LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA

Una alternativa al tratamiento de aguas

residuales en zonas rurales

MÁSTER UNIVERSITARIO TECNOLOGÍA PARA

EL DESARROLLO HUMANO Y LA COOPERACIÓN

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

ASIGNATURA E-3

CURSO 2012-2013

Madrid, Marzo 2013

Jaime del Rey Gómez-Morata

1

Para una importante proporción de la población rural de los países en vías de desarrollo las

aguas residuales, tanto domésticas como del ganado, carecen de una infraestructura mínima

que permita su recogida y tratamiento.

El informe del año 2012 del Programa de Monitoreo Conjunto1 afirma que, si bien el Objetivo

de Desarrollo del Milenio relativo al acceso al agua se cumplió en el año 2010, las perspectivas

son mucho menos halagüeñas para el caso del saneamiento. De mantenerse la tendencia

actual, en el año 2015 se habrá logrado dar cobertura con saneamiento básico al 67% de la

población mundial, lejos aún de la meta del ODM situada en el 75%. A no ser que el ritmo del

progreso mejore notablemente, la meta del ODM no se obtendría hasta el año 2026.

Por otro lado, las disparidades entre el ámbito urbano y

el rural en el campo del saneamiento son más

pronunciadas aún que en el agua. Mientras que el 79%

de la población urbana mundial dispone de

infraestructura de saneamiento mejorada, este

porcentaje cae al 47% en las zonas rurales. En efecto, en las zonas rurales se concentran

1.800 millones de personas sin acceso a saneamiento mejorado, lo que supone el 72% de la

población total sin esa cobertura.

Cobertura de saneamiento en zonas rurales en los distintos países del Mundo. Fuente: Informe 2012 del Programa

de Monitoreo Conjunto (OMS & UNICEF)

1 El Programa de Monitoreo Conjunto (o Joint Monitoring Program, JMP) es una iniciativa de la OMS y UNICEF que se encarga de supervisar los progresos de la de la meta C del Objetivo de Desarrollo del Milenio 7: “Reducir a la mitad, para 2015, la proporción de personas sin acceso sostenible al agua potable y a servicios básicos de saneamiento”. Todas las cifras han sido tomadas del informe del JMP del año 2012 descargable en http://www.wssinfo.org/fileadmin/user_upload/resources/JMP-report-2012-en.pdf

La digestión anaeróbica, una alternativa a la gestión de aguas residuales en zonas rurales

El 72% de la población mundial

sin acceso al saneamiento básico

se encuentra en zonas rurales

2

Además de carecer de servicios básicos de saneamiento, muchos hogares situados en zonas

rurales no disponen de acceso a fuentes de energía adecuadas, ni de fertilizantes de calidad

para los usos agrícolas. Ante este contexto, la digestión anaeróbica aparece como una

solución de gran interés que permite afrontar de forma simultánea tres importantes problemas:

Procesa y estabiliza las aguas residuales de origen humano y animal mediante un

tratamiento natural que no requiere de fuentes de energía o aditivos.

Aporta, como resultado de la descomposición orgánica en ambiente anaeróbico, gas

metano que es recuperado como combustible para uso doméstico, evitando a la

población beneficiaria tener que recurrir a la madera2, o a los excrementos secos del

ganado.

Como producto de la digestión, se obtienen lodos con una carga patógena mucho más

baja que las heces iniciales y suficientemente degradados como para que constituyan

un fertilizante natural, más ecológico3 y económico que las alternativas sintéticas.

Una solución con amplio recorrido…

La digestión anaeróbica no es una tecnología de tratamiento de aguas residuales

especialmente pionera. La existencia de metano en los gases de descomposición de los

pantanos fue descubierta por Alessandro Volta en 1770 en sus experimentos en los marjales

del lago Maggiore en los Alpes italianos. Hubo que esperar cien años más para que Louis

Pasteur en 1875 obtuviese biogás a partir de residuos de caballo y propusiese su utilización

para la iluminación de las calles. Finalmente en 1906 se desarrolla en Alemania la primera

planta de digestión anaeróbica para el tratamiento de aguas residuales. Hoy día hay más de

400 plantas agrícolas de biogás funcionando en Alemania.

Pero la experimentación y el uso de esta tecnología no se circunscribe al continente europeo,

pudiéndose destacar las interesantes experiencias en esta materia en China y la India. En

China las primeras plantas de biogás se construyeron en 1940 por familias acomodadas, y

desde 1970 la investigación y promoción por parte del gobierno chino impulsó la implantación

de esta tecnología en zonas rurales. Actualmente en China más de 5 millones de pequeños

digestores se encuentran en funcionamiento y unos 20 millones de personas utilizan el biogás

como combustible habitual.

En la India el desarrollo de plantas de biogás sencillas

comenzó en 1950, y en los años setenta una

importante campaña apoyada por el gobierno produjo

un fuerte crecimiento de las plantas en uso. En la

actualidad más de un millón de plantas de biogás están

en funcionamiento en este país4.

2 De acuerdo con el informe ICAR (emitido por la el Consejo Indio de Investigación Agrícola de Nueva Delhi)

un digestor de 2,8 m3 puede evitar la deforestación de 1.200 m2 de bosque cada año. Más información en

http://www.icar.org.in/

3 La fabricación de fertilizantes sintéticos produce importantes emisiones de CO2, además estos productos presentan altos contenidos de nitritos y nitratos cuya alta solubilidad en el agua hace que sean fácilmente arrastrados por las aguas superficiales provocando a su vez problemas de eutrofización. En cambio, el producto de la digestión anaeróbica produce un residuo rico en nitrógeno amoniacal menos soluble al agua y, por tanto, con menor propensión a contaminar los acuíferos.

Solo en la India y China hay más

de 6 millones de digestores

instalados en zonas rurales

3

Las experiencias de China, India y Alemania muestran cómo la tecnología de la digestión

anaeróbica ha logrado importantes avances cuando ha contado con un entorno favorable:

mientras que en Alemania, la solución ganó impulso en un contexto de crisis energética y

búsqueda de fuentes alternativas, en la India y China fueron los apoyos gubernamentales los

que consiguieron la expansión de esta solución.

Qué es el Biogás y cómo se genera

El biogás es generado por colonias de bacterias en su proceso de degradación de la materia

orgánica en un ambiente anaeróbico. La generación natural del biogás es una parte importante

del ciclo biológico del carbono en la que las bacterias metanógenas (que producen metano) se

constituyen como el último eslabón de una cadena de microorganismos que degradan la

materia orgánica hasta convertirla en elementos sencillos que son devueltos al medio.

Cada año entre 590 y 880 millones de toneladas de metano se generan en el planeta por

actividad microbiana, de los que el 90% provienen de la descomposición de la materia

orgánica, siendo el resto proveniente de procesos relacionados con la fabricación y uso de

combustibles fósiles.

El biogás es una mezcla de gases que se distribuye como sigue:

Metano (CH4): 40-70 % del volumen;

Dióxido de carbono (CO2): 30-60 % del volumen;

Otros gases ocupando entre 1-5 % del volumen donde se encuentra: Hidrógeno (H2) 0-

1% del volumen; sulfuro de hidrógeno (H2S) 0-3% del volumen.

Entrando en los detalles técnicos…

Para lograr una adecuada digestión anaeróbica debemos contar con un depósito

suficientemente estanco en el que se acumularán los residuos orgánicos para su tratamiento.

El depósito ha de contar con un conducto de entrada para los residuos, otro de salida y una

espita en la parte más alta que permita recuperar el biogás para su posterior utilización como

combustible.

Los residuos deberán encontrarse en un estado suficientemente acuoso para permitir su

progresión por sus conducciones de entrada-salida y el interior del equipo, y para facilitar la

generación de un ambiente anaeróbico. Esto hace que los residuos más recomendables sean

las aguas residuales domésticas. En instalaciones colocadas en zonas rurales, se añadirán

también las heces de la ganadería (estiércol) que deberán licuarse con agua adicional antes

de introducirse en el digestor. Una proporción habitual para esta mezcla suele ser una parte de

estiércol por cada dos de agua5.

En cuanto a la tipología de los depósitos, estos en esencia se pueden dividir en tres grandes

tipos:

4 Datos tomados de la publicación “Biogas Digest Volume I, Biogas Basics” de la GTZ (Agencia Alemana de Cooperación Técnica): http://www.gate-international.org/documents/publications/webdocs/pdfs/biogasdigestvol1.pdf 5 Tomado de “Performance evaluation of a biogas stove for cooking in Nigeria” de I N Itodo, G E Agyo y P Yusuf, Journal of Energy in Southern Africa, Vol 18 No 3 Agosto 2007

4

Digestores con cubierta flexible.

Digestores con cubierta fija.

Digestores con cubierta flotante.

Las tipologías anteriores con algunas variaciones permiten desplegar las siguientes

subtipologías:

En el gráfico se muestran las siguientes tipologías de digestores:

A. Digestor con cubierta flotante

B. Digestor con cubierta fija

C. Digestor con cubierta fija y acumulador de gas independiente

D. Digestor con cubierta flexible

E. Digestor con cubierta flexible bajo techado

Fuente “Biogas Plants, L. Sasse, GATE, 1988, p. 14.

Las ventajas e inconvenientes de cada una de las tres grandes tipologías son:

Digestores con cubierta flexible (generalmente de lona plástica de PVC):

Ventajas: facilidad de traslado, temperaturas elevadas del digestor (lo que a su vez

favorece las reacciones bacteriológicas), facilidad de mantenimiento y vaciado.

5

Inconvenientes: pueden tener una menor vida útil por el deterioro de la cubierta, no

recurren a tanta mano de obra local (la lona no se produce en las zonas en las que se

instala el equipo), posible precio elevado de la cubierta flexible, susceptibles al daño de la

cubierta.

Digestores con cubierta fija:

Ventajas: ausencia de partes móviles y mayor facilidad de construcción. Hace uso de mano

de obra local para todo el proceso constructivo (cubierta incluida). El depósito queda

enterrado y por tanto se evitan daños y también variaciones térmicas en su interior.

Inconvenientes: generalmente se tienen menores temperaturas en el digestor. Es más

complicada cualquier maniobra de vaciado. Requiere de una ejecución muy cuidadosa,

porque cualquier fractura en la cubierta producirá grandes pérdidas de biogás. La presión

del gas varía en función de la cantidad que se encuentre almacenada.

Digestores con cubierta flotante:

Ventajas: la operación del sistema es muy intuitiva, porque la posición de la cubierta

muestra la cantidad de gas disponible. La construcción es relativamente sencilla y

cualquier error en la misma no afecta mayormente al rendimiento del digestor. La presión

del gas es constante.

Desventajas: el mayor coste de la cubierta que suele construirse en acero. La tendencia

del acero a la corrosión hace que la vida útil de estos digestores sea menor. Costes de

mantenimiento continuos debidos a la pintura de la cubierta.

Diseño de los Digestores

A la hora de plantearse el diseño de los digestores dos variables son especialmente

importantes: el tiempo de retención y la temperatura ambiente. Pasamos a estudiarlos de

forma diferenciada.

El tiempo de retención

El tiempo de retención, como en cualquier depósito de tratamiento de aguas residuales,

está relacionado con el caudal de las aguas que se reciben y con el volumen útil del

depósito mediante la siguiente fórmula:

El valor del caudal irá en función de la dotación fijada para el agua de consumo humano, a

la que habrá que añadir la producida por el ganado, si es que sus residuos se están

vertiendo también al digestor. En cuanto a la dotación de consumo humano se puede partir

de valores como los 50 litros/persona*día establecidos como la Organización Mundial de la

Salud (OMS) como valor mínimo para garantizar una vida digna6.

6 Los criterios de la OMS, asumidos por Naciones Unidas, establecen que este Derecho Humano implica tener acceso a agua suficiente, salubre, accesible, asequible y aceptable. La “suficiencia” del agua se establece en un mínimo de 20 litros/habitante*día que debería aumentar a 50 siempre que sea posible. Más información en http://www.who.int/water_sanitation_health/es/

6

La definición del tiempo de retención depende de la temperatura a la que se encuentre la

mezcla en el digestor, así como de las características de los residuos que se estén

tratando. Se trata, por tanto, de un valor que puede variar mucho en función de cada caso.

Podemos de cualquier forma dar las siguientes estimaciones:

Estiércol líquido de ganado bovino: 20-30 días

Estiércol líquido de ganado porcino: 15-25 días

Estiércol líquido de ganado ovino: 20-40 días

Estiércol animal mezclado con restos vegetales: 50-80 días

Ante la ausencia de datos específicos sobre el contenido de las aguas residuales, o en el

caso de tratarse de aguas de consumo humano, podremos estimar un tiempo de retención

de 15 días en climas cálidos o 25 en climas templados7.

La temperatura ambiente

En principio, la tecnología de la digestión

anaeróbica es factible en cualquier tipo de

condición climática. Sin embargo, se puede

afirmar que los costes de producción de biogás

aumentan a medida que la temperatura ambiente

disminuye. Esto se debe a que las bajas

temperaturas ralentizan los procesos

bacteriológicos, por lo que será necesario un

mayor tiempo de retención y consecuentemente

depósitos de mayor tamaño. También existe la posibilidad de calentar los depósitos, pero

la tecnología requerida para esto no es accesible ni recomendable para zonas rurales de

países en vías de desarrollo.

Los digestores que no cuentan con sistema de calentamiento, y no se encuentran

especialmente bien aislados, deberían instalarse en zonas en las que la temperatura

media es de 15 ºC o superior. A continuación se muestran sombreadas las zonas del

Mundo en las que la instalación de digestores de este tipo es más recomendable:

7 Dato tomado del “Compendio de Sistemas y Tecnologías de Saneamiento”de la Cooperación Suiza (COSUDE), página 75. http://www.alianzaporelagua.org/Compendio/

En principio la tecnología de la

digestión es factible en cualquier

tipo de condición climática, pero

los costes de producción de biogás

aumentan a medida que la

temperatura ambiente disminuye

7

En sombreado las zonas del mundo con temperaturas medias por encima de 15ªC en las que es factible la

instalación de digestores no especialmente bien aislados y sin sistema de calentamiento. Fuente OEKOTOP

Pero los digestores no son solo sensibles a la temperatura media, sino que también

resultan afectados por las variaciones térmicas, como las del día-noche y las inter-

estacionales. El diseñador debe garantizar que la producción de biogás es suficiente,

incluso en los periodos más desfavorables del año. Los efectos perjudiciales de las bajas

temperaturas, o de las oscilaciones térmicas, se pueden compensar ubicando los

depósitos semienterrados.

Más allá de la temperatura y del tiempo de retención, para la operación del digestor es

esencial tener en cuenta que este funciona como un auténtico sistema vivo conformado por

una ingente cantidad y variedad de bacterias. El mayor

o menor rendimiento del digestor estará en relación

directa con el cuidado de las variables que afectan a

las condiciones de vida de esa colonia bacteriana. Por

tanto, otro de los aspectos a considerar es la continua

aportación de residuos al digestor, ya que estos son al

fin y al cabo el alimento de la colonia. El posible olvido

por parte de los usuarios de la aportación de residuos

al digestor, no tiene por qué tener consecuencias en el rendimiento del mismo, siempre que

este no se prolongue durante un periodo de tiempo demasiado largo. Sin embargo, esta inercia

en el funcionamiento del digestor también implica que, si el digestor dejase de funcionar por

abandono, tardará unos 10 días en ponerse en marcha de nuevo. Es por tanto esencial formar

adecuadamente a los futuros beneficiarios para que no olviden aportar al digestor residuos de

forma periódica.

Es esencial tener en cuenta que el

digestor funciona como un

auténtico sistema vivo

conformado por una ingente

cantidad y variedad de bacterias

8

Principales aplicaciones del biogás

El biogás es un gas pobre que se puede utilizar para los siguientes propósitos:

cocinas

lámparas

calefacciones

incubadoras

refrigeradoras

motores

Nos centraremos en su uso en las cocinas y lámparas, por ser los más habituales en el ámbito

rural:

Cocinas

Las cocinas que funcionan quemando biogás deben satisfacer varios requisitos básicos:

Ser fáciles de usar y limpiar,

Ser versátiles y permitir su uso por cacerolas y sartenes de varios tamaños,

Ser baratas de mantener,

Que presenten una llama estable,

Que sean de apariencia atractiva.

En general, las características de la cocina de biogás considerada “ideal” por los usuarios

varían ampliamente de una región a otra. Sin embargo, es habitual que las cocinas con dos

quemadores presenten una aceptación suficientemente buena, mientras que cocinas de un

solo quemador suelen percibirse por los beneficiarios como soluciones meramente temporales.

Cocinas con dos quemadores habitualmente instaladas en las instalaciones de biogás. Fuente OEKOTOP

La instalación implica la recogida del gas desde la parte más alta del digestor y el traslado

hasta la cocina. Antes de usarse el quemador deberá ser cuidadosamente ajustado de forma

que:

Su llama sea compacta y azulada

La cacerola deberá ser tocada por el cono exterior de la llama, pero mantenerse fuera

del alcance del cono interior.

La llama de ser capaz de estabilizarse por sí sola, es decir, las zonas sin llama del

quemador deben encenderse en un periodo de dos a tres segundos.

La demanda de este combustible en una cocina de biogás se puede estimar en 150-300 litros

por persona y por comida. Otros parámetros que se pueden utilizar para estimar la demanda

9

son: entre 30 y 40 litros de biogás para cada litro de agua que utilicemos para cocinar, 120 y

140 litros para cada 1/2 kg de arroz y entre 160 y 190 litros para cada 1/2 kg de legumbres.

Lámparas

En zonas rurales que carecen de conexión eléctrica, disponer de una fuente adecuada de luz

es una necesidad básica, a la vez que un símbolo de status. Sin embargo, las lámparas de

biogás no se caracterizan por ser especialmente eficientes desde el punto de vista energético.

Esto se debe esencialmente a que desprenden luz por el principio de la incandescencia, es

decir, sometiendo a altas temperaturas al tejido o camisa que se coloca sobre el inyector del

gas. Las temperaturas alcanzadas por las camisas se sitúan entre 1.000 y 2.000 ºC, por lo

que, si la lámpara se coloca colgada de un techo, puede causar un incendio con facilidad.

En cuanto al rendimiento lumínico de una lámpara de biogás, este se sitúa entre los 400 y 500

lúmenes (unidad de medida del flujo lumínico), de forma que su máximo flujo lumínico se

puede comparar al de una bombilla de entre 25 y 75 vatios.

Sin embargo, estas lámparas no presentan una gran eficiencia lumínica, ya que si estudiamos

los lúmenes por vatio (es decir, luminosidad producida por potencia) observaremos que es

necesaria mucha más potencia en una lámpara de

biogás para lograr la misma luminosidad que obtenemos

con sistemas de iluminación eléctricos convencionales.

En efecto, mientras que una lámpara de biogás emite

entre 1,2 y 2 lúmenes por vatio, este valor en una

bombilla incandescente asciende a 3-5 y en un tubo

fluorescente a 10-15 lumen/vatio.

En cuanto al consumo, una lámpara de biogás requiere

entre 120 y 150 litros al día.

En relación con la escasa eficiencia de estos equipos

está el hecho de que su rendimiento está muy

relacionado con la correcta disposición de la camisa y la

forma de la llama. Para lograr un adecuado

funcionamiento, es necesario que la camisa sea rodeada

por la parte interior de la llama (la más caliente), con el

mínimo consumo de biogás posible. En el momento en el

que la camisa sea demasiado grande aparecerán zonas oscuras, y si el tamaño de la llama

también es excesivo el consumo de gas será muy alto.

Modelo de lámpara de biogás de la

compañía “Xunda Science & Technology

Group Co.”(China)

A la izquierda dibujo esquemático de una lámpara de

biogás en el que se observa:

a) Inyector de gas y entrada del aire

b) Cámara de mezclado de aire y gas

c) Camisa y trampa de aire a su alrededor que

garantiza un entorno cálido a la vez que permite

la entrada del oxígeno necesario para la correcta

combustión.

Fuente “Biogas plants” de Ludwing Sasse

10

Resulta por tanto complicado diseñar adecuadamente una lámpara de estas características, y

la experiencia demuestra que los modelos comerciales no están óptimamente diseñados para

las condiciones particulares de la combustión de biogás (presión baja, o fluctuante y variación

de la composición del gas). Los inconvenientes más habituales son: boquillas con diámetros

excesivos, camisas demasiado grandes, imposibilidad de cambiar el inyector, e imposibilidad

de controlar la combustión.

Como consecuencia de todo lo anterior, las lámparas suelen ofrecer una luminosidad

deficiente con altos consumos de gas.

Conclusiones y análisis crítico de la solución

Las ventajas que presenta la digestión anaeróbica han quedado patentes a lo largo del

presente artículo. Se trata, en efecto, de una tecnología que permite resolver de forma natural

y sostenible una serie de problemas habituales en el entorno rural como son: la falta de un

tratamiento adecuado de las aguas residuales domésticas y ganaderas, la escasez de

recursos energéticos y la falta de fertilizantes de calidad. Por otro lado, aunque el rendimiento

de los digestores necesita de una temperatura ambiente suficientemente cálida, existe una

clara coincidencia entre las zonas del planeta más cálidas y las que pueden beneficiarse de

esta tecnología.

Sin embargo, las bondades de la digestión anaeróbica no deben ocultar sus inconvenientes, ya

que estos pueden hacer fracasar más de un intento de implementación. Si bien el principio de

su funcionamiento resulta sencillo (fermentación de residuos orgánicos), para que los

digestores rindan adecuadamente es imprescindible una construcción realizada con esmero.

En los depósitos de cubierta fija se ha de asegurar una correcta estanqueidad, y en los de

cubierta flexible su fragilidad y elevado coste pueden dar lugar a costes de reposición

elevados. Del mismo modo, la instalación de recogida y transporte del gas ha de ser

correctamente implementada, para lo que será necesario contar con fontaneros en la zona

experimentados en la construcción y futuro mantenimiento. Finalmente, los digestores

requieren de una alimentación de aguas residuales periódica, que deberá ser suficientemente

fluida por lo que, en el caso de contar con estiércol, este deberá mezclarse con agua antes de

verterlo al equipo.

En lo que respecta al papel del beneficiario, no se puede obviar que el funcionamiento y la

operación del digestor requieren habitualmente vencer tabúes relacionados con la

manipulación de excrementos y con la

utilización como combustible de un producto

obtenido de los mismos. Sería poco sensato

pensar que la puesta en marcha de estos

equipos no va a contar con un algún tipo de

rechazo por parte de la población,

especialmente cuando esta no ha sido

previamente formada.

En resumen, la alternativa de la digestión anaeróbica puede ser muy apropiada y exitosa en

entornos rurales con escasos servicios (como ha sido el caso de la India y China), sin embargo

su éxito exige de unas condiciones de contorno muy concretas. En el momento en que estas

condiciones no se den, la solución puede estar abocada al fracaso en un plazo corto o medio.

La alternativa de la digestión anaeróbica

puede ser muy apropiada en entornos

rurales con escasos servicios, pero su éxito

exige condiciones de contorno muy

concretas

11

Resulta por tanto imprescindible elaborar un análisis detallado del entorno en el que se quiere

implementar esta solución, y solo tendremos garantías de éxito cuando se cumplan los

siguientes requisitos:

Existencia de una auténtica necesidad de resolver el tratamiento de aguas residuales,

de obtener una fuente de energía segura y de contar con fertilizantes naturales de

calidad.

Posibilidad de contar con buenos albañiles y fontaneros en la zona de actuación.

Posibilidad de neutralizar tabúes sobre la manipulación de aguas residuales de origen

humano y animal y sobre el uso del biogás.

Apoyo de las administraciones locales.

Disponibilidad asegurada de residuos y de agua para garantizar la suficiente fluidez de

los mismos.

Disponibilidad de recursos financieros para realizar la inversión inicial y para el

mantenimiento futuro.

REFERENCIAS

Además de las anotaciones colocadas en los sucesivos pies de página, el contenido general

del presente artículo ha sido elaborado mediante la traducción y síntesis de la publicación

“Biogas Digest Volume I, Biogas Basics” de la GTZ (Agencia Alemana de Cooperación

Técnica):http://www.gate-

international.org/documents/publications/webdocs/pdfs/biogasdigestvol1.pdf