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COMPARACIÓN ENTRE GENERACIÓN DE BIOGÁS POR MEDIO DE
DIGESTIÓN ANAEROBIA SECA Y HÚMEDA, DE RESIDUOS ORGÁNICOS PROVENIENTES DE FERIAS LIBRES.
Estefanía Contreras Hernández, Christian Seal Mery, Víctor Flores Collao, Luis Lastra
Rodríguez 1Departamento de Ingeniería Civil en Obras Civiles, Universidad de Santiago de Chile
*Autor corresponsal: Director del Departamento de Ingeniería Civil en Obras Civiles, Universidad de Santiago de
Chile, Av. Libertador Bernardo O´Higgins 3363, Santiago, Región Metropolitana. Código Postal: 9170022, Chile.
Email: [email protected]; [email protected]; [email protected]
Resumen
La digestión anaerobia consiste en la degradación de materia
orgánica, por medio de bacterias en la ausencia de oxígeno, y
uno de sus subproductos debido a la actividad microbiológica es la generación de biogás. Este gas puede llegar a contener un
porcentaje importante de metano, el que presenta un alto valor
como combustible y además corresponde a uno de los gases
responsables al efecto invernadero, y el cual debe ser manejado adecuadamente. Un ejemplo correcto de la gestión
del metano corresponde a la digestión de los residuos
orgánicos municipales, contribuyendo a la captura y
utilización de este gas y la obtención de biocombustibles. En la actualidad el proceso de digestión se realiza en varios países
del mundo, sobretodo en plantas de tratamiento de agua
servida en lo que se conoce como Digestión anaerobia
húmeda. No obstante, el mismo proceso con un menor contenido de humedad (digestión seca), no ha tenido el mismo
desarrollo tecnológico y operacional en la región
Latinoamérica. El presente documento, entrega una
comparación teórica y empírica de la producción de biogás de ambos procesos con el fin de identificar y proyectar posibles
ventajas comparativas entre ambas digestiones, con tal de
evaluar su utilización como alternativa de gestión de residuos
sólidos orgánicos.
Palabras claves: Biogás, Digestión Anaerobia, Residuos
Sólidos Orgánicos.
Introducción El crecimiento sostenido de la población en lugares urbanos en Latinoamérica ha provocado, no tan solo un conflicto
demográfico y social, sino también, un problema sanitario con
una mayor producción de los Residuos Sólidos Urbanos
(RSU) generado por la población. Si bien este conflicto se ha documentado desde hace bastante tiempo, es en los últimos
años, donde se ha tomado conciencia de sus impactos socio
ambiental y se ha empezado a gestionar de forma más
responsable. Es tal el impacto, que organismos internacionales como la
Organización de las Naciones Unidas ONU (2012), detalló la
generación de residuos producidos en Latinoamérica y el
caribe, correspondiente a 436.000 Toneladas diarias, equivalente a 1.02 kg/hab/día.
Si bien los datos de generación son significativos, mucho más
impactante son los datos entregados por El Banco
Interamericano de Desarrollo (BID), menciona que el 45% de los desperdicios de la región no recibe una disposición o
tratamiento adecuado, ya que sólo el 19.8% de los Municipios
latinoamericanos cuentan con planes de gestión de los
residuos sólidos, mientras que el 2.2% tiene programas formales para su reciclaje.
Debido a lo anterior, se hace necesario buscar alternativas
sustentables y económicamente factibles para el manejo de los
RSU, y una alternativa es la recuperación energética. La digestión anaeróbica es un proceso biológico complejo,
donde la materia orgánica es degradada y una fracción es
convertida en biogás. El biogás corresponde a una mezcla de
dióxido de carbono, metano y trazas de otros gases, el cual puede ser utilizado como combustible o para producir
electricidad. Los microorganismos involucrados en el proceso
son sensibles a la presencia de oxígeno, pudiendo incluso
inhibir el proceso, el que se lleva a cabo en digestores donde se almacenan y se procesan los residuos.
En la actualidad, se cuenta con variados estudios y plantas
operativas de Digestión anaeróbica Húmeda en la comunidad
internacional y regional Latinoamérica, no así, para el proceso seco. En este trabajo de investigación se analizó la digestión
anaerobia de los residuos sólidos orgánicos provenientes de
ferias libres, utilizando una muestra en 4 reactores a pequeña
escala y dividiendo estos en dos reactores para digestión
anaerobia seca y dos reactores para digestión anaerobia
húmeda, para así lograr aportar a los estudios de ambos
procesos.
La diferencia entre la digestión anaerobia seca y húmeda radica en el porcentaje de sólidos que posee el proceso
biológico. El primero, corresponde a una pasta con un
contenido de sólidos de 20 a 40% mientras que para el segundo
corresponde a un líquido o lodo con un contenido de sólidos del 10 al 15%, siendo usado principalmente en plantas de
tratamiento de aguas servidas y residuos agroindustriales.
Para esta investigación, en la parte experimental, se generará
biogás, en condiciones de laboratorio, mediante residuos proveniente de ferias libres y posteriormente se desarrollará
una comparación teórica de ambos procesos.
Metodología Materiales
Los materiales utilizados para el método experimental
fueron:
4 Reactores con sensores de CO2 y CH4, Bluesen®.
Software FERMVis y BACVis, Bluesens®.
Software JMP 13 y Microsoft Excel.
1 Computador
4 Medidores de volumen de gas (milligascounter), Ritter®
1 Baño de maría
2 Balanzas
1 Agitador
1 Horno de secado
1 Licuadora
El procedimiento de laboratorio se adecúa a los manuales de
operación de los equipos de laboratorio BlueSens y
MilliGascounter de Ritter.
Método experimental
El sustrato utilizado en, todos los reactores de pequeña escala,
corresponde una fracción de materia orgánica junto con la adición de un inóculo. Se tomó una fracción aleatoria de
residuos orgánicos provenientes de ferias libres de la ciudad
de Santiago de Chile, Región Metropolitana. Estos residuos
corresponden a frutas y verduras de estación (zapallo, frutillas, palta, maíz, lechuga, brócoli, entre otros). En esta fracción se
descartaron los frutos cítricos (limón y naranja), dado que
estos tienen un potencial de inhibir la producción de biogás,
Silvio Montalvo (2015). Se descartaron los residuos de origen animal, ya que estos no son representativos de las ferias libres.
Se separan 3 muestras homogéneas para calcular la humedad,
estas fueron puestas en un horno a 100°C por 48 horas.
El inóculo, utilizado en todos los digestores, está fabricado a base de excretas de gato, las cuales fueron disueltas en un
fluido con altos nutrientes y azúcar adicionada, para luego de
mantener a una temperatura constante de 35°C por 48 horas,
se deja decantar. Utilizando de esta forma la fase líquida como inóculo para agregar a cada reactor, los cuales son sellados
herméticamente.
Digestión Anaerobia seca (Sin reducción)
La Materia orgánica es ingresada al digestor, separando solamente los residuos de origen animal, y posteriormente
agregándole agua y el inoculo. Se utilizó alrededor de 1000 g
de sólidos por reactor, correspondiente a un 20% del total, el
otro 80% restante corresponde a agua. Digestión Anaerobia seca (Con reducción)
La Materia orgánica seleccionada pasa por un proceso de
licuado, ingresando la pasta al digestor junto al inoculo y a el
agua. Se utilizó alrededor de 800 g de sólidos por reactor, correspondiente a un 20% del total, el otro 80% restante
corresponde a agua.
Digestión Anaerobia Húmeda (Con reducción)
La Materia orgánica seleccionada pasa por un proceso de
licuado, ingresando la pasta al digestor junto al inoculo y a el
agua. Se compone de 400 g de sólidos aproximados, que
representan el 10% del total y el contenido restante es 90% de
agua.
Adicionalmente, a cada caso, se agregó 20 ml de inóculo a
cada digestor. Finalizada la preparación de la biomasa, es
introducida en los digestores y se dejan permanentemente a
temperatura constante de 35º C. Diariamente se agitan (mezclan) todos los digestores de forma manual, para
posteriormente proceder a medir el volumen individual del gas
metano y dióxido de carbono, utilizando los equipos de
laboratorio y adecuándose a los manuales de operación de
BlueSens, MilliGascounter de Ritter y a los software
FERMVis y BACVis.
Es importante mencionar que en una primera instancia se
trabajó con dos biodigestores en proceso anaerobio seco, sin reducción de partículas, cuyos datos se presentan en el ítem
resultados y discusión.
Los restantes cuatro reactores, con reducción de diámetro de
partículas, están divididos entre digestión anaerobia seca y húmeda. Para el análisis y proyección de resultados de biogás
se utilizó la metodología de Gompertz (Young Kim et al.
2014)
Figura 1. Modelo experimental utilizado.
Resultados y Discusión Producción de Biogás Los resultados experimentales obtenidos corresponden a los
dos primeros reactores de digestión seca (sin reducción), sin
disminución de tamaño de partículas, analizados por un
periodo de 36 días.
Los datos de entrada experimental para estos procesos son los
siguientes:
1001.372 g masa de reactor 1
1000,106 g masa de reactor 2
Inóculo utilizado 20 ml en cada reactor Este proceso, dado el breve tiempo de análisis, no logra el
nivel máximo de metanización, por consiguiente, no se genera una gran cantidad de este gas, por lo que los datos no pueden
ser comparables con las constantes ya conocidas en
producción de gas metano
Tabla 1.
Coeficiente De
Correlación
𝑘−1
Heces 0.9694 0.0438
Desecho de Alimentos 0.9638 0.0474
Co-Digestión 0.9503 0.0511
Fuente: Evaluating Methane Potencial and Kinetics of Anaerobic Co-
digestion with feces and food waste, Tae Young Kim and Jae Young
Kim.
A continuación, se entregan los datos recopilados en
laboratorio.
Tabla 2.
Fecha
(Reactor 1)
Volumen mL
(Reactor 2)
Volumen mL
11-11-2016 17:20 0 0
14-11-2016 11:29 2286.84 0
16-11-2016 14:23 2354.6 2791.6
18-11-2016 12:23 2422.5 2873.6
21-11-2016 14:56 2651.83 3225.6
22-11-2016 16:07 2918.06 3475.2
23-11-2016 10:56 3481.94 3996.8
23-11-2016 15:43 3594.99 4070.4
24-11-2016 08:10 3927.68 4249.6
25-11-2016 00:00 4557.53 4489.6
28-11-2016 12:39 5093.11 4812.8
29-11-2016 00:00 5155.08 4889.6
30-11-2016 09:27 5171.23 4918.4
01-12-2016 00:00 5177.69 4921.6
02-12-2016 13:24 5177.69 4931.2
05-12-2016 21:49 5177.69 4931.2
07-12-2016 18:49 5177.69 4931.2
12-12-2016 16:55 5180.92 4934.4
14-12-2016 11:25 5180.92 4934.4
22-12-2016 15:02 5180.92 4934.4
Se utiliza la ecuación modificada de Gompertz, que describe la curva de producción de biogás:
𝑀 = 𝑀0 ∗ 𝑒−𝑒
{𝑘∗𝑒𝑀0
∗(𝜆−𝑡)+1}
Ecuación (1) Donde:
M: es la producción acumulada de CH4 en [mL*CH4/g*SV]
M0: es la producción potencial acumulada de CH4 en
[mL*CH4/g*SV] k: es la tasa máxima de producción instantánea de CH4 en
[mL*CH4/g*SV]
𝜆: es el tiempo de desfase en días
Figura 2. Ajuste Bivariante de Reactor 1
Figura 3. Ajuste Bivariante de Reactor 2
La curva observada en las Figuras 1 Y 2 se ajusta mediante el
proceso de regresión lineal. Para tal efecto se utilizó el software JMP 13, entregando los siguientes valores:
Figura 4. Ajuste Bivariante de –ln (B0-B)/B0 de Reactor 1
Figura 5. Ajuste Bivariante de –ln (B0-B)/B0 de Reactor 2
Con respecto a los 4 reactores en digestión anaerobia seca y
húmeda, con disminución de partículas, se presentan los
siguientes resultados:
Tabla 3.
Fecha y
hora
(React
or 3)
Volum
en mL
(React
or 4)
Volum
en mL
(Reactor
5)
Volumen
mL
(Reactor
6)
Volumen
mL
09/01/2017
23:58 0 9.6 36.6 13.08
10/01/17
12:25 PM 54.91 51.2 186.05 150.42
11/01/2017
11:19 180.88 252.8 600.85 464.34
13/01/2017
11:05 287.47 422.4 744.2 578.79
16/01/2017
11:28 400.52 857.6 762.5 585.33
17/01/2017
10:31 490.96 1430.4 762.5 585.33
18/01/2017
12:19 629.85 1952 762.5 585.33
20/01/2017
10:32
1007.7
6 2224 762.5 585.33
04/02/2017
15:45
1589.1
6 2476.8 762.5 585.33
16/02/2017
18:57
1773.2
7 2505.6 762.5 591.87
21/02/2017
18:36
1815.2
6 2540.8 762.5 0
27/02/201
18:44 1841.1 2556.8 762.5 16.35
8/3/2017
17:41 1841.1 2556.8 762.5 16.35
El reactor 3 y 4 corresponden a digestión anaerobia seca y el reactor 5 y 6 a digestión anaerobia húmeda. Estos volúmenes
generados corresponden a la generación total de gas, que se
presenta a continuación, en forma gráfica:
Figura 6. Ajuste Bivariante de Reactor 4
Figura 7. Ajuste Bivariante de Reactor 5
Figura 8. Ajuste Bivariante de –ln (B0-B)/B0 de Reactor 4
Figura 9. Ajuste Bivariante de –ln (B0-B)/B0 de Reactor 5
Tabla 4.
Reactor Constante K
Reactor Seco 3 1.5 ∗ 10−7
Reactor Seco 4
3.2 ∗ 10−7
Reactor Húmedo 5
4.5 ∗ 10−7
Reactor Húmedo 6
3.7 ∗ 10−7
Discusión
La constante cinética obtenida, presenta un valor alto en
comparación a las investigaciones de otros autores, esto se puede explicar debido a la mala elección del inoculo utilizado,
por lo cual no se obtiene un valor representativo. La
investigación seguirá en curso, modificando el inoculo a
excreta de caballo, por lo que se espera tener constantes similares a las fuentes bibliográficas y resultados más
significativos.
No obstante a lo anterior, se hace relevante destacar que al
analizar el proceso seco obtenido en laboratorio y los datos de producción de biogás húmedo de otras fuentes, se puede
realizar una comparación significativa desde el análisis
ambiental y económico que ofrecen los procesos y que se
entregan en el siguiente ítem. Los reactores 5 y 6, digestión anaerobia húmeda, se produce
más volumen de gas en un menor tiempo en relación a la
digestión anaerobia seca. No obstante, esta última, presenta
valores más altos en el mismo transcurso de tiempo.
Esto es avalado por las constantes obtenidas expresadas en la
tabla 4.
Conclusión La producción de gas metano está limitada por la cantidad de
carga orgánica que contiene cada reactor, mientras que la
velocidad de producción, es afectada principalmente por dos
factores: el inóculo utilizado y la temperatura que se
sometieron estos microorganismos.
Es posible verificar que la eficiencia de la digestión, depende
de la temperatura homogénea y constante, por ende, la velocidad de crecimiento de los microorganismos están
determinadas por el control de esta. En este caso experimental,
la temperatura utilizada fue de 35°C, que corresponde al rango
de los microorganismos mesofílicos. Es fundamental la elección del inoculo, ya que este aumentara
la población de bacterias y el volumen de gas generado. Se
recomienda utilizar excretas de animales con base a una dieta
herbívora, como por ejemplo: Excreta de gato y caballo. La agitación o mezclado manual logró distintos objetivos,
entre estos; evitar la formación de capas superficiales duras
(estas evitan el ascenso del gas producido), homogeneizar la
población microorgánica dentro de los reactores, evitar la acumulación de sedimentos en el fondo de los digestores, entre
otros.
En la digestión seca, el subproducto resultante como
bioabono, se obtuvo en forma de pasta solida por lo que puede
ser utilizado como acondicionador de suelos. Debido a la
mayor cantidad de biomasa utilizada en el proceso seco, es
posible reducir cerca de un 20-30% el volumen de basura que
van a los rellenos sanitarios, esto disminuye los costos de transporte de los RSU y los impactos ambientales que
provocan en el agua y aire.
La generación de biogás, en la digestión húmeda, se produce
en un tiempo más acotado que en la digestión seca, no obstante, en el mediano plazo, tanto la digestión anaerobia
seca como la húmeda, alcanzan producciones de volumen
equivalentes, ajustándose así, al modelo de Gompertz.
No es posible determinar el pH que posee el digestor, dificultado identificar la fase de producción en la que se
encuentra el biogás, razón por la cual, es recomendable
realizar este análisis.
Actualmente el Departamento de Ingeniería Civil en Obras Civiles de la Universidad de Santiago de Chile, continúa
investigando sobre la producción de biogás por medio de las
distintas digestiones y modificando los inóculos, esperando
con esto ampliar los resultados dentro del año 2017.
Agradecimientos Agradecemos en esta oportunidad a
los académicos Ph.D. Christian Seal M. y MSc. Patricia Mery C. Por su colaboración constante en esta investigación.
Finalmente a nuestra institución educativa, Universidad de
Santiago de Chile, en especial al departamento de Ingeniería
Civil en obras Civiles.
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