E.P. INGENIERIA SANITARIA Y AMBIENTAL
Proyecto de biodigestor curso: formulación y evaluación de Proyectos DOCENTE: ECO. FANY QUISPE BARRA
Estudiante: DIONY CALLOAPAZA QUISPE ABRIL: 2018
JULIACA-PERU
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Tabla de contenido RESUMEN. ......................................................................................................................... 3
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INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 4
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UBICACIÓN DEL PROYECTO: .............................................................................................. 5
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OBJETIVOS DEL PROYECTO:............................................................................................... 5
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JUSTIFICACIÓN................................................................................................................... 6
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PROBLEMAS A RESOLVE .................................................................................................... 7
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ALCANCES Y LIMITACIONES:.............................................................................................. 7
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MARCO TEÓRICO ............................................................................................................... 8
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PARA QUE SON UTILIZADOS LOS BIODIGESTORES.......................................................... 11
10.
COMO TRABAJA EL BIODIGESTOR ............................................................................... 11
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CONSTRUCCIÓN DEL BIODIGESTOR ............................................................................ 12
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1. RESUMEN. En el distrito de Achaya se diseñara, evaluar un método más eficiente y se evaluara el funcionamiento de un biodigestor familiar de material de fibra de vidrio, utilizando adobe en las paredes de la zanja, acolchonado por una manta de sacos y revestido por un cobertor negro lo que ayuda a mantener cálido el sistema; alimentado con estiércol fresco de ganado ovino y vacuno. Se evaluó el sistema en los meses de Marzo y Abril del 2011, donde se controló el pH del lodo, producción de biogás diaria, temperatura de la manga en tres regiones y la temperatura ambiental. El tiempo de retención inicial fue de 30 días, produciendo posteriormente biogás en forma diaria con un promedio de 400 litros/día con un rango de temperatura del biodigestor entre 30 a 40ºC oscilando la temperatura ambiente entre 20 y 30ºC durante los meses de evaluación. Se cuantificó la producción diaria de biol, resultando en 40 litros/día en promedio y se modificó una cocina de kerosene para comprobar la utilidad del biogás como combustible. Además, se realizó un estudio descriptivo sobre el desarrollo de biodigestores en Tacna, en las zonas del Cercado, La Yarada e Ite. Haciendo una exhaustiva investigación y aplicando el método de encuesta directa, se encontró que en Tacna predominan los biodigestores caseros tipo chino de 5m3 de capacidad en promedio, los cuales fueron construidos hace más de quince años atrás y alimentados por excretas de ganado bovino. Aquellos biodigestores estuvieron en operación alrededor de tres años en promedio y actualmente se encuentran destruidos o abandonados por sus respectivos usuarios por diferentes causas, siendo el más común la baja rentabilidad del negocio pecuario el cual a sido reemplazado por la agricultura y además, la falta de personal que se dedique al manejo y mantenimiento del biodigestor. Finalmente se difunde el trabajo de investigación realizada entre la población, demostrando las bondades del biogás y biol. Palabras-clave: Biogás, Biodigestor, Biol,
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2. INTRODUCCIÓN Un biodigestor es un sistema natural que aprovecha la digestión anaerobia (en ausencia de oxigeno) de las bacterias que ya habitan en el estiércol, para transformar este en biogás y fertilizante. El biogás puede ser empleado como combustible en las cocinas, o iluminación (lámparas de gas o gasolina), y en grandes instalaciones se puede utilizar para alimentar un motor que genere electricidad. El fertilizante, llamado biól, actualmente se está considerando de la misma importancia, o mayor, que el biogás ya que provee a las familias campesinas de un fertilizante natural que mejora el rendimiento de las cosechas. Los biodigestores familiares de bajo costo han sido desarrollados y estarán siendo implementados al sur de Perú en departamento de puno, pero en Sudamérica, solo países como Cuba, Colombia y Brasil tienen desarrollada esta tecnología. Se caracterizan por su bajo costo, fácil instalación y mantenimiento, así como por requerir sólo de materiales locales para su construcción. Por ello se consideran una tecnología apropiada‘. Ventajas: En las grandes urbes, los residuos sólidos orgánicos
son un gran problema ya que éstos son dispuestos en rellenos sanitarios los cuáles rompen el ciclo natural de descomposición porque contaminan las fuentes de agua subterránea debido al lavado del suelo por la filtración de agua (lixiviación) y también porque favorece la generación de patógenos. Los residuos orgánicos al ser introducidos en el biodigestor son descompuestos de modo que el ciclo natural se completa y las basuras orgánicas se convierten en fertilizante y biogás el cual evita que el gas metano esté expuesto ya que es considerado uno de los principales componentes del efecto invernadero. La utilización de biogás puede sustituir a la electricidad, al gas propano y al diésel como fuente energética en la producción de electricidad, calor o refrigeración. En el sector rural el biogás puede ser utilizado como combustible en motores de generación eléctrica para autoconsumo de la finca.
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3. UBICACIÓN DEL PROYECTO: La localización de proyecto de generación de biogás esta para departamento puno. Principalmente para zona de provincia de Azángaro, Distrito de Achaya. Achaya es un distrito de la provincia de Azángaro, en la región peruana de Puno, en el sudeste del Perú y está ubicado a orillas del río Azángaro. Está ubicada en el piso ecológico SUNI, una de las mayores regiones naturales de Perú, que se sitúa entre los 3.600 y los 3.900 msnm.
Imagen de la provincia de Azángaro 4. OBJETIVOS DEL PROYECTO: Generar gas metano y reducir gases de efecto invernadero (GEI), mediante la destrucción del metano (CH4) presente en el biogás, contribuyendo a la contención del cambio climático.
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Generar energía biogás producido por resto de estiércol de los animales y resto de materia orgánica presentes en la zona rural de la región de puno. 5. JUSTIFICACIÓN La falta de leña para cocinar en la regiones de puno, hacen de estos sistemas interesantes para su difusión, divulgación y diseminación a gran escala. Los biodigestores pueden ser familiares y de bajo costo. Las familias dedicadas a la agricultura, suelen ser propietarias de pequeñas cantidades de ganado (dos o tres vacas por ejemplo) y pueden, por tanto, aprovechar el estiércol para producir su propio combustible y un fertilizante natural mejorado. Se debe considerar que el estiércol acumulado cerca de las viviendas supone un foco de infección, olores y moscas que desaparecerán al ser introducido el estiércol diariamente en el biodigestor familiar. También es importante recordar la cantidad de enfermedades respiratorias que sufren, principalmente las mujeres, por la inhalación de humo al cocinar en espacios cerrados con leña y bosta. La combustión del biogás no produce humos visibles y su carga en ceniza es infinitamente menor que el humo proveniente de la quema de madera.
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6. PROBLEMAS A RESOLVE Los biodigestores familiares de bajo costo han sido desarrollados y están ampliamente implementados en países del sureste asiático, pero en Sudamérica, solo países como Cuba, Colombia y Brasil tienen desarrollada esta tecnología. El desconocimiento de esta alternativa en esta región así como sus beneficios, nos permiten atacar varios problemas como son: Desconocimiento de estas alternativas. Dar un uso al estiércol de animales de crianza y ganadería de las rancherías, eliminando con esto el riesgo que provocan las bacterias que habitan en el estiércol (enfermedades, malos olores, contaminación de las fuentes de agua subterránea), para transformar este en biogás y fertilizante En el sector rural el biogás puede ser utilizado como combustible sustituto del gas en la cocina. El fertilizante, llamado biól, actualmente se está considerando de la misma importancia, o mayor, que el biogás ya que provee a las familias campesinas de un fertilizante natural que mejora el rendimiento de las cosechas. Los residuos orgánicos al ser introducidos en el biodigestor son descompuestos de modo que el ciclo natural se completa y las basuras orgánicas se convierten en fertilizante y biogás el cual evita que el gas metano esté expuesto ya que es considerado uno de los principales componentes del efecto invernadero.
7. ALCANCES Y LIMITACIONES: Alcances: El presente proyecto pretende implementar las alternativas que investigaciones y desarrollo de ciencias aplicadas ofrece para la vida y el desarrollo de la sociedad. Se pretende realizar pruebas para diseñar eficientes y eficaces sistemas de biodigestor casero. Limitaciones: La producción de biogás es permanente, aunque no siempre constante debido a fenómenos climáticos.
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El recurso necesario (dinero, tiempo, esfuerzo, y disponibilidad es limitada) para la experimentación y la elaboración de prototipos de prueba de biodigestores. La apropiación de la tecnología por parte de la familia. Así como la inversión que a pesar de ser baja, la sociedad de las comunidades rurales no cuenta con dicho capital para desarrollar el sistema biodigestor. 8. MARCO TEÓRICO El fenómeno de biodigestión ocurre porque existe un grupo de microorganismos bacterianos anaeróbicos (ausencia de oxígeno) presentes en el material fecal que, al actuar sobre los desechos orgánicos de origen vegetal y animal, producen una mezcla de gases con alto contenido de metano (CH4) llamada biogás, que es utilizado como combustible. Como resultado de este proceso genera residuos con un alto grado de concentración de nutrientes y materia orgánica (ideales como fertilizantes) que pueden ser aplicados frescos, pues el tratamiento anaerobio elimina los malos olores y la proliferación de moscas. Una de las características más importantes de la biodigestión es que disminuye el potencial contaminante de los excrementos de origen animal y humano, disminuyendo la Demanda Química de Oxigeno DQO y la Demanda Biológica de Oxígeno DBO hasta en un 90% (dependiendo de las condiciones de diseño y operación). Se deben controlar ciertas condiciones pH, presión y temperatura a fin de que se pueda obtener un óptimo rendimiento. Los principales componentes del biogás son el metano (CH4) y el dióxido de carbono (CO2). Aunque la composición del biogás varía de acuerdo a la biomasa utilizada, su composición aproximada se presenta a continuación (Werner et al 1989):
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También el biogás puede ser utilizado como combustible para motores diesel y a gasolina, a partir de los cuales se puede producir energía eléctrica por medio de un generador. En el caso de los motores diesel, el biogás puede reemplazar hasta el 80% del acpm o diesel (la baja capacidad de ignición del biogás no permite reemplazar la totalidad del acpm en este tipo de motores que carecen de bujía para la combustión). Aunque en los motores a gasolina el biogás puede reemplazar la totalidad de la misma, en general en los proyectos a nivel agropecuario se le ha dado preferencia a los motores diesel considerando que se trata de un motor más resistente y que se encuentra con mayor frecuencia en el medio rural. 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 1hora. Hacer funcionar una incubadora de 1 m3 de capacidad durante 30 minutos. Hacer funcionar un motor de 1 HP durante 2 horas. Ver figura 1.
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Figura 1. Estructura de un Biodigestor.
El biodigestor es un sistema sencillo de implementar con materiales económicos y se está introduciendo en comunidades rurales aisladas y que no tienen fácil acceso a gas (GLP). para obtener el doble beneficio de conseguir solventar la problemática energética-ambiental, así como realizar un adecuado manejo de los residuos tanto humanos como animales. Debido a la ausencia de oxígeno en el interior de la cámara hermética, las bacterias anaerobias contenidas en el propio estiércol comienzan a digerirlo. Primeramente se produce una fase de hidrólisis y fermentación, posteriormente una acetogénesis y finalmente la metanogénesis por la cual se produce metano. El producto gaseoso llamado biogás, realmente tiene otros gases en su composición como son dióxido de carbono (20- 40%), nitrógeno molecular (2-3%) y sulfhídrico (0,5-2%), siendo el metano el más abundante con un 60-80%. La conducción de biogás hasta la cocina se hace directa, manteniendo todo el sistema a la misma presión: entre 8 y 13 cm de columna de agua dependiendo la altura y el tipo de fogón. Esta presión se alcanza incorporando en la conducción una válvula de seguridad construida a partir de una botella de refresco. Se incluye un tee‘ en la conducción, y
mientras sigue la línea de gas, el tercer extremo de la tubería se introduce en el agua contenido en la botella de 8 a 13 cm. También se añade un reservorio, o almacén de biogás, en la conducción, permitiendo almacenar unos 2 a 3 metros cúbicos de biogás. Estos sistemas adaptados para altiplano han de ser ubicados en cunas ‘enterradas para aprovechar la inercia térmica del suelo, o bien dos paredes gruesas de adobe en caso que no se pueda cavar. Además se les encierra a los biodigestores en un invernadero de un sola agua, soportado sobre las paredes laterales de adobe. En el caso de biodigestores de trópico o valle, el invernadero es innecesario pero se ha de proteger el plástico con una semisombra. Los costes en materiales de un biodigestor pueden variar de 110 dólares para trópico a 170 dólares para altiplano, ya que en la altura tienen mayores dimensiones y requieren de carpa solar. En su forma simple es un contenedor (llamado reactor) el cual está herméticamente cerrado y dentro del cual se deposita material orgánico como excremento y desechos vegetales (exceptuando los cítricos ya que éstos acidifican). Los materiales orgánicos se ponen a fermentar con cierta cantidad de agua, produciendo gas metano y fertilizantes orgánicos ricos en fósforo, potasio y nitrógeno. 9. PARA QUE SON UTILIZADOS LOS BIODIGESTORES Los biodigestores han de ser diseñados de acuerdo a su finalidad, a la disposición de ganado y tipo, y a la temperatura a la que van a trabajar. Un biodigestor puede ser diseñado para eliminar todo el estiércol producido en una granja de cerdos, o bien como herramientas de saneamiento básico en un colegio. Otro objetivo sería el de proveer de 5 horas de combustión en una cocina a una familia, para lo que ya sabemos que se requieren 20 kilos de estiércol fresco diariamente. Como se comentó anteriormente, el fertilizante líquido obtenido es muy preciado, y un biodigestor diseñado para tal fin ha de permitir que la materia prima esté mayor tiempo en el interior de la cámara hermética así como reducir la mezcla con agua a 1:3. 10.COMO TRABAJA EL BIODIGESTOR La temperatura ambiente en que va a trabajar el biodigestor indica el tiempo de retención necesario para que las bacterias puedan digerir la materia. En ambientes de 30 ºC se requieren unos 10 días, a 20 ºC unos 25 días y en altiplano, con invernadero, la temperatura de trabajo es de unos 10 ºC de media, y se requieren 55 días de tiempo de retención.
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11.CONSTRUCCIÓN DEL BIODIGESTOR La figura 2 es un dibujo del perfil de un biodigestor para tener una idea básica de su concepto. En el dibujo, A representa el tanque donde se va a digerir la mezcla de agua y estiércol. Cuando uno está trabajando con el estiércol de vacas en un biodigestor de este tamaño (1.9 metros de hondo X 1.5 metros de ancho X 3 metros De largo = 25.65m3 ), hay que echarle 10 galones de agua y 5 galones de estiércol cada día. Con el uso de los desechos porcinos, uno puede trabajar con una relación 1:1, o sea, 5 galones de agua por el mismo volumen de desechos. “B” representa el tubo de entrada y debe entrar en el tanque cerca del
fondo “C” representan el tubo de salida y debe entrar en el tanque justo por
debajo de la primera fila de block de cemento. “D representan la pila de carga y debe tener un volumen mayor de 15 ”
galones para poder mezclar el agua con los desechos antes de ingresar la mezcla al tanque “E” representa la pila de descarga.
Figura 2. Perfil de un biodigestor
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Los círculos verdes representan los pines que van a sostener el marco del plástico en el caso de una bajada en el nivel de la mezcla en el tanque. Los círculos morados representan los ganchos que van a estar contra el marco del plástico mientras que intenta flotarse hasta la superficie. Los tubos con curvas que están en los dos lados del tanque son los tubos por los cuales pasa la soga delgada que es para mezclar el contenido del tanque para que no se forme una capa sólida por la superficie que puede ahogar a las bacterias que digieren adentro. Atados a esta soga estarán desde 3 hasta 5 envases (un galón cada uno) llenos hasta la mitad con arena que van a ayudar a batir la mezcla. En la figura 3 se muestra una imagen donde, la raya amarilla suspendida representa el nivel de la mezcla líquida dentro del tanque. Nótese que el nivel está parejo con el nivel del tubo de salida. Esta paridad es importante porque cada día, cuando se echa la mezcla, el mismo volumen debe salir del tubo de salida que entró por la pila de carga. Este líquido que sale de la salida se recoge en un balde (pila de descarga) para echar a cualquier planta como fertilizante. La bolsa negra sobre el tanque es el plástico y su marco que se intenta flotar, se acomoda contra los ganchos y que coge el biogás que se escapa de la superficie de la mezcla. Las flechas representan el biogás que luego se escapa por el hoyo en el medio del plástico y se va por el tubo PVC hasta la cocina donde se quema para cocinar.
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