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Presentación que presenta abundante información para el manejo y diseño de biodigestores anaerobios
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DISEÑO DE
BIODIGESTORES Y USO
DEL GAS
PRESENTACIÓN A CARGO DE:
STEPHEN B. SMITH, P.E.
VICEPRESIDENTE
SCS ENGINEERS
DIGESTIÓN ANAERÓBICA
La Digestión Anaeróbica es una reacción bioquímica que se realiza en una serie de pasos por diversos tipos de bacterias.
No hay presencia de oxígeno y se produce gas metano (un combustible).
La cantidad de gas producido varía según la cantidad de residuos orgánicos alimentados al digestor.
La velocidad de descomposición (y la producción de gas) está influenciada por la temperatura y el tiempo de espera.
APLICACIONES DE LA
DIGESTIÓN ANAERÓBICA
El proceso de digestión anaeróbica ha sido
aplicado a muchos residuos humanos, agrícolas
y de transformación, por ejemplo: Lodo residual municipal
Estiércol de ganado vacuno lechero y de abasto
Estiércol de ganado ovino
Estiércol de ganado porcino
Estiércol de aves de corral
Residuos de la transformación de la papa
Residuos de molinos de aceite de oliva
TIPOS DE RESIDUOS A
CONSIDERAR
HUMANOS
GANADO VACUNO LECHERO
GANADO VACUNO DE ABASTO
GANADO OVINO
GANADO
PORCINO
AVES DE
CORRAL
HUMANOS
Dependen de muchos factores comunitarios
Promedio de 0.3 metros cúbicos diarios de caudal de aguas residuales per cápita
Es necesario obtener información local sobre sistema de tratamiento
GANADO VACUNO
LECHEROTamaño Producción
del animal de estiércol
Kg Kg/día
68 5.4
113 9.1
227 18.6
454 37.2
635 52.2
87.3% Humedad
promedio
GANADO VACUNO DE
ABASTO
Tamaño Producción
del animal de estiércol
Kg Kg/día
227 13.6
340 20.4
454 27.2
567 34.0
Vaca 28.6
88.4% Humedad promedio
GANADO OVINO
Tamaño Producción
del animal de estiércol
Kg Kg/día
45.4 1.8
75% Humedad promedio
GANADO PORCINO
Tipo Producción
y tamaño de estiércol
del animal, Kg Kg/díaCriadero, 15.9 1.0
Crecimiento, 29.5 1.9
Período final
de engorde, 68.0 4.4
Cerda en
gestación, 124 4.0
Cerda y crías, 170 15.0
Cerdo macho, 159 5.0
90.8% Humedad promedio
AVES DE CORRAL
Tipo Producción
y tamaño de estiércol
de ave, Kg Kg/día
Pollo
Ponedoras, 1.8 0.10
Pollos para
asar, 0.9 0.06
Pavos, 9.0 0.64
74.8% Humedad promedio
MANEJO DEL ESTIÉRCOLESTIÉRCOL SÓLIDO El estiércol con
concentraciones de sólidos del orden del 20% o superiores puede ser manejado como un sólido.
El estiércol sólido resulta de tomar y mantener el excremento en estratificación, o de permitir el escape de líquidos.
Digestión “seca” o agua puede añadirse para una digestión “húmeda”.
ESTIÉRCOL LÍQUIDO El estiércol líquido
requiere grandes gastos de inversión, pero minimiza el tiempo y la mano de obra.
El estiércol líquido puede ser almacenado para evitar olores y problemas de vectores.
Listo para la digestión “húmeda”.
SISTEMA DE MANEJO DEL
ESTIÉRCOL
TIPOS DE DIGESTORES
ANAERÓBICOS
LAGUNAS
DE LOTE
“HÚMEDO” DE UNA ETAPA
“SECO” DE UNA ETAPA
PLUG FLOW (DE TIPO TUBULAR) DE DOS ETAPAS
DOS ETAPAS, RETENCIÓN DE BIOMASA
SISTEMA DE LAGUNAS
COMPONENTES DE DISEÑO
DE SISTEMA DE LAGUNAS VOLUMEN DE DISEÑO MÍNIMO – ofrece
suficiente espacio para mantener poblaciones bacterianas adecuadas. Mantenga SIEMPRE este volumen.
RESIDUOS DE GANADO – la cantidad de residuos producidos por los animales entre ciclos de bombeo.
VOLUMEN DE DILUCIÓN – cantidad de agua que debe ser añadida a la laguna entre ciclos de bombeo.
MÁRGENES DE SEGURIDAD – aguas pluviales u otros factores de escurrimiento.
VOLUMEN DE DISEÑO MÍNIMO
DE LAGUNA ANAERÓBICA
GANADO
Clima Porcino Abasto Lechero Aves corral
--------- Peso ganado, m3/Kg
Frío 0.12 0.15 0.21 0.22
Templado 0.06 0.08 0.11 0.11
Cálido 0.03 0.04 0.06 0.06
Frío = Cada invierno se forma hielo considerable;
Templado = algo de hielo; Cálido = sin hielo.
Los volúmenes consignados no incluyen margen por lodo o dilución.
SUGERENCIAS PARA EL
DISEÑO DE LAGUNAS
VOLUMEN DE DISEÑO MÍNIMO = el valor de la tabla para su ganado y clima, multiplicado por el número de animales y su peso promedio.
RESIDUOS DE GANADO = un tercio del volumen de diseño mínimo para ciclo de bombeo dos veces por año.
VOLUMEN DE DILUCIÓN = la mitad del volumen de diseño mínimo.
MARGEN DE SEGURIDAD = decisión del ingeniero
FACTORES OPERACIONALES
El agua de dilución proviene del agua de lavado, el rebose del agua de los animales, la precipitación desviada de los techos y el agua de superficie, la precipitación menos evaporación en la superficie de la laguna (si no capta gas), o agua bombeada de un pozo. Los residuos orgánicos del ganado son duros, y si la laguna no es regularmente diluida, falla debido a que los minerales y residuos adquieren un grado de concentración excesivo.
Los sólidos deben ser retirados periódicamente.
SISTEMA DE LAGUNA TÍPICO
EVALUACIÓN
VENTAJAS
Costos medianos
Baja tecnología
Proceso relativamente
fiable
Consumo mediano de
agua
Puede resolver otros
problemas
ambientales
DESVENTAJAS
Es difícil captar
biogás
Se requiere una
extensión de terreno
grande
Baja producción de
biogás
SISTEMAS DE LOTE
SISTEMA DE LOTE TÍPICO
EVALUACIÓN
VENTAJAS
Sencillo
Bajos costos
Baja tecnología
Proceso relativamente
fiable
Bajo consumo de agua
DESVENTAJAS
Obstrucción
Podría necesitar un
agente de acumulación
Riesgo de explosión
durante el vaciado
Encauzamiento de
remezclado
Baja producción de
biogás
SISTEMA “HÚMEDO” DE UNA
ETAPA
TÍPICO SISTEMA “HÚMEDO”
DE UNA ETAPA
EVALUACIÓN
VENTAJAS
Proceso conocido
Dilución de inhibidores con agua dulce
El equipo para manejar el fango es de bajo costo
Producción de biogás de mediana a alta
El equipo se puede conseguir fácilmente
DESVENTAJAS
Pasos adicionales de tratamiento previo y mayor volumen del reactor
Cortocircuito
Fases de hundimiento y flotación
Sensible a cargas de choque
Alto consumo de agua
Alto costo de energía por calefacción
SISTEMA “SECO” DE UNA
ETAPA
A ilustra el diseño Dranco;
B los diseños Kompogas y BRV; y
C el diseño Valorga
EVALUACIÓN
VENTAJAS
No hay partes móviles
dentro del reactor
Cortocircuito mínimo
Dispersión de
inhibidores limitada
Baja utilización de agua
Bajo uso de energía
DESVENTAJAS
Los residuos húmedos
(<20% de sólidos
totales) no pueden ser
tratados
No hay dilución de
inhibidores
Producción de biogás
de baja a mediana
SISTEMA PLUG FLOW (TIPO
TUBULAR) DE DOS ETAPAS
El proceso Schwarting-Uhde
TÍPICO SISTEMA PLUG FLOW
(DE TIPO TUBULAR) DE DOS
ETAPAS
EVALUACIÓN
VENTAJAS
Flexibilidad de diseño
Fiable para residuos
pobres en celulosa
Diseño fiable para
ratios C/N menores de
20
Producción de biogás
de buena a alta
DESVENTAJAS
Operación compleja
Sujeto a funcionamientos defectuosos del digestor a partir de los inhibidores
Alto consumo de agua
Altos costos
Altos costos de energía por calefacción, de usarse
DOS ETAPAS, RETENCIÓN DE
BIOMASA
TÍPICO SISTEMA DE DOS
ETAPAS, RETENCIÓN DE
BIOMASA
EVALUACIÓN
VENTAJAS
Flexibilidad de diseño
Menos sujeto a
funcionamientos
defectuosos del
digestor a partir de los
inhibidores
Alta producción de
biogás
DESVENTAJAS
Operación compleja
Alto consumo de agua
Altos costos
Altos costos de energía
por calefacción
PRODUCCIÓN DE BIOGÁS
La biometanización de residuos orgánicos se
logra a través de un proceso de dos pasos
PRIMER PASO•Las bacterias
facultativas convierten
los sustratos orgánicos
en ácidos orgánicos,
principalmente el ácido
acético, propiónico y
láctico
SEGUNDO PASO•Los metanógenos
convierten los ácidos
volátiles en metano,
dióxido de carbono,
otros gases en baja
concentración y agua
FACTORES DE PRODUCCIÓN
DE BIOGÁS
FACTOR DE CARGA ORGÁNICA
TIEMPO MEDIO DE RESIDENCIA
CELULAR
TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICO
TEMPERATURA DE OPERACIÓN
FACTOR DE CARGA
ORGÁNICA
Kg’s de Sólidos Volátiles (VS) añadidos por
día por m3 de capacidad del digestor
Los digestores de tasa estándar están entre
0.5 y 1.6 Kg/m3-d
Los digestores de alta tasa están entre 1.6 y
6.4 Kg/m3-d
Dependen de las concentraciones de lodo
TIEMPO MEDIO DE
RESIDENCIA CELULAR La cantidad de tiempo que las bacterias tienen
que estar en contacto con la carga orgánica
El tiempo medio de residencia celular es la masa de células en el reactor dividida entre la masa de células agotada por día
Para digestores de régimen continuo o plug flow (de tipo tubular) sin remezclado, el tiempo medio de residencia celular es el mismo que el tiempo de retención hidráulico
La eficiencia de la reducción de los sólidos volátiles se ve enormemente afectada por el tiempo y la temperatura
TIEMPO DE RETENCIÓN
HIDRÁULICO
El tiempo de retención hidráulico es el
volumen del digestor dividido entre la
velocidad de flujo, V/Q
El tiempo de retención hidráulico debe
ser lo suficientemente largo para evitar
el escape de biomasa activa
TEMPERATURA DE
OPERACIÓN
Los organismo anaeróbicos, particularmente
los metanógenos, son fácilmente inhibidos
incluso por pequeños cambios en la
temperatura.
Lo más común es operar digestores de alta
tasa entre 30 y 38 grados C (mesofílicos)
COMPARACIÓN DE
FACTORES
TEMP. DISEÑOOPER., C MCRT, d MCRT, d
18 11 2824 8 20 30 6 1435 4 1040 4 10
MCRT = Tiempo Medio de Residencia CelularLos datos corresponden a régimen continuo o plug
flow (del tipo tubular)
PRODUCCIÓN DE BIOGÁS
En digestores de alta tasa, la producción de
gas oscilará típicamente entre 0.5 y 0.75
m3/Kg de sólidos volátiles añadidos; o
De 0.75 a 1.12 m3/Kg de sólidos volátiles
destruidos
CAPTACIÓN DE BIOGÁS
No se debe permitir que el gas y el aire se mezclen, o puede resultar una mezcla explosiva
Las tuberías de gas y las válvulas de seguridad deben incluir apagallamas
Cubierta flotante o cubierta fija para el digestor
Debe proveerse almacenamiento de gas
Pueden considerarse compresores de gas
DIAGRAMA DE FLUJO E INSTALACIÓN
USO DEL BIOGÁS
Un m3 de metano a temperatura estándar (STP) tiene un valor de calefacción de 35,800 kJ/m3
El gas de tanque digestor de alta tasa promedia el 65% del metano, el valor neto de calefacción es de 22,400 kJ/m3
Combustible para caldera
Combustible para motores de combustión interna
Agua caliente para calefacción del ambiente o afluente del digestor
CALDERAS
MICROTURBINAS
GENERADORES PARA
MOTORES DE COMBUSTIÓN
INTERNASkid-mounted Gas Engine
Generator
(Jenbacher)
Skid-mounted Gas Engine
Generator
(Jenbacher)
Skid-mounted Gas Engine
Generator
(Jenbacher)
Skid-mounted Gas Engine
Generator
(Jenbacher)
Skid-mounted Gas Engine
Generator
(Jenbacher)
Skid-mounted Gas Engine
Generator
(Jenbacher)
RESUMEN
TIPOS DE RESIDUOS
DESCRIPCIÓN DE BIODIGESTORES
TIPOS DE BIODIGESTORES
FACTORES EN EL DISEÑO Y LA
CONSTRUCCIÓN
USO DEL BIOGÁS
Stephen B. Smith, P.E
SCS ENGINEERS
2075 N. 44th St. Suite 105B
Phoenix, AZ 85008
(602) 840-2596
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