este equipo fue inventado en China. El contenedor de gas y el estanque forman un conjunto hermético. El gas generado se ocupa la parte superior de estanque y por la parte abajo esta el líquido en fermentación. El estanque puede ser construido sobre el tanque de regulación de presión (3.2a) o separados (3.2b). La primera tiene muchas desventajas y son menos usuales.
a)
b)
Fig.3.2.- Planta de biogás con tapa fija de China Equipo de tapa fija es construido de ladrillo, cemento, arena y tiene el precio más barato en comparación con el equipo de tapa de hierro. También por la aplicación de las técnicas no tan avanzadas, el beneficiario puede construir por su cuenta. La planta de tapa fija es construida debajo de la tierra y no ocupa espacio, mantiene temperatura estable, pero en la construcción es necesario garantizar que no entre el aire.
Fig. 3.3- Planta con tapa fija en figura esférica El diseño también puede ser del tipo que se muestra en la figura siguiente:
Fig. .3.4.- Tipo de digestor
Fig. 3.5.- Biodigestor de Cúpula Fija con extracción de lodos.
Fig.3.6.- Biodigestor con laguna de compensación encima de la cúpula Ventajas de los biodigestores con la laguna de compensación encima de cúpula (Valia, 2005): Ocupa menor área de construcción.
Minimiza el volumen de excavación. Ahorra el movimiento de tierra para relleno del biodigestor. Minimiza el tiempo de ejecución. La laguna encima de cúpula favorece a su impermeabilización. La salida de bioabono se realiza aprovechando las cargas hidrostáticas. La utilización del lecho de secado facilita la manipulación del bioabono.
La utilización de estanques, lagunas y humedales favorecen al mejor tratamiento del efluente del biodigestor, facilitan su utilización en riego de cultivos lo que implica un ahorro considerable de agua potable
Fig.3.7.- Foto de biodigestor con laguna compensación encima de la cúpula
Fig.3.8.-foto de digestores de cúpula fija en la comunidad de Magueyal (Palacios-Recio, 2006) 3. Planta de biogás de bolsa de nylon
El modelo tipo balón, consiste en una bolsa o balón plástico completamente sellado, donde el gas se almacena en la parte superior, aproximadamente un 25% – 30 % del volumen total. Tiene como desventajas que debido a su baja presión es necesario colocarle sobrepesos al balón para aumentarla. Su vida útil es corta, de aproximadamente 5 años y el material plástico debe ser resistente a la intemperie, así como a los rayos ultravioleta. La planta balón está compuesta de una bolsa de plástico o de caucho completamente sellada.
La parte inferior de la bolsa (75% de volumen) se rellena de la masa de fermentación, mientras en la parte superior de la bolsa (25%) se almacena el gas. El gas es contenido en la bolsa debida al carácter elástico de la bolsa y no es necesario el tanque de regulación de la presión, pero necesita peso sobre la bolsa para crear presión. Este equipo es fácil de montar, barato pero no sirve por largo tiempo.
Fig.3.9.- Planta biogás de bolsa de nylon
3.5.-C ÁLCULOS DE DISEÑO DE UN DIGESTOR No existe un reactor óptimo generalizado, debido a las características del proceso productivo que lo concibe, pues dependen de la: a) Demanda energética del usuario. b) Cantidad de biomasa disponible. c) Temperatura media del lugar. d) Producción específica de gas según la biomasa disponible. El conocimiento de estos factores permite dimensionar el volumen requerido del biodigestor, el volumen del espacio de almacenamiento del gas y el volumen del tanque de compensación, según el problema a resolver. Existen disímiles de referencias que facilitan la información mínima o de partida sobre los factores antes mencionados. El tamaño del digestor (Volumen del digestor) se determina sobre la base del tiempo de retención seleccionado (TR) y la cantidad de sustrato de entrada (Sd). V= Vd + Vg + Vc 3
V=Volumen del digestor (m ) Vd=Volumen del contener del sustrato (afluente= la mezcla de materia orgánica y agua) Vg=Volumen de biogás al día, m3/día Vc=Volumen de espacio muerto (5-6% de Vd+Vg) Vd = Sd x TR (m³)
Sd= (1+Nd) x Md – Cantidad diaria de cieno de fermentación, litros/ día Nd=Tasa de disolución, (litros de agua por kg de excreta) Md=Masa de materia orgánica (excreta), kg/día Md= No de animales x P vp / P ve x kg de excreta diaria x T e /24 P vp=Peso vivo promedio de la población animal para el diseño P ve=Peso vivo equivalente. (Para cerdos P ve=50kg; para vacunos P ve=350kg)
Para cerdos y vacunos los sólidos suspendidos volátiles se estiman en un 20%, es 3 recomendable que la carga orgánica no rebase los 2kg/m /día, por lo que es conveniente realizar este chequeo al final.
MS / Vd ≤ 2
TR=Tiempo de retención, días 3
Vg=Md x Y, m /día
Al producto de cantidad diaria de cieno de fermentación por el tiempo de retención se le agrega un 20% del volumen para el almacenamiento de gas.
3.6.-E SPECIFICACIONES CONSTRUCTIVAS DE UN DIGESTOR DE CÚPULA FIJA 3.6.1.-S ELECCIÓN DE LUGAR DE CONSTRUCCIÓN Para un funcionamiento adecuado, largo aprovechamiento, facilitar la construcción debemos contar con los factores: a) Garantizar la superficie de plano para construcción de equipo con la dimensión diseñado. Ahorrar el superficie de plano y no afecta a las obras a su alrededor. b) Lejos de zona baja, lagos, pantanos… para evitar la acumulación de agua como para un larga edad para la obra. c) Evitar zona de suelo débil, complica el tratamiento de la base. d) Evitar construcción cerca de las plantas grandes, las raíces van a dañar la obra. e) Cerca de suministro de material de entrada, si la planta combina con el tratamiento de residuo humano, debe conectar directamente con el digestor para el adecuado tratamiento. f) Cerca de lugar consumo de gas para ahorrar tubos, evitar la salida de gas en caso de tubo roto. g) Cerca de contenedor de residuo líquido para el uso como fertilizante. h) Equipo debe instalar en lugar con sol, poco aire para mantener temperatura alta, crea condiciones favorables para la fermentación. i) Lejos de las obras de depósito de agua de consumo a 10metros. j) Lejos de las obras subterráneas como cables, tubos…
Antes de la instalación de la planta, es necesario realizar un análisis previo o estudiar los documentos sobre la condición geográfica de lugar para tener adecuadas medidas de estructura, construcción, preparación de materiales, diseño apropiado. Las evaluaciones son: a) Evaluación de condición del suelo de la obra: tipo de suelo, la similitud entre las capas de tierra, es necesario realizar análisis después de terminar la excavación para un resultado más exacto. b) Determinar el nivel de agua subterráneo en marco de profundidad de equipo para mejor medida de tratamiento o instalación: construir cuneta por el alrededor para recoger agua, pozo de recolección de agua, construir tipo de base adecuado...etc. 3.6.2.-P REPARACIÓN DE MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN Y LAS EXIGENCIAS : Después de tener diseño de obra, calcular exactamente la cantidad de tierra a excavar, preparación de plano y concentrar los materiales de construcción: arena, cemento, ladrillo…Preparar plan para la compra de estos materiales.
Para garantizar la calidad de la obra, los materiales de construcción deben cumplir siguientes exigencias técnicas: 4. Ladrillo: por el carácter de obra subterránea, con humedad, el ladrillo debe ser sólido con mejor calidad (tamaño 65mm x 110mm x 220mm), cuadrado, el superficie limpio. 5. Arena: Arena amarilla, diámetro menos de 3mm, limpio, separado de basuras. Los elementos ajenos en arena debe ser menos de 6%. En caso de calidad no cumplida, es necesario fregar la arena antes de uso. 6. Cemento: debe tener la capacidad de sufrir presión de P > o = 300kg/cm3. 7. Grava, piedra: son materiales necesarios para hormigonerar la base de estanque de descomposición y tanque de regulación, la exigencia general es que estos materiales estén limpios, no tiene elementos mezclados. 8. Hierro: Los tipos de hierros utilizados deben ser idénticos a aquellos del diseño, no oxidado. 9. El mortero: pueden ser de cemento o mezcla de cemento y cal, el cemento crea carácter sólido y evita absorber, pero el cemento es frágil. El cal hace blando el mortero, y pega mejor. Debe usar el mortero de misma fábrica de la de ladrillos, en el mortero debe usar arena amarrilla con cemento P> o = 300kg/cm3, la tasa de cemento por arena es 1:4. Mortero de mezcla de cemento: cal: arena es 1:0,5:5. 10. Tubos: tubo de conexión de entrada y salida de planta tiene el diámetro de 100cm o más. Se puede utilizar tubo de hierro cubierto de zinc, tubo de plástico PVC, de hormigón o de cerámica, es necesario garantizar el tamaño, que no esté roto, superficie limpio para mejor conexión con el equipo.
3.6.3.-P REPARACIÓN DEL TERRENO a) Despojo del terreno para construcción: allanar el terreno, desagüe, despojar plantas en el terreno. b) Planificar lugar adecuado para concentrar tierra, material de construcción calcular cantidad de tierra para enterrar después. c) De diseño y los análisis de suelo en el lugar de instalación, determinar la dimensión de hoyo y forma de excavar. El estanque de descomposición es construido en primer lugar, los demás componentes se instala después. d) La ubicación de los componentes en el terreno se determina con el centro de digestor, desde este centro, se calcula la circunferencia del estanque en el plano para excavar. Si el suelo es débil, deben abrir esta circunferencia. 3.6.4.-M EDIDAS DE CONSTRUCCIÓN : Con las plantas pequeñas, se aplica la excavación manual, con equipo más grande, se puede combinar la excavación manual y con maquina Si la tierra es sólida y densa como arcilla, sólida y profundidad de hoyo es menos de 3m, el nivel de agua subterráneo más bajo de fondo de hoyo, el muro de hoyo puede ser vertical con el diámetro de hoyo de 20-30cm más grande de diámetro de estanque. Si haya fuente de agua cruzada al hoyo, se tapa con arcilla. Si la profundidad es más de 3m se abre la boca de hoyo con la declinación correspondiente.
Fig.3.10.-Medida de excavación manual.
Fig.3.11.- Plano de agujero para la base
Fig.3.13.- Excavación para digestores típicos
Fig.3.14.- Excavación para digestores típicos Con otros tipos de tierra (arcilla elástica blanda, arcilla mezclada con arena…) es necesario
abrir la apertura del hoyo con declinación correspondiente o aplicar medida de enclavar estacas para evitar el colapso de muro de hoyo. En los casos mencionados, si se encuentra con fuente de agua alta, se puede elevar el fondo o hacer agujero para acumular agua, desagüe y mantener el fondo siempre seco en momento de construcción. La condición geológica de lugar de construcción debe ser bien analizada antes de aplicar las formas de estructura y construcción adecuadas 3.6.4.1.-C O N S T R U C C I Ó N D E L A B A S E
La base puede ser construida de ladrillo o de hormigón de acuerdo a condición geológica y volumen de estanque. La construcción de base con ladrillo puede ser ejecutada con los pasos: a) Los ladrillos son puestos en forma de círculo con mismo centro, no repite el canal (espacio entre ladrillos) y asegurar que entre ladrillos haya mortero, si es canal horizontal, el espacio es 8-12mm, si el canal es vertical, el espacio es 10mm. b) Con los suelos húmedos o con agua subterránea, se debe poner de 1 hasta 2 capas de nylon abajo, construye sobre ellas y mantener la base seca a mínimo 24 horas después de construir. c) Después de construcción, evitar pasos sobre ella o pone tablas sobre ella para pasar cuando el mortero no sea sólido.
Fig.3.15.-Fondo de digestor construido con ladrillo
Fig. 3.16.- Eje central y escuadra de madera (cimentación de la loza cónica) Con el suelo débil, se debe construir la base de hormigón con piezas de ladrillo o piedras, gravas de densidad 10 a 20cm. El hormigón debe ser bien mezclado y asegurar el componente a 1 cemento / 3 arena amarrilla/ 6 gravas (la presión a soportar es 150 – 200kg/cm2). El hormigón será comprimido para aumentar la solidez, evitar el vacío después cubrir la base con cemento más arena a tasa 1:3. Se tiene que mantener el hormigón seco 24 horas después de la operación para que este se ponga sólido. Cuando la base esta hecha sólida, se empieza a construir el estanque.
Fig. 3.17.-Fondo de digestor construido
Fig. 3.18.- Eje central y escuadra de madera (comienzo de la construcción del muro cilíndrico del cuerpo de biodigestor) La base debe ser rígida a la flexión para así poder transmitir las cargas de los bordes a la superficie total. 3.6.4.2.-C O N S T R U C C I Ó N D E M U R O D E E S T A N Q U E A F I G U R A E S F É R I C A
El muro de ladrillo tamaño 110: la pared tiene la densidad igual que el ancho de ladrillo, los ladrillos de arriba abajo este a una alternativa de ½ de largo de ladrillo. Cuando se pone el ladrillo, echar mortero en un punto de ladrillo y ponlo en la línea con este un poco hacia abajo para que el mortero se llene el canal vertical (espacio entre ladrillos en una línea). Después de echar mortero sobre la línea construida, ponen ladrillos a una línea con los demás ya puestos. La construcción de techo esférico requiere una alta técnica, es necesario seguir los métodos de orientación siguientes: a) Centro y diámetro de esférico (se elimina después de construcción): construye un pilar pequeño de ladrillo para mantener un palo en el centro de fondo de estanque (dibujo); determinar el centro de esférico en este palo. Es mejor marcar este centro con un clavo en el palo. La distancia de centro marcado en el palo al fondo de estanque es igual que la mitad de diámetro de estanque. b) Usar una cuerda para determinar el radio: atar un punto de cuerda a clavo (deben atar para que la cuerda pueda girar). Determinar el radio de estanque y marcarlo en la cuerda. En la construcción de la pared, siempre usar esta cuerda con su marca para asegurar que la posición de cada ladrillo esta a una distancia determinada al centro ya definida.
Fig.3.19.- Construcción del muro del estanque
Construcción de pared en forma de arco: la construcción empieza cuando la base es sólida, se construye por cada línea, de abajo hasta arriba como un círculo cerrado. En poner cada ladrillo, se usa la cuerda arriba mencionada para comprobar la distancia y el ángulo de declinación de este ladrillo, asegurar la correcta figura de arco. Antes de construir la primera línea, usa la cuerda de determinación del radio para marcar un círculo en la base y construye primera línea a este círculo. Las primeras líneas pueden ser derrumbadas si el mortero no se seque, después de la primera línea, se usa barras o ladrillo para soportar afuera, evita el derrumbe. Las primeras líneas deben ser bien enlucidas porque es la posición menos resistible con entradas y salidas de agua. La capa de enlucido debe ser densa y comprimida. Se enluce en figura de arco, sin ángulo, se puede utilizar una botella para enlucir mejor en forma de arco. Usar una cuerda o un calambre atada en el ladrillo que necesita sustentar, el otro extremo de cuerda o calambre se ata a un lugar fijo o a un objeto con mucho peso para contrabalancear el ladrillo recién puesto en cada línea hasta cuando el mortero se ponga sólido (ver dibujo). El primer ladrillo de cada línea debe ser sustentada hasta cuando termina toda la línea. Fig.3.20.-Construcción del muro del estanque a figura esférica
Fig. 3.21.- Guía de cuartón para la construcción de la cúpula. La construcción de la cúpula a figura de arco: es una labor difícil que requiere constructor diestro y se puede aplicar las medidas: a) Escoger ladrillo con buena figura, mojarlos en agua. b) Usar mortero con alto carácter adhesiva: mortero con elemento de cemento, cal y arena a tasa 1:1:4. O cemento con arena a tasa 1:3. La construcción de la cúpula tiene que dividirse en varias etapas. El primer día se puede construir dos primeras líneas después de la construcción de la base. Esperar un día para que se seque la base, continuar construcción hasta el momento que sea necesario utilizar instrumento para sustentar. En esa parte, es obligado construir cada dos o tres líneas y esperar a que se ponga sólido. El tiempo de espera se puede construir tanque de regulación o tanque de disolución de material entrada.
cuerda atada con ladrillo
palo para sostener
Fig.3.22.-Construcción del muro del estanque a figura esférica
Fig. 3.23.- Ganchos de hierro para ayudar a la pega de los ladrillos.
Fig.3.24.-Detalles constructivos
Fig.3.25.-Detalles constructivos
Fig.3.26.-Detalles constructivos 3.6.4.3.- T U B O S D E E N T R A D A
Cuando la pared de estanque llega a posición de los tubos, ponga los tubos a posición diseñada, estas posiciones son muy fácil de salir agua después, se tiene que ejecutar con mucho cuidado para evitar la compleja reparación originada en el posterior. El punto de conexión de tubo con el estanque debe ser consolidado con mortero, este mortero no debe ser muy húmedo y es necesario enlucir otra vez cuando ya se seque, especialmente la parte de debajo y la superficie detrás de tubo.
Fig. 3.27.- Encofrado de la viga de amarre.
Fig.3.28.- Tubos de entrada
Fig.3.29.-Colocación de tubo
Fig.3.30.- Forma correcta El tubo de carga debe ser recto. El eje del tubo debe apuntar en lo posible al centro del digestor. La entrada del tubo de carga debe quedar arriba, para que la arena que se sedimenta no obstruya el tubo de carga. En el tanque de mezcla deben sedimentarse la arena y las piedras.
Por lo tanto, la boca del tubo de carga debe quedar 3 – 5 cm por encima del piso del tanque. La construcción cilíndrica es la mejor forma y la más económica.
Fig. 3.31.- Pileta de carga Si el tanque de mezcla se llena y se tapa con una plancha metálica hasta la noche, el cieno de fermentación se calienta con el sol, más que si estuviera destapado. Luego al caer la tarde se carga el digestor.
Fig.3.32.- Influencia de la luz solar 3.6.4.4.- T U B O D E D E S C A R G A
La boca del tubo de descarga debe en lo posible estar situada bien abajo. De lo contrario escapa mucho material de fermentación fresco sin fermentar. La altura de la boca superior del tubo de descarga determina la altura del nivel del cieno de fermentación. Esta boca debe quedar 3 cm. por debajo del borde superior del muro.
Fig.3.33.- Instalación correcta 3.6.4.5.- C O N S T R U C C I Ó N D E L C U E L L O D E L D I G E S T O R
Encima de la viga se construye el denominado “cuello” del biodigestor. El cuello es un muro cilíndrico compuesto de dos secciones y está construido con ladrillo en tizón en la parte inferior sobre la viga hasta la altura de la cornisa sobre la que descansará la tapa y en soga en la parte superior. Una hilada antes de terminar la parte en tizón se coloca la tubería de conducción del biogás orientada hacia el lugar de consumo. El mortero de pega es similar al utilizado en la construcción del muro cilíndrico del cuerpo central del biodigestor. Se realiza en dos pasos: a) Primero: después de construir la pared cúpula, empieza la construcción de base de cuello (soporte de tapa). b) Segundo: Se ejecuta el resto de cuello. Se tiene que terminar el trabajo de enlucir en el estanque antes para tener suficiente luz y una comodidad en entrada y salida de estanque.
Fig. 3.34.- Cuello del biodigestor
Fig.3.35.-Construcción de cuello de digestor. Enterrar la parte construida
Fig.3.36.-Ejecución y terminación del cuello típico
Fig. 3.37.- Tapa del cuello del biodigestor.
Fig.3.38.- Detalles sobre la tapa o escotilla de entrada
Fig. 3.39.- Detalle de cierre del cuello.
3.6.4.6.- C O N S T R U C C I Ó N D E L T A N Q U E D E R E G U L A C I Ó N O C O M P E N S A C I Ó N
La construcción de tanque de regulación o compensación se realiza igual al tanque de descomposición, lo básico es fijar el nivel de salida como aparece en el diseño. Se puede empezar la construcción de tanque de regulación después de instalar el tubo de salida y llegar a parte de la cúpula del tanque de descomposición (como se mencionó anteriormente), o se puede terminar el digestor antes de empezar con el tanque de regulación.
Fig.3.40.- Palo sostenedor para construir tanque de regulación 3.6.4.7.- R E P E L L A R Y P R O T E G E R C O N T R A L A A B S O R C I Ó N D E A G U A .
Este trabajo es muy importante para prevenir la absorción de agua, especialmente en la capa interior del tanque. Para ahorrar materiales, no es necesario repellar afuera de tanque. El mortero a utilizar debe ser de arena fina, bien mezclada, en proporciones de 1 de cemento/3 arena ó 5 de cemento/1 cal/15 arena. La exigencia general es mantener la densidad estable, comprimir bien la capa y evitar la formación de ángulos en la superficie. Sólo es necesaria una capa de 1 cm, comprimida y pintada con cemento disuelto en agua. En la parte interior de tanque de descomposición, es obligado seguir los pasos siguientes: 1. Limpiar la superficie para repellar si ésta presenta suciedades 2. Usar cemento puro líquido o una mezcla de 5cemento/1 cal para cubrir la superficie a repellar 3. Repellar una capa de mortero de 0,5 cm (1cemento/3arena). Esperar a que se seque y comprimirlo con una paleta. Esperar una a dos horas para que se seque el mortero y repellar otra capa como se explicó anteriormente, continuar con la tercera y cubrir con cemento líquido puro. 4. Pintar con líquido anti-absorción: utilizar líquido de cemento mezclado con elemento anti-absorción para pintar sobre la capa repellada, la operación se repite 3 veces, siempre que se seque la capa anterior. Con este líquido se pinta principalmente la cúpula de tanque y la parte de los tubos hasta el cuello de tanque. 5. Se debe hormigonar la tapa desde el principio para asegurar la solidez necesaria. El hormigón se mezcla en proporciones de 1 de cemento/ 2 de
arena/3 de grava, las partes de abajo y alrededor se tienen que cubrir con mortero y alisar. Después se pintan las 3 capas de anti-absorción como se procedió en el interior del tanque de descomposición. . 3.6.4.8.- P R U E B A A P R E S I Ó N
En biodigestores, el almacenamiento de gas se hace en su interior. Dentro se presentan presiones que oscilan entre 1,0 y 1,45 metros de columna de agua (0,1 a 0,145 kg/cm2), según la capacidad del biodigestor. La impermeabilidad del sistema se verifica mediante la prueba a presión la cual se realiza después de finalizar la construcción del biodigestor, para permitir el fraguado de la mampostería y asegurar una resistencia adecuada. La prueba a presión consiste en simular el funcionamiento físico real de la planta y se realiza durante tres días. Para ello debe tenerse a disposición un compresor o un motor de combustión interna (por ejemplo: el de un automóvil). El aire o los gases de escape del vehículo se introducen dentro del biodigestor. El procedimiento para realizar la prueba de presión es el siguiente: Primer día: Sellado del biodigestor . Simultáneamente al sellado del biodigestor se inicia el llenado de la planta con agua por el registro de carga hasta que llega a la altura del dintel de la ventana. Se coloca la tapa de concreto en el cuello con las siguientes recomendaciones: a) Debe limpiarse la superficie del cuello y la tapa y remojarse con agua. b) Para el sello se utiliza arcilla o suelo arcilloso cernido y mezclado con cemento: en una proporción cemento-arcilla 1:8 y poca agua para obtener una masa moldeable que se coloca en la superficie de la cornisa del cuello; se instala la tapa procurando que la holgura entre esta y el cuello sea igual en todo el perímetro. Seguidamente una persona se debe parar sobre ella, ejerciendo una presión uniforme para compactar y lograr una buena adhesión de la masa arcillosa. Después se rellena en forma compacta el espacio entre el cuello y la tapa y finalmente para reforzar el cuello se coloca una mezcla pobre de cemento-arena en proporción 1:8 alrededor de la tapa. Dos horas después se llena el cuello con agua. c) Instalación de tuberías y accesorios para la prueba: se instala la tubería y accesorios en la forma como se muestra en la Figura 4, tiene una conexión (2) para el manómetro y otra para la entrada de aire (3) o gases de escape del motor. Para operar adecuadamente el sistema se deben instalar las válvulas indicadas en (1) (2) (3). Segundo día. Se debe llenar el biodigestor con agua hasta que rebose por la laguna de compensación. El manómetro se conecta a la válvula (2) y se deja abierta también la válvula (1). La válvula (3) debe estar cerrada para evitar que el aire existente, en la cúpula sea desalojado. Cuando la presión aumente debido a la compresión del aire por el agua, conviene revisar la instalación con agua y jabón para detectar fugas y observar si hay burbujas de agua en el cuello.
Fig. 3.41.- Instalación de tuberías para la prueba a presión. Se debe medir y anotar la presión que indique el manómetro, cuando el nivel de agua rebose en la laguna de compensación. Se debe observar durante una hora el comportamiento de la presión y se cierra la válvula (1). Es posible que la presión disminuya en esta primera fase, debido a que la construcción está aún absorbiendo agua. Revisión de la presión de la planta.
Primero abra las válvulas (2) y (3) para despresurizar el manómetro. Teniendo la válvula (3) cerrada, se abre lentamente la válvula (1), se mide y anota la presión registrada en el manómetro. Tercer día. Introducción de aire en la planta.
Si la prueba se lleva a cabo con un motor de combustión interna, tenga en cuenta que la alta temperatura de los gases puede fundir la tubería de PVC. Se recomienda por tanto utilizar en la conexión con el escape del vehículo un pedazo de tubo metálico y refrigerar con agua. Se instala el compresor o motor de combustión interna para introducir gases en la planta, haciendo la conexión con la válvula (3). Se abren las válvulas (1) y (2) y se enciende el motor para que entre gas hasta alcanzar la máxima presión, cierre la válvula (3) y apague el compresor o motor. Se observa en este momento la presión y se revisa al día siguiente. Se considera que la prueba es satisfactoria cuando la presión se mantiene por un período de 24 horas. Si las pérdidas de presión son mayores del 10 %, debe revisar el biodigestor e impermeabilizar las fugas.
3.7.-Instalación y selección de tuberías de gas y accesorios . El gas producido en el biodigestor debe ser conducido a los sitios de uso a través de tuberías. La tubería de presión PVC es adecuada para este fin aunque deben guardarse ciertas precauciones. La tubería PVC presenta las siguientes ventajas: a) Es resistente a la corrosión. b) Sus paredes son lisas. c) Es liviana y fácil de instalar. d) Es económica.
Como precaución conviene instalarla bajo tierra para protegerla de los rayos solares y lo suficientemente enterrada para que resista el tránsito de vehículos pesados y el paso de ganado.
Fig. 3.42.- Instalación de las tuberías. El diámetro de la tubería de gas requerido en la instalación depende de la distancia desde la planta hasta el lugar de uso del biogás, del flujo máximo de biogás requerido y de la pérdida de presión admisible. Las plantas de cúpula fija pueden tolerarse pérdidas de presión hasta de 50 mm de columna de agua y en plantas con campana flotante o con gasómetro independiente hasta de 10 mm de columna de agua. El flujo máximo de gas se obtiene sumando los consumos de los artefactos que funcionen simultáneamente y que causen el máximo consumo de gas en un momento dado. La tabla siguiente permite seleccionar el diámetro de la tubería: Tabla 3.3.- Pérdidas de presión en tuberías de biogás (PVC). (CCRD.1996.) PÉRDIDAS POR CADA 10 METROS DE TUBERÍA (milímetros columna de agua; mm/c.a.) Caudal ½” (17 mm) ¾ “ (23 mm) 1” (34 mm) 1,5” (43 3 (m /h) mm) 0,5 1,0 0,3 0,1 1,0 2,5 0,7 0,2 1,5 4,6 1,2 0,4 2,0 7,0 1,8 0,6 2,5 9,9 2,5 0,8 3,0 13,1 3,3 1,0 0,2 4,0 20,7 5,2 1,6 0,3 5,0 29,6 7,4 2,0 0,4 6,0 39,7 9,8 2,9 0,6 7,0 12,6 3,7 0,7 8,0 15,7 4,6 0,9 9,0 19,0 5,6 1,0 10,0 22,6 6,0 1,3
2” (68 mm)
0,3 0,4 0,5
3.7.1.-T RAMPAS DE AGUA Y PENDIENTES DE LA TUBERÍA El gas proveniente de un biodigestor sale generalmente con vapor de agua. Parte del vapor de agua puede condensarse en la tubería de gas causando obstrucciones si la tubería no ha sido correctamente instalada. El agua condensada en las tuberías debe escurrir hacia puntos bajos donde están localizadas las trampas de agua. De acuerdo con la topografía del terreno y la longitud del trayecto varía la cantidad de trampas de agua requeridas. Una pendiente del 2 % es suficiente para la instalación de las trampas de agua. Existen distintos tipos de trampas de agua, de tipo cerrado con una válvula de bola para purgar el agua condensada después de cierto tiempo de funcionamiento (este tipo es el más usado en la biodigestores instalados en la provincia de Matanzas) y de tipo abierto como la trampa en U; en estas trampas la altura (h) debe compensar la presión de la planta y además unos 30 cm de sobre presión. Se recomienda instalar una válvula de bola cercana al biodigestor que permita cerrar el flujo de gas en caso de una reparación en la tubería o en algún artefacto. Un manómetro como el descrito en la prueba de presión es útil instalarlo cerca de los lugares de uso del gas, ya que suministra un índice de la cantidad de gas en almacenamiento. Es conveniente disponer de una válvula de bola antes de cada artefacto, sin embargo esto por lo general es poco económico; al menos debe colocarse una válvula antes del fogón para mayor seguridad.
3.8.-A RRANQUE , OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE LOS BIODIGEST ORES . Arranque: Este es el momento más importante para lograr un buen funcionamiento del
biodigestor, si este no es correcto no se podrá lograr un funcionamiento adecuado y ha ocasionado en muchos casos la pérdida de interés por parte de los beneficiarios en el uso de estos sistemas. El arranque del biodigestor se realiza con el material de carga disponible; estiércol porcino y/o vacuno (que son los más frecuentes y de mayor disponibilidad en las zonas rurales de nuestro país), el cual debe inocularse o introducirse en el sistema con una mezcla estiércol-agua adecuada para lograr una rápida estabilización del proceso de digestión y de producción de biogás. Si la prueba de presión fue satisfactoria, se inicia el arranque del sistema operando mezclas de estiércol fresco-agua en proporciones iguales preferiblemente o utilizando agua como máximo hasta tres veces la cantidad de estiércol (1:3). En lugares donde no es factible racionalizar el agua se recomienda recolectar el estiércol fresco manualmente antes de efectuar el lavado y depositarlo en el registro de carga o cerca del canal de lavado y diluir con el agua necesaria. Este manejo permite disminuir el consumo de agua. Operación: Para que haya un crecimiento de las bacterias metanogénicas y producción
continua de biogás se requiere cargar el biodigestor diariamente. Para evitar que el material inerte como arena, piedras, y otros, entren al biodigestor es necesario que el fondo del registro de carga tenga una pendiente negativa hacia el sentido de llenado del biodigestor, o en su defecto construir un desarenador antes de este, el cual debe limpiarse periódicamente. Durante la carga debe revisarse que esté abierta la tubería que conduce la mezcla de estiércol-agua hacia el biodigestor, una vez terminada la operación de carga tapone la tubería de alimentación para evitar que entren materiales diferentes o agua de lluvia al
sistema. Verifique que la tubería de conducción de biogás no contenga agua ya que ella impide el paso de este y su utilización. Si esto se presenta revise la trampa de agua. No permita que crezca maleza alrededor de la planta.
1.- La planta cargada: 2.-El gas producido empuja el cieno de fermentación hasta el tanque de compensación: 3.- Antes de que se derrame se extrae gas 4.- Aun sin haber extraído cieno se carga de nuevo; 5. .-Se sigue consumiendo gas, el cieno de fermentación es empujado hacia atrás. La plantea deja de funcionar .
Fig.3.43.- Operación
1.-La planta se encuentra cargada hasta la línea cero; 2.-El gas producido empuja el cieno de fermentación; 3.- El gas es extraído. El cieno de fermentación ha bajado por el rebose. El gas bajo la línea acero tampoco se puede aprovechar.
Fig.3.44.- Operación
Fig. 3.45.- Circulación del cieno de fermentación en el digestor
Fig.3.46.- Agitadores
3.8.-M ANTENIMIENTO Un biodigestor requiere de mantenimiento general cuando se presenten problemas en el funcionamiento del mismo. Estos problemas se manifiestan cuando:
a) Se dificulta la entrada del material de carga debido a la acumulación de sólidos en la tubería de carga o dentro del biodigestor. Esto provoca baja producción de biogás; para resolver esta situación se debe retirar el sello de arcilla de la tapa; retirar la tapa y dejar que el biogás salga ¡NO FUMAR!; si se dispone de una motobomba evacuar los sólidos del interior del biodigestor o sino utilizar baldes. Tener en cuenta antes de entrar al biodigestor que esté bien ventilado: de lo contrario se puede producir asfixia, recuerde que dentro no hay oxígeno razón por la cual se insiste en la necesidad de una correcta ventilación antes de que una persona entre dentro del mismo. Descargar totalmente los sólidos y sedimentos del fondo y limpiar la laguna de compensación. De ser posible almacenar una parte del lodo, el cual se podrá utilizar nuevamente para reiniciar el arranque del biodigestor. b) Existe escape de biogás por la cúpula, el cuello o las zonas de unión entre estas dos partes o entre el cuerpo cilíndrico del biodigestor y la cúpula. Esta situación se determina por una pérdida de la presión del biogás, la que se puede apreciar en un deficiente funcionamiento de los equipos que lo utilizan, como fogones, motores de combustión interna, calentadores, etc. Para determinar la presencia del escape se procede a preparar una mezcla de agua con jabón o detergente y se le aplica sobre la superficie de la cúpula, el cilindro del cuello y la tapa. La zona por donde se esté escapando el biogás se determina por la presencia de burbujas. Seguidamente hay que descargar el biodigestor con un procedimiento similar al descrito anteriormente y proceder a la limpieza interior de la zona por la que se determinó la existencia del escape del biogás. Se realiza el levantamiento del estuque en dicha zona, se pica con el gavilán de la piqueta y se le vuelve a poner el estuque humedeciendo bien la zona donde se va a aplicar y el área circundante. Para lograr una buena adhesión tanto a la zona afectada como a los alrededores se debe antes de comenzar a aplicar el estuque espolvorear cemento puro en la zona, el cual contribuye a la unión entre los dos cuerpos, es decir entre la superficie a estucar y el estuque. Puede realizarse este sellaje también mediante el empleo de otros aditamentos como los señalados en la explicación de las formas de lograr la impermeabilización de la cúpula y el cuello, siempre teniendo presente que sean sustancias que no dejen ningún residuo de carácter químico, pues esto puede afectar a las bacterias y provocar que el biodigestor no funcione. c) El biodigestor no produce biogás a pesar de ser alimentado de forma regular. Este problema puede estar determinado por la presencia dentro del biodigestor de sustancias que inhiben o impiden el proceso de desarrollo de las bacterias dentro del sistema. Este fenómeno se conoce como “envenenamiento del biodigestor” y generalmente
se debe a descuidos que ocasionan la entrada de sustancias nocivas entre las que se pueden señalar hidrocarburos (derivados del petróleo), antibióticos empleados en el tratamiento de los animales o personas, así como otras sustancias que pueden afectar determinados parámetros como el pH del medio, entre las que se pueden señalar la cal, residuos de ácidos inorgánicos como el ácido sulfúrico (ácido de acumuladores), el ácido clorhídrico (salfumán) y otros. Se debe tener cuidado también para que no entre en el biodigestor residuos de fertilizantes inorgánicos que puedan incrementar la presencia de cationes metálicos cuyas concentraciones sean perjudiciales para los microorganismos e inhiban el proceso de digestión anaerobia. d) Baja producción de biogás y fetidez de los lodos finales.
Generalmente este problema es debido a deficiencias en el sistema de alimentación del biodigestor, fundamentalmente a sobrealimentación, es decir, la cantidad de estiércol con que se alimenta el sistema es superior a la capacidad de carga del mismo. Esto ocurre cuando el biodigestor no se diseña adecuadamente y es más pequeño de lo que se necesita para asimilar la cantidad de residuales generados. Cuando este fenómeno se manifiesta debe dejarse de alimentar el biodigestor por varios días y remover con un agitador el contenido del mismo para evitar la formación de costras. Si pasados varios días aún persiste el problema hay que evacuar el contenido total del biodigestor de la forma explicada anteriormente, limpiarlo bien y volverlo a cargar. Debe también revisarse que no existan fisuras en la estructura constructiva, pues la entrada de aire dentro del sistema provoca la destrucción del sistema anaerobio y el proceso ocurre por descomposición aerobia, la cual produce fetidez (olores desagradables). e) El biodigestor permanece parado por un tiempo relativamente prolongado. Esto puede ocurrir cuando por diversas causas le falta la alimentación al sistema, es decir, no se dispone de la cantidad requerida de residuales para que se mantenga en funcionamiento adecuado, lo cual puede deberse a varios factores entre los que se encuentran; que el sistema de cría de animales (cerdos, cabras, ovejas, etc) presente problemas debidos a enfermedades que afecten la masa animal, problemas económicos del productor, roturas en el sistema de consumo, u otros. En estos casos el contenido interior del biodigestor, después de haberse transformado por la acción de las bacterias metanogénicas se transforma en un material inadecuado para la alimentación de estas, lo que provoca que mueran. Este material tiende a endurecerse y es necesario proceder a la evacuación total del contenido y limpiar bien el sistema. Para realizar esta acción se recomienda agregar una determinada proporción de agua para lograr el ablandamiento de estos lodos y sacarlos por las vías recomendadas en el primer aspecto abordado en el presente capítulo referido al mantenimiento y teniendo en cuenta las recomendaciones dadas al respecto. La periodicidad de las labores de mantenimiento depende de las condiciones específicas de cada digestor: a) Eliminación de la nata y el sobrenadante. b) Eliminación de sólidos y lodos en el tanque de compensación. c) Chequeo del estado de las tuberías. d) Drenaje de las trampas de agua y puntos bajos de las tuberías. e) La planta de biogás debe ser un lugar agradable y acogedor, por ello pintar y mantener la limpieza es tan necesario como su funcionamiento satisfactorio.
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