Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES
INGENIERIA QUIMICA
INSTITUTO DE INVESTIGACIONES EN
PROCESOS QUÍMICOS - IIDEPROQ
CAMARA NACIONAL DE INDUSTRIAS
IIDEPROQ
PROYECTO 09
PRODUCCION ANAEROBICA DE BIOGAS
APROVECHAMIENTO DE LOS RESIDUOS DEL PROCESO
ANAERÓBICO
RESPONSABLE DE PROYECTO
Ing. Rene Alvarez A.
INVESTIGADORES
Ing. Víctor Riera T.
Univ. Saúl Villca
La Paz – Bolivia
1
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
2004
2
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
INDICE GENERAL
Pagina
1.
INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 1
1.1
1.2
1.3
Antecedentes del proyecto................................................................................ 1
Producción anaeróbica de biogás...................................................................... 3
Aprovechamiento de los residuos de matadero y de mercado.......................... 5
1.3.1 Residuos de matadero........................................................................... 6
1.3.2 Residuos de frutas y vegetales de mercado.......................................... 6
2.
OBJETIVOS DEL PROYECTO.................................................................................. 7
2.1
Objetivos generales.......................................................................................... 7
2.2
Objetivos específicos....................................................................................... 7
3.
ESTUDIO BASICO..................................................................................................... 8
3.1 Fundamento teórico................................................................................................ 8
3.2 Materiales y métodos ............................................................................................. 14
3.2.1 Materia prima........................................................................................ 14
3.2.1.1 Comparación de N y P y las relaciones C/N…………………………..17
3.2.1.2 Comparación de los iones Na, K y Ca…………………………………19
3.2.2 Preparación de las cargas de mezclas................................................... 20
3.2.2.1 Caracterización de las tres mezclas para las pruebas experimentales….21
3.2.2.2 Comparación de N, P y de las relaciones C/N…………………………21
3.2.2.3 Comparación de los iones Na, K y Ca ………………………………..22
3.2.3 Digestores............................................................................................. 23
3.2.4 Procedimiento experimental................................................................. 26
3.2.5 Métodos analíticos................................................................................ 27
3.2.6 Diseño experimental............................................................................. 27
3.2.7 Inóculo ………………………………………………………………. 29
3.3 Resultados y discusión ........................................................................................... 30
3.3.1 Pruebas preliminares con residuos de matadero y de mercado............. 30
3.3.2 Diseño experimental de mezclas........................................................... 32
3.4 Pruebas experimentales para análisis de patógenos………………………………..44
3.5 Conclusiones del estudio básico. ............................................................................ 45
3.3.3 Estudio preliminar................................................................................. 45
3.3.4 Diseño experimental de mezcla............................................................. 46
4 ESTUDIO A NIVEL BENCH SCALE.............................................................................. 47
4.1 Materiales y métodos.............................................................................................. 48
4.1.1 Materia prima........................................................................................ 48
4.1.2 Biodigestor............................................................................................ 49
4.1.3 Métodos analíticos................................................................................ 50
4.2 Resultados............................................................................................................... 51
4.2.1 Efecto de la temperatura....................................................................... 51
4.2.2 Efecto de la composición...................................................................... 51
4.2.3 Efecto del tiempo de retención............................................................. 52
4.2.4 Efecto del porcentaje de sólidos volátiles en la alimentación.............. 53
3
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Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
4.2.5 Residuos del proceso de digestión anaerobia……………………...……54
4.3 Conclusiones y recomendaciones del estudio experimental.................................. 55
5 PROPUESTA DE LA PLANTA A NIVEL PILOTO ...................................................... 57
5.1 Descripción del proceso......................................................................................... 57
5.1.1 Almacenaje de materia prima............................................................... 58
5.1.2 Pretratamiento de los residuos orgánicos............................................. 58
5.1.3 Digestión............................................................................................... 59
5.1.4 Post-tratamiento................................................................................... 59
5.2 Descripción global del proceso............................................................................. 60
5.3 Balances de masa y energía................................................................................... 61
5.3.1 Balance de masa global....................................................................... 61
5.3.1.1 Balance de masa y energía para cada operación unitaria........ 61
5.3.1.1.1 Recolección de residuos de matadero y
Residuos de frutas y vegetales y posterior
reducción de tamaño.............................................. 61
5.3.1.1.2 Homogeneización.................................................. 62
5.3.1.1.3 Digestión................................................................ 63
5.3.1.1.4 Filtración................................................................ 64
5.4 Requerimiento de materia prima, agua, energía, y otros .................................... 64
5.5 Requerimiento y descripción o diseño de maquinarias y equipos ..................... 66
5.6 Distribución de la planta ..................................................................................... 68
5.7 Servicios auxiliares ............................................................................................. 70
5.8 Inversiones .......................................................................................................... 70
5.9 Arranque del biodigestor ………………………………………………………. 71
6 Disposición del bioabono………………………………………………………………...72
6.1 Bioabono líquido…………………………………………………………………72
6.2 Biosol…………………………………………………………………………….72
7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.............................................................. 72
REFERENCIAS .................................................................................................................... 77
ANEXOS
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Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
INDICE DE GRÁFICOS
Fig. 1. Degradación anaeróbica de material orgánico........................................................... 8
Fig 2a. Digestores anaeróbicos nivel laboratorio................................................................... 24
Fig. 2b.
Digestores anaeróbicos (detalles)..........................................................................25
Fig 3. Diseño experimental de mezcla. Simplex-centroide incrementado con puntos
axiales para tres componentes................................................................................... 28
Fig. 4. Producción acumulada de biogas, pruebas preliminares........................................... 31
Fig. 5. Pruebas preliminares, volumen acumulado de metano............................................. 31
Fig. 6. Pruebas preliminares, composición diaria de metano............................................... 32
Fig. 7. Producción acumulada de biogás (en condición local P= 495 mmHg, T= 12oC),
diseño experimental de mezcla................................................................................. 37
Fig. 8. Producción acumulada de metano (en condición local), diseño experimental de
mezcla...................................................................................................................... 37
Fig. 9. Concentración de metano en biogás, diseño experimental de mezcla..................... 38
Fig. 10. Grafica de contorno de la respuesta Volumen de Metano...................................... 41
Fig. 11. Gráfica de contorno de la respuesta Reducción porcentual de Solidos Volatiles.. 42
Fig. 12. Grafica de contorno de las respuestas Volumen de Metano y % de reducción de
Sólidos Volátiles, donde se muestra la región factible de trabajo......................... 43
Fig. 13. Biodigestor Bench Scale........................................................................................ 49
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Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Generación mensual de residuos en el matadero municipal de la Ciudad de
La Paz, periodo de referencia Sep-Nov de 2000.................................................... 6
Tabla 2. Composición de mezcla de residuos de frutas y vegetales (MFV)......................... 14
Tabla 3. Caracterizacion de residuos de matadero y frutas/vegetales.................................. 15
Tabla 4. Analisis microbiologico de muestras de residuos de matadero.............................. 16
Tabla 5. Formulacion de mezclas de estiercol, sangre/rumen y vegetales........................... 17
Tabla 6. Comparación de valores analizados y bibliográficos de la materia prima............. 18
Tabla 7. Comparación de iones Na, K y Ca con Límites bibliográficos………….............. 19
Tabla 8. Características de las mezclas de estiércol (EVC), sangre/rumen (SVCRR) y frutas
y vegetales (MFV)................................................................................................. 20
Tabla 9. Caracterización de las tres mezclas principales del diseño experimental………... 21
Tabla 10. Comparación de los nutrientes de las mezclas con datos bibliográficos.............. 21
Tabla 11. Copmparación de las concentraciopnes de los valores experimentales y
bibliográficos ........................................................................................................ 22
Tabla 12. Formulacion del sustrato para pruebas preliminares de digestion anaerobica de
residuos de matadero y mercado............................................................................ 27
Tabla 13. Diseño experimental de mezcla y formulación del sustrato en la digestión
anaeróbica de residuos de matadero y mercado..................................................... 27
Tabla 14. Resultados de variacion de pH, solidos volatiles (SV), volumen de metano y
rendimiento de metano en pruebas preliminares de digestion anaerobica de mezclas
de residuos de matadero, frutas y vegetales........................................................... 30
Tabla 15. Resultado del seguimiento del pH y análisis de sólidos en la digestión
anaeróbica de mezclas de residuos de matadero y mercado.................................................
34
Tabla 16. Diseño simples reticular aumentado con puntos axiales y respuestas observadas.
Digestión anaeróbica de residuos de matadero y mercado................................. 38
Tabla 17. Análisis de varianza (ANAVA) para la respuesta Volumen de metano............. 40
6
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Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
Tabla 18. Análisis de varianza (ANAVA) para la respuesta % de reducción de sólidos
volátiles............................................................................................................... 40
Tabla 19. Formulación de cargas para prueba de patógenos ……………………………. 44
Tabla 20. Caracterización de patógenos en materia prima ………………………………. 44
Tabla 21. Resultados inicial y final de m.o. patógenos en las pruebas…………………… 44
Tabla 22. Caracterización del bioabono ……… ………………………………………… 55
Tabla 23. Requerimiento de materia prima, agua, energía y otros insumos....................... 65
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SIMBOLOGIA UTILIZADA
A:
Área (m2)
AGV: Ácidos Grasos Volátiles
Bal. : Balanza
Bo :
Rendimiento final de metano
Bu :
Rendimiento teórico de metano
B1 :
Barril de almacenamiento de sangre de ganado vacuno
B2 :
Barril de almacenamiento de sangre de ganado porcino
B3 :
Barril de almacenamiento de residuos de estomago y vísceras de ganado porcino
B4 :
Barril de almacenamiento del bioabono liquido
B5 :
Barril de almacenamiento del lodo de filtración
Cal:
Calentador de agua ( termo tanque)
C:N:P: Relación Carbono/ Nitrógeno/ Fósforo
COT: Carbono Orgánico Total
comp.: Compresora
Cp :
Capacidad calorífica del sustrato (Kcal. / Grado . Kg.)
Cv:
Caballo vapor
d:
Día
D:
Diámetro (m)
Da :
Longitud de hélice (cm.)
DA : Digestión anaerobia
(Ei) : Composición de mezcla
EVC : Mezcla de estiércol de vaca y cerdo
FP:
Filtro prensa
FV :
Frutas y vegetales
h:
Coeficiente convectivo ( 2,968 w/ m2)
H:
Altura (m)
He :
Helio (carrier o portador)
HMBH : Hospital Municipal Boliviano Holandés
Hp :
Horse Power
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Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
HP :
Homogenizador, pasteurizador
HRT: Tiempo de Retención Hidráulica
IBTEN : Instituto Boliviano de Tecnología Nuclear
IIDEPROQ : Instituto de Investigaciones de Procesos Químicos
kg :
Kilogramo
kgSV : Kilogramo de sólido volátil
KL :
Constante laminar
Kw : Kilowatt
l:
Litros
LCA : Laboratorio de Calidad Ambiental
LR :
Velocidad de carga
m:
Masa del sustrato (kg.)
MFV : Mezcla de frutas y vegetales
N:
Velocidad de giro (rps)
P:
Potencia (CV)
PVC : Poli cloruro de vinilo
Q:
Calor disipado ( W)
R2 :
Factor de correlación
RTA: Reactor Tanque Agitado
ST:
Sólidos Totales (%)
SV:
Sólidos Volátiles ( materia orgánica disponible ) (%)
SVad : Sólidos Volátil adicionado (%)
SVdes : Sólidos Volátiles destruidos (%)
SVbh : Sólidos Volátiles base húmeda (%)
SVbs : Sólidos Volátiles base seca (%)
SVrem: Sólido Volátil removido
SVCRR : Mezcla de sangre de vaca, cerdo ,residuos de panza y rumen
t:
Tiempo (min.)
Ta :
Temperatura promedio del medio ambiente (oC )
Tlv 1 : Tolva de almacenamiento de Residuos de mercado
Tlv 2 : Tolva de almacenamiento de Rumen de ganado vacuno
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Tlv 3 : Tolva de almacenamiento de estiércol de ganado vacuno
Tlv 4 : Tolva de almacenamiento de estiércol de ganado porcino
Trit. : Triturador
Tw :
Temperatura media de pared (oC)
TCD : Detector de Conductividad Térmica
Y:
Rendimiento
∆T :
Variación de temperatura (oC)
µ:
Viscosidad del substrato ( cP)
%SVi: Porcentaje de sólidos volátiles en la alimentación
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Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
PRODUCCIÓN ANAERÓBICA DE BIOGAS, APROVECHAMIENTO DE LOS
RESIDUOS DE MATADERO Y MERCADO
1.
INTRODUCCION
1.1
ANTECEDENTES DEL PROYECTO
Los diagnósticos de producción mas limpia (PML) llevados a cabo por el centro de
promoción de tecnologías sostenibles (CPTS) en el sector industrial manufacturero
boliviano, identificaron la necesidad concreta de investigar y desarrollar técnicas y
tecnologías adecuadas para dar un uso económico tangible a los flujos de residuos generados
por el sector, que no puede ser minimizados mediante prácticas estrictamente preventivas. Es
decir que, después de agotar dichas practicas, es necesario proseguir con practicas de PML
relacionadas con el rehúso, reciclaje y recuperación de residuos.
Una de las razones por las cuales el sector industrial manufacturero no ha logrado desarrollar
técnicas y tecnologías adecuadas para dar un uso económico a sus residuos, es la falta de una
relación de cooperación estrecha entre industria y las universidades y centros de
investigación.
En este contexto, y como un componente del Programa “Vinculación Universidad –
Empresa”, la Cámara Nacional de Industrias (CNI), bajo la coordinación y asesoramiento
técnico del CPTS, la administración y supervisión de Geología Ambiental y Recursos
Naturales (GEARENA), y el auspicio del Programa de Cooperación Danesa al Sector Medio
Ambiente (PCDSMA) y la Agencia de los Estados Unidos para el Desarrollo Internacional
(USAID), requiere que institutos de investigación universitaria, profesionales independientes
y otros centros de investigación privados, presenten propuestas técnicas y económicas, bajo
11
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
términos de referencia generales y específicos, para investigar y desarrollar técnicas y
tecnologías adecuadas que permitan dar un valor económico tangible a los flujos de residuos
que genera la industria manufacturera en Bolivia. [1]
La CNI realizo una convocatoria (a través de periódicos de circulación nacional) invitando a
todos los institutos de investigación a presentar proyectos de investigación sobre temas
específicos de producción más limpia relacionadas con residuos generados por el sector
industrial manufacturero. El proyecto 09 de esta convocatoria se relaciona con la producción
más limpia en el subsector mataderos cuyo titulo es “Producción anaeróbica de biogás y
aprovechamiento de los residuos del proceso anaeróbico”. El objetivo del proyecto en su
primera fase es desarrollar un proceso para el aprovechamiento de residuos sólidos de
matadero (rumen, estiércol, sangre) y de los residuos vegetales, provenientes de los
mercados, mediante su descomposición anaeróbica para la producción de biogás.
El Instituto de Investigación de Procesos Químicos (IIDEPROQ) dependiente de las
Carreras Ingeniería Química, Medio Ambiente y Alimentos, gracias al acuerdo de
cooperación UMSA – ASDI/SAREC, desde el año 2000 viene fortaleciéndose tanto en el
equipamiento de sus laboratorios como en la especialización de sus investigadores. Uno de
los campos de investigación que se viene trabajando es el de “Digestión Anaeróbica” a la
fecha cuenta con un laboratorio en esta especialidad cuyos equipos permiten el trabajo de
investigación a nivel laboratorio y bench scale, y además cuenta con equipos de análisis
instrumental de ultima generación.
En este contexto, el Ing. Rene Alvarez (Investigador responsable) conjuntamente con los
universitarios Saúl Villca y Víctor Riera (titulado en el tiempo de trabajo), miembros del
IIDEPROQ fueron adjudicados con el Proyecto 09, y resultado del trabajo cuya duración fue
de un año es el presente documento final.
12
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
1.2
Producción anaeróbica de biogás
La digestión anaeróbica de materia orgánica es la conversión directa de la biomasa en gas,
denominado biogás, que es una mezcla de metano y dióxido de carbono con pequeñas
cantidades de otros gases tales como el sulfuro de hidrógeno. La materia orgánica es
biotransformada por microorganismos (bacterias y archaes) en ambiente anaeróbico
(ausencia de oxígeno), produciendo biogás con un contenido de energía entre 20% a 40% del
poder calorífico de la materia prima. La digestión anaeróbica es una probada tecnología y
ampliamente utilizada para el tratamiento de desechos con alto contenido de materia
orgánica. El biogás puede ser utilizado directamente como combustible, o puede ser
mejorado en calidad removiendo el CO2 y utilizado como combustible para automóviles o
para la producción de electricidad. [2]
El efluente obtenido como digestato de las plantas de biogás, es un fango meta estabilizado y
rico en nutrientes, este producto es un abono más rico en nitrógeno que el procedente del
composte tradicional, lográndose un aumento de nitrógeno en un 120% y de fósforo de
acción rápida en un 150%. Es importante considerar que la utilización de lodos mal
digeridos, puede ser perjudicial para el suelo e incluso peligroso para la salud por la
presencia de microorganismos patógenos que pueden contaminar las aguas subterráneas.
Una práctica que da buenos resultados, es separar el líquido del residuo sólido por filtración
y utilizar él líquido como fertilizante [2, 21].
Hasta pocos años atrás, la digestión anaeróbica (DA) fue un tratamiento mono substrato y de
simple propósito. Por ejemplo el estiércol se digería para producir energía, las aguas
residuales industriales debían ser pre-tratadas. En los tiempos actuales la DA es mejor
conocida y la confianza en esta tecnología se ha incrementado, consecuentemente vino a ser
un proceso multi-propósito sirviendo al mismo tiempo para la producción de energía, mejora
de la calidad fertilizante de residuos, reducción en la contaminación de efluentes y otros
propósitos.
Se define como co-digestión a la digestión simultánea de una mezcla homogénea de dos o
más substratos. La situación más común, es cuando una mayor cantidad del principal
substrato básico es mezclado y digerido junto con una menor cantidad de un simple o una
variedad de substratos adicionales.
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Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
La co-digestión ofrece muchas ventajas ecológicas, tecnológicas y económicas:
Mejorado balance de nutrientes
La digestión de una variedad de substratos en lugar de un solo tipo de residuo mejora la
relación de nutrientes de C:N:P el cual óptimamente debería ser de alrededor de 300:5:1.
Este también mantiene una razonable mezcla de minerales (Na, K, Mg, Mn, etc.) así
como también una balanceada composición de trazas de metales. Se observo que la codigestión mejora el proceso de digestión e incrementa la generación de biogás (efecto
cinergético), este podría ser atribuido a la presencia de nutrientes y la reducción/dilución
de sustancias inhibidoras debido a la mezcla de los residuos. [3,4]
Optimización de cualidad reológica
Residuos con una pobre dinámica de fluidos, pueden ser mas fácilmente digeridos
después de ser homogeneizados con sustratos diluidos como ser estiércoles líquidos o
aguas residuales. La mezcla de diferentes substratos da flexibilidad para compensar las
fluctuaciones estaciónales de residuos permitiendo que el proceso de digestión pueda ser
mantenido a velocidad constante. [3]
Numerosos materiales orgánicos son posibles de digerir anaeróbicamente sin mayores
requerimientos de pretratamiento y con excelentes rendimientos, siempre que el contenido
de impurezas o componentes inhibidores sean muy bajos (Ejemplo: Frutas, sangre) entonces,
problemas operacionales no son esperados. Algunos residuos (como estiércol, vegetales)
pueden formar metabolitos inhibidores (Ejemplo: NH3, acumulación de ácidos volátiles)
durante la digestión anaeróbica consiguientemente no son considerados como excelentes.
Muchos otros residuos orgánicos pueden ser considerados como buenos materiales, sin
embargo estos a menudo requieren pre-tratamiento (Ejemplo: Alimentos con fecha de
expiración vencida, residuos de mercado, rumen y residuos de estomago, etc.) para obtener
buena digestión y alta calidad como producto final (digestato), impurezas como plásticos,
vidrio, metales, arena, piedras, etc., tienen que ser removidos casi completamente antes de la
alimentación al biodigestor. Esto es necesario para evitar el taponamiento de tuberías,
formación de espuma, capas en la base, fallas de proceso, o daños de bombas, y elementos
de agitación. Estas etapas de pretratamiento requieren de maquinaria altamente sofisticada y
frecuentemente causa considerables costos operacionales.
14
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Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
Pocos materiales orgánicos pueden ser clasificados como pobres para la digestión, debido a
su alto costo de pre-tratamiento, componentes inhibidores, pobre biodegradabilidad, riesgos
higiénicos o debido a costosos problemas logísticos de transporte o recolección (Ejemplo:
Partes de animal, animales de confiscación, paja, residuos de jardinería).
El posible uso de residuos como substrato en digestión anaeróbica también es influenciada y
determinada por legislación, así como guías o reglas técnicas. Es necesario considerar la
legislación sobre rellenos sanitarios, protección de suelos y aguas, las regulaciones sobre la
recuperación, disposición y tratamiento de residuos, reglas sobre salud humana y animal y
guía de esterilización.
Los residuos orgánicos pueden contener bacterias patogénicas de diferentes especies como
Salmonella, Listeria, Escherichia coli, Campylobacter, Mycobacteria, Clostridia, Yersinia,
coliformes fecales y enterobacterias. La frecuente polución de suelos por aguas residuales y
estiércol de animales tienen adverso efecto en el medioambiente, permitiendo que los
patógeno permanezcan viables en el suelo par dos meses o más, especialmente en áreas
húmedas y sombrías. La supervivencia de bacterias en el suelo depende, sin embargo, de
muchos parámetros, tales como temperatura, humedad, pH, composición del suelo y la
presencia de los otros microorganismos. El proceso de digestión anaeróbica de estos
residuos reduce o elimina la presencia de estos microorganismos [26,27].
La velocidad de decaimiento de bacterias patogénicas en DA depende de muchos factores –
temperatura, tiempo de tratamiento, pH, ácidos volátiles grasos, tipo de proceso, especie
bacterial y disponibilidad de nutrientes [26]. La inactivación de patógenos puede efectuarse
en termino de horas en digestión termofilica (50-55oC) o días en digestión mesofilica (3038oC). La reducción del 90% de enterobacterias fue alcanzado en 18 días comparado con S.
Typhimurium que requirió del doble de tiempo [28].
1.3
Aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
Durante el proceso de faeno en un matadero se obtienen la carne y subproductos (como ser
hígado, etc.) que son adecuados para el consumo humano y pueden ser comercializados
libremente. Los residuos, no adecuados para consumo humano son divididos en dos
categorías: 1) Residuos que tienen valor comercial y que son comercializados; tales como las
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Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
grasas y huesos los que encuentran usos como materia prima en plantas de alimento para
animales o en la industria farmacéutica; y 2) Residuos no comercializables, tales como
rumen, residuos de panza e intestinos, estiércol, etc. Estos residuos pueden ser tratados
mediante digestión anaeróbica.
1.3.1.
Residuos de matadero
La tabla 1. muestra los promedios mensuales de los residuos y las cantidades generadas en el
matadero municipal de la ciudad de La Paz, en este matadero se faenan ganado vacuno y
ganado porcino.
Tabla 1. Generación mensual de residuos en el matadero municipal de la Ciudad de La Paz,
periodo de referencia Sep-Nov de 2000.*
Residuos
Unidad
Vacuno
Porcino
Total
Estiércol
Kg
15914,0
6314,0
22228,0
Sangre
Kg
64223,5
8208,0
72431,5
Rumen y otros
Kg
93016,2
0,0
93016,2
Sólidos groseros y grasa
Kg
0,0
3157,0
3157,0
Merma
Kg
33632,9
0,0
33632,9
Orina
Kg
13262,0
5262,0
18524,0
.............................................................
Totales
kg
220048.6
22941,0
242989,6
*Fuente: Castro DO. Investigación básica para el tratamiento de aguas residuales del
matadero municipal de Achachicala-La Paz.
1.3.2.
Residuos de frutas y vegetales de mercado
En la ciudad de La Paz la recolección de residuos sólidos generados en los mercados esta a
cargo de la empresa “Clima”, esta empresa destina 5 vehículos con un promedio de
recolección de 8 ton/dia/vehículo en días normales y el doble los lunes. Sin embargo, los
camiones también recogen basura común durante sus trayectos y que esta constituiría un
35% de la carga. El estimado total de la materia orgánica de mercados es 30 ton/dia [6].
Según el censo realizado por el Instituto Nacional de Estadística (INE 2002) en La Paz se
genera 430 toneladas diarias de basura de las cuales el 20.5% es proveniente de mercados y
ferias, esto implica que 88.15 toneladas diarias. Un estudio realizado por IMPADE indica
que el 58% de la basura generada en el departamento de La Paz es materia orgánica.
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2. OBJETIVOS DEL PROYECTO
2.1 Objetivos generales
Desarrollar un proceso para el aprovechamiento del rumen, la sangre, el estiércol,
proveniente de los mataderos de reses y de los residuos vegetales proveniente de los
mercados, mediante su descomposición anaeróbica para la producción de biogás.
2.2 Objetivos específicos
Caracterización fisicoquímica de los residuos sólidos de matadero y de los residuos
vegetales proveniente de los mercados.
Establecer la mezcla adecuada de los residuos en estudio para la producción de biogás.
Analizar los parámetros que influyen en el proceso.
Determinar las condiciones operativas adecuadas para la producción de biogás con residuos
orgánicos de matadero y residuos vegetales de mercado.
Determinar la calidad del biogás producido mediante análisis cromatográfico y la
composición del residuo de la digestión anaeróbica (nitrógeno, fósforo, potasio, etc.).
Efectuar pruebas a nivel bench scale con el objeto de recabar información relativa a los
balances de materia y energía, etc.
Determinar los parámetros de diseño.
Proponer un proceso para el aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado.
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Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
3. ESTUDIO BÁSICO
3.1
Fundamento teórico
La degradación de la materia orgánica vía digestión anaeróbica para la producción de biogás
es una buena alternativa medioambiental y tecnológica. En este contexto los procesos
anaeróbicos son aquellos donde ni oxígeno ni nitrato están presentes. Estos procesos son
llevados a cabo por un largo y variado grupo de microorganismos que normalmente viven en
una relación sintrópica. Sintropismo es un proceso por el cual dos o más microorganismos
cooperan a degradar una sustancia que solos no podrían.
La descomposición anaeróbica de materia orgánica compleja en metano y dióxido de
carbono es un proceso multi-etapa. Las principales etapas son hidrólisis, acidogénesis,
acetogénesis y metanogénesis. (Fig. 1)
Fig. 1. Degradación anaeróbica de material orgánico.
Materia orgánica compleja
Proteínas
Carbohidratos
Grasas
Hidrólisis
Amino ácidos, Azucares
Ácidos grasos
Acidogénesis
Productos Intermedios ej.
Propionico, butírico
Acetogénesis
Acético
Hidrógeno, dióxido de carbono
Metanogénesis
Metano, dióxido de carbono
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En la hidrólisis de polímetros orgánicos como ser carbohidratos, grasas y proteínas, estos
polímetros son hidrolizados en unidades más pequeñas tales como azucares, ácidos grasos de
cadenas largas y amino ácidos. Esto es efectuado por medio de enzimas extracelulares como
la celulasa, amilasa, lipasa o proteasa. Los microorganismos que producen estas enzimas
pueden ser microorganismos aeróbicos obligados o facultativos.
La siguiente etapa en la degradación anaeróbica es conocida como acidogénesis, donde, los
azucares, ácidos grasos de cadena larga y amino ácidos resultantes de la hidrólisis son
utilizados como sustratos por microorganismos fermentativos o por oxidantes anaeróbicos.
La acidogénesis a menudo es la etapa más rápida en la conversión anaeróbica de materia
orgánica compleja en fase líquida. En un proceso estable, la principal ruta de degradación es
vía acetato, dióxido de carbono e hidrógeno y los reducidos intermediarios de fermentación
juegan un rol menor. Esta ruta de degradación también da un alto rendimiento energético
para los microorganismos. La acumulación de receptores de electrones tales como ácido
láctico, propiónico, butírico, etanol y otros ácidos grasos volátiles (AGV) es la respuesta de
las bacterias al incremento de la concentración de hidrógeno en el substrato. Estos productos
pueden no ser utilizados directamente por los microorganismos metanogénicos y deberían
ser degradados por las bacterias productoras de hidrógeno en el proceso denominado
acetogénesis.
Las bacterias acetogénicas son responsables de la conversión de los compuestos receptores
de electrones producidos en la etapa acidogénica. La conversión de estos compuestos
intermedios es crucial para la exitosa producción de metano, debido a que los
microorganismos metanogénicos no los pueden utilizar directamente. La Acetogénesis es
llevada a cabo por una sintrópica asociación con microorganismos metanogénicos
consumidores de hidrógeno. Termodinámicamente esta relación sintrópica representa el
metabolismo basado sobre el concepto de mínima energía que pueden utilizar las células
vivientes, donde las reacciones acetogénicas termodinámicamente no espontáneas (energía
libre de Gibbs positiva) se viabiliza por la reacción metanogénica, cuya energía libre de
19
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Gibbs negativa da como resultado una reacción sintrópica neta con energía libre de Gibbs
negativa (espontánea).
La metanogénesis es la producción de metano y dióxido de carbono a partir de un limitado
numero de compuestos (acético, H2/CO2, metanol y acido fórmico) que actúan como
substrato para los microorganismos metanogénicos (archaeas). Alrededor de 70% del
metano es obtenido vía reacción de acético y el restante es a partir de la reacción de H2/CO2.
Los microorganismos metanogénicos consumidores de hidrógeno son los microorganismos
de más rápido crecimiento en la digestión aeróbica, el mínimo tiempo de duplicación de
estos microorganismos se estimo en 6 horas, comparado con 2,6 días de los
microorganismos metanogénicos acetoclásticos.
Factores que influyen en la degradación anaeróbica
Los factores medioambientales que son relevantes en la tecnología de la degradación
anaeróbica incluye la temperatura, pH, la presencia de nutrientes y componentes tóxicos en
el proceso.
Temperatura
Los tratamientos anaeróbicos normalmente son efectuados en dos rangos distintos de
temperaturas: El rango mesofilico (25 – 40oC) y el rango termofílico (>45oC). Las
propiedades físicas como la viscosidad y la tensión superficial podrían cambiar con la
temperatura y mejorar la transferencia de masa y una alta velocidad de degradación fue
observada bajo condiciones termofílicas. En otros casos, el tratamiento anaeróbico en el
rango termofílico mostró ser más inestable que bajo condiciones mesofílicas y esto no
mejoro la velocidad de degradación. La metanogénesis también es posible bajo condiciones
psycrofílicas (T<20oC) pero ocurre a velocidades muy bajas.
pH
Cada grupo de microorganismos involucrados en la degradación anaeróbica tiene una región
de pH optima para su crecimiento, para los microorganismos acidogénicos el pH optimo es
20
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alrededor de 6, para los microorganismos acetogénicos y metanogénicos el pH optimo es
alrededor de 7. En un proceso de tratamiento anaeróbico de una sola etapa el pH debería
mantenerse próximo a la neutralidad dado que las bacterias acidogénicas también trabajan a
pH cerca de la neutralidad y la etapa metanogénica es frecuentemente la etapa limitante.
Nutrientes
Una eficiente biodegradación requiere que nutrientes como nitrógeno, fósforo y trazas de
elementos estén disponibles en suficiente cantidad. Los nutrientes más importantes son
nitrógeno y fósforo y se sugiere que la relación COD:N:P debería mantenerse como mínimo
en 250:5:1. En la degradación de mezclas de residuos con frecuencia se asume que los
necesarios nutrientes y micro nutrientes están disponibles en cantidades no limitantes. Sin
embargo en el tratamiento de simples residuos, la degradación puede ser limitada por la
disponibilidad de nutrientes. Hay muchos ejemplos que muestran que la suplementación de
elementos trazas, como níquel y cobalto estimula el proceso anaeróbico.
Inhibición
Los microorganismos metanogénicos son considerados más sensibles a la toxicidad que
otros microorganismos presentes en la degradación anaeróbica. Sin embargo efectos de
aclimatación y reversibilidad de los efectos tóxicos fueron observados.
La inhibición de NH3, H2S y AGF (ácido acético, propiónico y butírico) es dependiente del
pH porque solo las formas no ionizadas son las que exhiben toxicidad microbial. NH3 es
inhibidor a pH mayor que 7. H2S y AGF son tóxicos a pH menor a 7. Bacterias anaeróbicas
en cultivos puros mostraron sensibilidad a metales pesados en el rango de concentraciones
de 10-3 a 10-4M.
Las bacterias metanogénicas son muy sensibles al oxigeno, sin embargo en la mezcla de
cultivos de un digestor anaeróbico hay bacterias aeróbicas facultativas presentes en el grupo
de bacterias hidrolíticas y acidogénicas y el oxigeno presente en el digestor será rápidamente
consumida por estos microorganismos.
21
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Materia prima
La digestión anaeróbica de residuos sólidos de matadero como la de restos de frutas y
vegetales recientemente es considerada como una adecuada alternativa en el tratamiento de
residuos. El conocimiento sobre el proceso de co-digestión se incrementó sin embargo, más
estudios son necesarios para investigar el efecto de diferentes tipos de materias primas, y
como la composición de los residuos influye en el proceso de biodegradación.
Los residuos resultantes del faeneo de reses y cerdos consisten principalmente de rumen,
residuos de panza e intestinos, sangre y estiércol. La digestión anaeróbica de mezclas de
residuos usando sangre, rumen y residuos de intestinos, se reporto que es posible usarlos en
la proporción en los que estos son producidos [7]. Rosenwinkel y Meyer [8] publico los
resultados de una planta piloto para el tratamiento de residuos de estomago de cerdo y colas
de flotación de matadero, la digestión anaeróbica de los contenidos de estomago fue posible
con un tiempo de retención hidráulico (HRT) de 44 días y la adición de NaOH, la baja
producción especifica de biogás (0.16 m3/Kg ST) y contenido de metano de 40% indica que
en el biorreactor hubo acidificación y la metanogénesis fue incompleta, reduciendo el tiempo
de retención a 25 días la metanogénesis se detuvo completamente, basado en estos
resultados, ellos concluyeron que la digestión anaeróbica de solo residuos de estomago no es
recomendable. La co-digestión de los residuos de estomago (25%) con colas de flotación de
matadero después de larga fase de adaptación y tiempo de retención de 17 días, fue obtenida
una operación estable. La producción especifica de gas fue 0.44 m3/kg ST adicionado.
Es importante notar que los rendimientos en los procesos de co-digestión dependen del tipo
de material, la proporción de los componentes, el tipo y las condiciones del proceso; también
el rendimiento depende del pre-tratamiento de la materia prima. Co-digestión de residuos
animales pasteurizados (70oC, 1h) incrementa el rendimiento de biogás (1.14 m3/kg SV)
comparado con la digestión de residuo no-pasteurizado (0.31 m3/kg SV) [8].
El termino “productividad de metano” es usado para indicar el rendimiento de metano por
unidad de una variable. La productividad de metano puede ser medido en términos de sólido
volátil destruido (SVdes), sólido volátil adicionado (SVad) o producción animal. La
productividad de metano en términos de SVdes (L CH4/kg SVdes) corresponde al
22
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rendimiento teórico de metano (Bu) y se define como la producción de metano si hubiere
una completa degradación de todos los componentes orgánicos del substrato. La
productividad de metano en términos de SVad cuando el tiempo de residencia tiende a
infinito es referida como el rendimiento final de metano (Bo). El rendimiento último de
metano resulta ser menor que el rendimiento teórico de metano en razón de que una fracción
del substrato es utilizada para sintetizar biomasa bacterial, otra fracción de la materia
orgánica podría perderse en los efluentes y finalmente otra fracción del substrato esta
compuesto por materia orgánica refractaria (materia que puede degradarse en limitado
grado). Se estableció que la producción ultima de metano (Bo) y la producción volumétrica
de metano (m3/m3 substrato) de substratos de diferente origen pueden ser muy variables, así
en el caso de estiércol de animales estos dependerán de factores como: la especie de animal,
alimentación, etapa de crecimiento de los animales, procesos de degradación durante el
periodo previo a su utilización [24]
Residuos de frutas y vegetales constituyen una potencial fuente de energía si ellos pueden
ser adecuadamente y biológicamente convertidos a metano. Gunaseelan [9] reportó el
potencial bioquímico de metano de 54 muestras de residuos de frutas y vegetales, , la
productividad ultima de metano reportado en el caso de frutas varía de 180 a 732 l/kg SVad
y para los vegetales entre 190 a 400 l/kg SVad. Bouallagui, et al. [10] y Dinsdale, et al. [11]
evaluaron residuos de frutas y vegetales como materia prima para digestión anaeróbica, los
rendimientos de metano reportados fueron entre 0.25 – 0.45 m3/kg SV adicionado. Sin
embargo, ellos y otros investigadores sugieren que el contenido de nitrógeno y fósforo en
residuos de frutas y vegetales puede ser bajo, y esta es la razón por la que estos son usados
en co-digestión con otros residuos.
Hasta hace muy poco la digestión anaeróbica fue de simple substrato y proceso de simple
propósito. Hoy, los limites y las posibilidades de la digestión anaeróbica son mejor
conocidos y la co-digestión de dos o más substratos, viene a ser una tecnología standard. No
obstante, más estudios son necesarios para investigar los efectos de diferentes tipos de
materia prima, pobre biodegradabilidad, y como la composición de residuos influye en el
proceso de digestión anaeróbica. En el presente estudio básico preliminar hacemos conocer
23
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los resultados de los efectos de la composición de mezcla en la co-digestión de residuos
sólidos de matadero con residuos de frutas y vegetales. El estudio fue realizado en reactores
batch a nivel laboratorio utilizando diseño experimental de mezclas.
3.2 Materiales y métodos
3.2.1
Materia prima
Residuos de Mercado consistente en restos de frutas y vegetales fueron muestreados del
mercado Rodríguez, principal centro de abasto en la Ciudad de La Paz, su composición se
muestra en la tabla 2. luego de clasificado y pesado cada componente, fue mezclado, licuado
y embolsado para ser almacenado en conservadora a temperatura menor a 0oC hasta su
utilización, muestras representativas fueron separadas para su análisis.
Tabla 2. Composición de mezcla de residuos de frutas y vegetales (MFV)
Fuente: Elaboración propia
No
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
Nombre de muestra
Zapallo (cascara y semillas)
Berenjena
Tomates
Lechuga
Lacayote
Zanahoria
Zebolla
Locoto
Pimento morron
Arveja (cascara)
Nabo
Rabano
Papa
Sandia
Limones
Toronja
Pina (cascara)
Naranjas
Banana y postre
Camote
Yuca
Porcentaje (w/w)
5.15
6.20
5.84
0.92
6.26
2.34
11.50
3.79
7.66
0.72
0.88
0.64
2.74
0.88
1.50
6.80
1.50
21.60
2.23
5.85
5.00
24
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Muestras de residuos del matadero de Achachicala (Ciudad de La Paz, Provincia Murillo)
consistentes en estiercol de vaca y cerdo, rumen de vaca, sangre de vaca y cerdo, residuos de
estómago de cerdo fueron muestreados cuidadosamente al inicio de los trabajos diarios de
este matadero, se embolsaron en envases de polietileno y puestos en conservadora a
temperatura menor a 0oC hasta su utilizacion. Muestras representativas de cada material
organica fueron separados para su análisis.
Los resultados de los análisis efectuados por los laboratorios del LCA, IBTEN, IIDEPROQ
y Hospital Municipal Boliviano Holandes se muestran en la tabla 3 y 4.
Tabla 3. Caracterización de residuos de matadero y frutas/vegetales
Parámetro
pH
Solidos totales
Solidos volatiles
Solidos volatiles
Contenido de Humedad
Nitrogeno Total
Materia Orgánica
Cenizas
Fósforo Total
Sodio Total
Potasio Total
Calcio Total
Parámetro
pH
Solidos totales
Solidos volatiles
Solidos volatiles
Contenido de Humedad
Nitrogeno Total
Materia Orgánica
Cenizas
Fósforo Total
Sodio Total
Potasio Total
Calcio Total
Unidad
%
% ST
% bh
%
%
%
%
mg/Kg
mg/Kg
mg/Kg
mg/Kg
Unidad
%
% ST
% bh
%
%
%
%
mg/Kg
mg/Kg
mg/Kg
mg/Kg
Estiercol
de Vaca
7.10
14.14
77.45
10.95
85.86
1.90
74.00
26.00
9200.00
1100.00
15000.00
23000.00
Rumen
de Vaca
6.10
13.42
86.55
11.62
86.58
2.20
90.00
10.00
6600.00
20000.00
8800.00
2100.00
Sangre
de Vaca
7.40
23.03
96.36
22.19
76.97
15.00
96.00
3.80
870.00
12000.00
2900.00
130.00
Resid. De
Mercado
4.90
14.52
92.01
13.36
85.48
2.10
86.00
14.00
3100.00
2700.00
27000.00
9100.00
Sangre
de cerdo
7.25
22.28
96.56
21.29
77.72
8.32
95.56
4.44
494.00
7406.00
10682.00
90.00
Estiercol
de cerdo
9.15
37.88
67.77
25.57
62.12
2.47
67.77
32.23
21647.00
2772.00
10612.00
13886.00
Res. Panza
de cerdo
5.95
13.52
85.53
11.57
86.46
1.85
85.53
14.47
4510.00
19890.00
8799.00
1922.00
Fuente: Elaboración propia. Muestreo: Frutas y vegetales 23/05/03, matadero 3/04/03
25
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Tabla 4. Análisis microbiológico de muestras de residuos de matadero
M U E S T R A Estiércol
De Vaca
Microorganismos Patógenos
Shigella spp
Salmonella typhi
Staphylococcus aureus
Eschrichia coli enteropatógena
Microorganismos no Patógenos
Staphylococcus epidermidis
Staphylococcus saprophyticus
Enterococcus faecalis
Escherichia coli no patógena
Enterobacter spp
Basilos gram neg. no fermentadores
Pseudomona spp
Proteus spp
Salmonella spp
Staphylococcus epidermis
Rumen
De Vaca
Sangre
De Vaca
Playa de
Faeneo Centro
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
M U E S T R A Playa de Playa de Playa de
Faeneo #1 Faeneo #2 Faeneo #3
Microorganismos Patógenos
Shigella spp
Salmonella typhi
Staphylococcus aureus
Eschrichia coli enteropatógena
Microorganismos no Patógenos
Staphylococcus epidermidis
Staphylococcus saprophyticus
Enterococcus faecalis
Escherichia coli no patógena
Enterobacter spp
Basilos gram neg. no fermentadores
Pseudomona spp
Proteus spp
Salmonella spp
Citrobacter Freundii
X
X
X
X
X
X
X
X
Playa de
Faeneo #4
Residuos
Mercado
X
X
X
26
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El análisis microbiológico se realizo de muestras tomadas en distintos lugares del Matadero
Municipal de Achachicala, para este propósito se tomo las muestras de la forma autorizada
por el Laboratorio Clínico Bacteriológico, del Hospital Municipal Boliviano Holandés, ya
que para poder determinar los microorganismos patógenos que se pudieran encontrar en los
residuos de Matadero, es necesario hacer un barrido de análisis para diferentes
microorganismos, e ir determinando en cuales de los análisis estos dan positivos, vale decir
se detectan microorganismos patógenos.
Para este propósito es necesario que las muestras sean tomadas en el lugar donde se genera
el residuo, siendo así se tomaron 37 muestras en matadero en total ya que dependiendo del
lugar, podría tratarse de que los microorganismos patógenos, estén en el residuo como tal, o
si se contamina por el medio que lo rodea y una muestra representativa de los residuos de
mercado. (Se tiene un mayor detalle del reporte en el Anexo C en el informe de cultivo
Bacteriológico realizado por el laboratorio de bacteriología del Hospital Municipal
Boliviano Holandes de la ciudad de El Alto).
Tabla 5. Formulación de mezclas de estiércol, sangre/rumen y vegetales.
Mezcla
Mezcla de estiércol (EVC)
Estiércol de vaca
Estiércol de cerdo
Composición (%)
71%
29%
Mezcla de sangre, rumen y residuos de panza e intestino de cerdo (SVCRR).
Rumen de vaca
57,14%
Residuos de panza e intestino de cerdo
9,43%
Sangre de vaca
28,57%
Sangre de cerdo
4,86%
3.2.1.1 Comparación de N, P y de las relaciones C/N, con los datos Bibliográficos
A continuación tenemos una tabla que nos permite evaluar los resultados experimentales de
la caracterización y en este caso los nutrientes necesarios para el proceso de digestión
anaeróbica.
27
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Tabla 6. Comparación De Valores Analizados Y Bibliográficos De La Materia Prima
Residuo
Estiercol Vaca
Rumen Vaca
Sangre Vaca (Oriente)
Sangre Vaca (Altiplano)
Residuo de Mercado
Sangre Cerdo
Estiercol Cerdo
Res. Est. Cerdo
C/N
23
24
4
4
24
7
16
28
*C/N
15 - 30
15 - 30
15 - 30
15 - 30
15 - 30
15 - 30
15 - 30
15 - 30
N [g/KgSV] *N [g/KgSV] P [g/KgSV] *P [g/KgSV]
26
80 - 120
12
10 - 25
24
80 - 120
7
10 - 25
158
80 - 120
1
10 - 25
156
80 - 120
1
10 - 25
24
80 - 120
4
10 - 25
86
80 - 120
1
10 - 25
37
80 - 120
32
10 - 25
21
80 - 120
5
10 - 25
*Valores Bibliográficos (Henze 1995)
Como podemos observar en la tabla, en las columnas de las relaciones de Carbono
Nitrógeno (C/N), El estiércol de vaca, rumen de vaca, residuos de mercado estiércol de
cerdo y residuos de estomago de cerdo, cumplen con el rango necesario para un tratamiento
de estos residuos, por el proceso de digestión anaerobia. Por el contrario todas las sangres se
encuentran por debajo del rango especificado necesario para un tratamiento anaerobio y
producción de biogás.
Observando las columnas de Nitrógeno (N), en este caso las sangres se encuentran por
encima o en el rango especificado necesario para el proceso, en cambio los demás residuos
se encuentran muy por debajo de este requerimiento.
Finalmente observando las columnas de Fósforo (P), solamente el estiércol de Vaca y el
estiércol de Cerdo se encuentran en el rango o por encima respectivamente, del rango
especificado como necesario para el proceso, los demás se encuentran por debajo de este
requerimiento.
Entonces de estas observaciones podemos concluir de que si bien estos nutrientes son muy
importantes para el proceso, y todos los residuos, no cumplen con todos estos requerimiento
planteados en la bibliografía, estos no se deben cumplir estrictamente, ya que para el
tratamiento de residuos orgánicos, estos parámetros no son definitivos, sino que son solo
referenciales, y no influirán de gran manera durante el proceso, ya que en el proceso, el
sistema se va autoregulando lentamente, y los microorganismos que interfieren en el
proceso, van degradando los residuos y liberando cada uno de estos componentes de tal
forma que los sólidos solubilizados en el medio se encuentran en rangos suficientes para el
desarrollo de los microorganismos que interfieren en el proceso. Además, para las pruebas se
28
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utilizan mezclas de estos residuos, así que de alguna manera estos se compensaran y
podremos ajustarnos de mejor manera en estos rangos.
Entonces para el control durante las pruebas se toma las relaciones de Carbono Nitrógeno,
como señal de la estabilidad del sistema ya que como vimos, la mayoría de los residuos
cumplen con este requerimiento.
3.2.1.2 Comparación de los iones Na, K y Ca, con los datos Bibliográficos
A continuación tenemos una tabla que nos permite evaluar los resultados experimentales de
la caracterización y en este caso con los niveles máximos permisibles para el proceso de
digestión anaerobia.
Tabla 7. Comparación De Iones Na, K Y Ca Con Limites Bibliográficos
Residuo
Estiercol Vaca
Rumen Vaca
Sangre Vaca (Oriente)
Sangre Vaca (Altiplano)
Residuo de Mercado
Sangre Cerdo
Estiercol Cerdo
Res. Est. Cerdo
Na [M] *Na [M]
0.008
0.2
0.128
0.2
0.162
0.2
0.121
0.2
0.017
0.2
0.072
0.2
0.048
0.2
0.119
0.2
K [M] *K [M]
0.065
0.09
0.033
0.09
0.015
0.09
0.017
0.09
0.098
0.09
0.062
0.09
0.108
0.09
0.031
0.09
Ca [M]
0.098
0.008
0.001
0.001
0.032
0.001
0.138
0.007
*Ca [M]
0.07
0.07
0.07
0.07
0.07
0.07
0.07
0.07
*Limite Bibliográfico (Kugelman y Chin 1971)
Observando en la tabla, comparando los valores en las columnas de Sodio (Na), vemos que
ninguno de los residuos tiene una cantidad de Sodio por encima del valor bibliográfico
(*Na), por lo tanto se descartaría que existiera alguna inhibición por exceso de este ion.
También vemos que los residuos de estiércol de vaca y estiércol de cerdo, son los residuos
que tienen los valores más bajos, y son residuos que ya se han utilizado anteriormente y se
reportan buenos resultados en pruebas individuales de estos residuos.
Observando las columnas de comparación para el Potasio (K), vemos que se encuentran por
encima de estos límites los residuos de mercados y el estiércol de cerdo, aunque no están
muy encima, sino solo ligeramente, por lo que se esperaría que al realizar las mezclas, estos
se encuentren por debajo del límite bibliográfico de 0.09 de (*K).
29
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Observando las columnas de comparación para el calcio (Ca), solo exceden los límites que
se tiene en bibliografía (*Ca), los residuos de estiércol de vaca y estiércol de cerdo, siendo el
caso mas crítico en el caso del estiércol de cerdo, que prácticamente duplica estos límites,
pero esperemos que al realizar las mezclas y debido a que los demás residuos están muy por
debajo de este límite, la mezcla resultante se encuentre por debajo de este límite, aún es
también de esperar de que la mezcla principal, que es justamente las mezclas de estiércol de
vaca y de cerdo, estén aún por encima.
Por tanto podemos concluir de que la mayoría de los residuos se encuentran por debajo de
las concentraciones límites de inhibición de estos iones, y que por lo tanto se esperaría que
no hubiese problemas por este lado, mas aún si consideramos que al trabajar con mezclas de
estos, estos parámetros se regularan por el mismo proceso de digestión, por que la
solubilización de los sólidos no es total sino parcial.
3.2.2
Preparación de las cargas de mezclas
La determinación de la relación óptima entre las cantidades de residuos de origen animal y
residuos de origen vegetal se trabajo dentro de un enfoque experimental de diseño de
mezclas con tres factores, para ello se preparo la materia prima en tres conjuntos; la primera
mezcla de frutas y vegetales (MFV) cuya composición fue detallado en la tabla 2. La
segunda, mezcla de estiércoles de vaca y cerdo (EVC) y la tercera, mezcla es de sangre de
vaca, cerdo, rumen de vaca y residuos de panza e intestino de cerdo (SVCRR) y cuyas
composiciones se indican en la tabla 5 y 8.
Tabla 8. Características de las mezclas de estiércol (EVC), sangre/rumen (SVCRR) y frutas
y vegetales (MFV).
EVC
SVCRR
MFV
pH
8,25
7,11
4,9
Humedad (%)
76,51
81,67
85,48
Sólidos totales (%)
23,49
18,33
14,52
Sólidos volátiles (%TS)
75,96
91,74
92,01
Sólidos volátiles, base húmeda (%)
17,84
16,82
13,86
30
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
3.2.2.1 Caracterización De Las Tres Mezclas Preparadas Para Las Pruebas
Experimentales
A continuación se tiene los resultados de la caracterización de las tres mezclas preparadas
(Mezcla De Estiércol de Ganado Vacuno y Ganado Porcino; Mezcla De Rumen, Residuos
estomacales de cerdo, Sangre de Ganado vacuno y Porcino; Mezcla De Residuos de Frutas y
vegetales) para realizar las pruebas experimentales según el diseño experimental de mezclas
Tabla 9. Caracterización De Las Tres Mezclas Principales Del Diseño Experimental
MEZCLA
SVCRR
EVC
MFV
S.V.b.s. [%]
N [%]
92
76
92
1.3
1.4
2.1
P [mg/Kg] Na [mg/Kg]
4469
12810
3100
17092
1585
2700
K [mg/Kg] Ca [mg/Kg]
7206
13727
27000
1423
20357
9100
3.2.2.2 Comparación de N, P y de las relaciones C/N, con los datos Bibliográficos
A continuación tenemos una tabla que nos permite evaluar los resultados experimentales de
la caracterización y en este caso los nutrientes necesarios para el proceso de digestión
anaerobia
Tabla 10. Comparación De Los Nutrientes De Las Mezclas Con Datos Bibliográficos.
MEZCLA
SVCRR
EVC
MFV
C/N
42
31
25
*C/N N [g/KgSV] *N [g/KgSV] P [g/KgSV] *P [g/KgSV]
15 - 30
14
80 – 120
5
10 - 25
15 - 30
19
80 – 120
17
10 - 25
15 - 30
23
80 – 120
3
10 - 25
*Valores Bibliográficos (Henze 1995)
Haciendo la evaluación de los resultados de caracterización de las tres mezclas preparadas
para las pruebas experimentales, en relación a los nutrientes necesarios, en forma general
podemos concluir que existe una deficiencia de los nutrientes que son el Nitrógeno y el
Fósforo, principalmente de Nitrógeno que se encuentran muy por debajo del requerimiento
necesario, y se refleja también en la relación Carbono – Nitrógeno (C/N), en donde se ve que
existe una mayor cantidad de carbono en relación al Nitrógeno y que la única mezcla que se
31
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
encuentra en el rango adecuado es la de los Residuos de mercado, y en el caso de la cantidad
de Fósforo es la de la Mezcla de estiércol de Vaca y Cerdo.
Ahora bien si bien aparentemente se requería aumentar de alguna manera estos nutrientes,
con el propósito de conseguir un comportamiento ideal, de las mezclas para el tratamiento
anaerobio y tener un mayor rendimiento en el proceso, no es el propósito de esta
investigación, sino mas bien encontrar la mejor relación de las mezclas que nos den el mejor
comportamiento en relación a la producción de Biogás y Reducción de los Residuos Sólidos
generados tanto en matadero como en los residuos como fruta y verduras de los mercados.
3.2.2.3 Comparación de los iones Na, K y Ca, con los datos Bibliográficos
A continuación tenemos una tabla que nos permite evaluar los resultados experimentales de
la caracterización y en este caso con los niveles máximos permisibles para el proceso de
digestión anaerobia.
Tabla 11. Comparación De Las Concentraciones De Los Iones Experimentales Y
Bibliográficos
MEZCLA
SVCRR
EVC
MFV
Na [M]
0.150
0.019
0.017
*Na [M]
0.2
0.2
0.2
K [M]
0.037
0.099
0.098
*K [M]
0.09
0.09
0.09
Ca [M]
0.007
0.143
0.032
*Ca [M]
0.07
0.07
0.07
*Limite Bibliográfico (Kugelman y Chin 1971)
Haciendo la evaluación, comparando los resultados de los análisis de las tres mezclas, vemos
que en la mayoría de los casos se encuentra por debajo de los límites que se consideran
podrían inhibir el proceso de la digestión anaerobia, solo en los casos de las Mezclas de
Estiércol de vaca y Cerdo y la Mezcla de Residuos de Mercado, sus concentraciones de
Potasio (K), se encuentran ligeramente por encima de límite especificado y la de la mezcla
de estiércol de vaca y cerdo, que su concentración de Calcio (Ca), esta muy por encima de
del límete permisible.
En este caso tampoco se regulara estas interferencias por los motivos antes expuestos, y se
analizara estos casos ya con los resultados que se obtuvieron en las pruebas experimentales.
32
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
3.2.3
Digestores
Los experimentos batch de digestión fueron efectuados en cuatro bioreactores cilíndricos
construidos en acero inoxidable de 2 litros de volumen útil cada uno (Fig. 2). La tapa del
recipiente tiene salidas que permiten la coleccion de biogas y el muestreo de sustrato;
ademas en el centro el eje para la agitación mecánica, el que por medio de un sistema de
engranajes, polea, motor y timer, permite el control del tiempo y velocidad de agitación. Los
digestores fueron operados a 35 ± 1oC por inmersion de los biorreactores en un baño de agua
calefaccionado por 2 termostatos de inmersion. La colección de gas de los reactores fue por
medio de manguera flexible de PVC hacia un recipiente de acumulacion y por
desplazamiento de agua acidificada a pH 2. La positiva presion del gas acumulado, permite
su transferencia hacia un cilindro de medición graduado. La medición del gas acumulado fue
efectuado una vez al día.
33
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Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
Fig 2a.
Digestores anaeróbicos nivel laboratorio
34
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Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
Fig. 2b
Digestor anaeróbico (detalles)
A Acumuladores de agua
R Digestores
G Acumuladores de biogás
t Medidor de biogás
B Baño termostatizado
M Motor para agitación
Eng Engranajes
E Agitador
P Puente de sujeción
35
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3.2.4
Procedimiento experimental
Los experimentos batch de digestión anaeróbica fueron efectuados en dos etapas, primero
cuatro experimentos preliminares que permitieron definir el contenido de solidos volatiles
(materia organica) en las pruebas de diseño experimental de mezclas. Y 10 pruebas dentro el
diseño experimental de mezclas.
Las 3 mezclas de residuos fueron dejados fuera del refrigerador hasta el día siguiente para
descongelarlos, estos sustratos fueron pesados, mezclados y diluidos con agua de grifo hasta
obtener el contenido de sólidos volátiles deseado para cada prueba (tabla 12 y 13) y la
mezcla fue homogeneizada con una licuadora domestica y cargado al biodigestor,
posteriormente se procedio a inocular con inoculo activo estabilizado a 35oC.
Los cuatro experimentos preliminares en proceso batch fueron efectuados en paralelo (tabla
7) los que se controlaron por 47 dias. Los reactores fueron continuamente agitados a 30
rpm, la temperatura fue fijada a 35oC. La produccion de gas fue medida diariamente, y se
analizo el contenido de metano y CO2. Del sustrato se extrajeron muestras cada 10 dias y se
analizo el contenido de solidos y el pH.
10 pruebas (tabla 13) dentro de el diseño experimental de mezclas fueron efectuados. Los
reactores fueron agitados semicontinuamente (15 minutos de agitación, seguidos de 105 min.
Sin agitación). La temperatura del baño fue fijada a 35oC, los bioreactores se controlaron por
periodos de tiempo entre 40 a 100 días.
36
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Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
Tabla 12. Formulación del sustrato para pruebas preliminares de digestión anaeróbica de
residuos de matadero y mercado.
Prueba
PP-1
PP-2
PP-3
PP-4
SVCRR (g)
27
54
107
161
EVC (g)
25
50
101
151
MFV (g)
34
67
135
202
Agua [g]
1264
1179
1007
836
INOCULO [g]
150
150
150
150
Tabla 13. Diseño experimental de mezcla y formulación del sustrato en la digestión
anaeróbica de residuos de matadero y mercado.
Orden
Estandar
1
5
7
2
3
6
4
8
10
9
3.2.5
No del
Exp.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Proporciones de los componentes
x2
x3
x1
1,00
0,00
0,00
0,50
0,00
0,50
0,33
0,33
0,33
0,00
1,00
0,00
0,00
0,00
1,00
0,00
0,50
0,50
0,50
0,50
0,00
0,67
0,17
0,17
0,17
0,17
0,67
0,17
0,67
0,17
Formulación del sustrato (peso en gramos)
EVC
SVCRR MFV
Agua
Inóculo
363
0
0
1257
180
182
0
243
1195
180
121
128
162
1209
180
0
385
0
1235
180
0
0
485
1135
180
0
193
243
1184
180
182
193
0
1245
180
243
66
82
1229
180
62
66
325
1167
180
62
258
82
1218
180
Métodos analíticos
La concentración de metano y dioxido de carbono en el biogas fue analizado con un
cromatografo de gas Shimadzu, modelo GC14B, equipado con detector TCD, columna
capilar Carboxen 1010, 0.32mm DI (Supelco). He fue utilizado como Carrier.
Los análisis de sólidos, sólidos totales (ST), sólidos volátiles (SV), pH, Nitrogeno y fosforo
fueron analizados usando los metodos estandard (APHA 2000) [12].
3.2.6
Diseño experimental
En experimentos de mezclas, la respuesta medida se asume que depende solo de las
proporciones relativas de los componentes de la mezcla y no de la cantidad de mezcla.
Por consiguiente el proposito del diseño experimental de mezcla es modelar la superficie de
mezcla bajo cierta forma de ecuación matemática empírica de modo que permita la
37
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
predicción de las respuestas para cualquier mezcla o combinación de ingredientes y tambien
establecer la influencia de cada componente en la respuesta.
Con el objetivo mencionado, se trabajo con un diseño simplex –centroide incrementado con
puntos axiales para tres componentes (fig. 3). Este diseño tiene 10 puntos y permite estudiar
la respuesta de mezclas completas en el sentido de que puede detectar y modelar la curvatura
en el interior del triangulo.[13]
El diseño experimental de mezcla para las pruebas experimentales junto a la formulacion del
sustrato se detalla en la tabla 13.
Fig. 3. Diseño experimental de mezcla. Simplex-centroide incrementado con puntos axiales
para tres componentes.
1
8
2
7
3
10
9
4
5
6
38
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Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
3.2.7
Inóculo
Lodo activo de un digestor mesofilico (35oC) que se mantiene con alimentación periódica
con estiércol de vaca en laboratorio por tiempo mayor a 1 año en los laboratorios del
IIDEPROQ, fue utilizado como inóculo en los ensayos. La preparación del substrato inicial
para cada experimento fue efectuado inoculando con el 10% de la masa total del substrato.
En trabajos de digestión anaeróbica es práctica aceptada que la proporción adecuada de
inóculo en el sustrato inicial varíe entre 3 al 10% toda vez que el efecto de una buena
cantidad de inóculo influye en la reducción de la duración de la fase lag (Meyrath y
Suchaneck [25])
3.3 Resultados y discusión
39
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
3.3.1
Pruebas preliminares con residuos de matadero y de mercado.
Los resultados en cuanto a la evolución de sólidos en los sustratos se indican en la tabla 14
las figuras 4, 5 y 6 muestran el volumen acumulado de biogás y la concentración de metano
en cada experimento. Al incrementar la concentración de SV (0.82 a 5.63%) en el sutrato se
puede observar que el porcentaje de reducción de sólidos volátiles varía entre 45 – 25%, el
rendimiento de metano (volumen generado de metano por unidad de sólido volátil removido,
m3 /(kg SVrem)) decrece dramáticamente, de la misma forma el volumen de biogás
acumulado, este comportamiento de alto rendimiento de producción de metano por unidad
de SV removido se atribuye a que los microorganismos utilizan mayor proporción de la
materia orgánica disponible cuando esta diluido el sustrato que cuando éste se encuentra
concentrado.
Otro efecto importante es la variación de pH del sustrato. Al incrementar la concentracion de
SV en el sustrato se observa una mayor reducción en el pH, esta reducción de pH provoca la
inhibición de la reacción metanogénica [11] explicando en parte la disminución del
rendimiento de producción de metano.
Tabla 14. Resultados de variación de pH, sólidos volátiles (SV), volumen de metano y
rendimiento de metano en pruebas preliminares de digestión anaeróbica de mezclas
de residuos de matadero, frutas y vegetales.
Prueba
pH
Inicial Final
VS (%peso húmedo)
Inicial
Final
PP1
PP2
PP3
PP4
7.15
7.06
6.84
7.24
0.8225
1.7515
3.6195
5.6301
7.46
6.22
6.34
6.17
0.4523
1.3126
2.2649
3.0618
Red. SV
%
45.01
25.06
37.42
45.62
Vol. acum. Rend. CH4
(l)
(m3 /(Kg SVrem))
1.090
0.022
0.061
0.001
0.19624
0.00328
0.00301
0.00003
Fig. 4. Producción acumulada de biogás, pruebas preliminares.
40
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
5000.00
4500.00
4000.00
3500.00
V [cc]
3000.00
PP - 1
PP - 2
2500.00
PP - 3
PP - 4
2000.00
1500.00
1000.00
500.00
0.00
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
DIA
Fig. 5. Pruebas preliminares, volumen acumulado de metano
2000
Vol. [cc]
1600
1200
PP-1
PP-2
PP-3
PP-4
800
400
0
1
6
11
16
21
26
31
36
41
46
Tiempo [Dias]
41
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
Fig. 6. Pruebas preliminares, composición diaria de metano
70
60
% CH4
50
40
PP - 1
PP - 2
PP - 3
PP - 4
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Dia
De los resultados obtenidos se establecio en principio una notable inhibición en la
metanogénesis de la muestra con las proporciones de mezclas preparadas, pese a esta
limitación se pudo obtener producción de metano y cuya optimización son el motivo de la
siguiente fase experimental.
Equilibrando los criterios de mayor cantidad posible de residuos sólidos a tratar con la
mayor producción posible de biogás, mayor contenido de metano y mayor reducción de
sólidos volátiles (materia orgánica) en sustrato, se definió como 4% la cantidad de sólidos
volátiles en el sustrato para las pruebas siguientes dentro el diseño experimental de mezcla.
3.3.2
Diseño experimental de mezcla
Las condiciones fijadas en esta serie de experimentos fueron:
Proceso:
Batch
Temperatura:
35oC
Agitación:
30 rpm, discontinuo (agitación por 15 min. Seguido de 105 min.
Sin agitación)
Carga (substrato)
1800 g
%SV(base húmeda)
3.69-4.43
42
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
Componentes del substrato en cada experimento (Fig.3): Formulación conforme a tabla 13.
Mezcla
Notación
--------------------------------------------------------Estiércol de vaca y cerdo
EVC
Sangre de vaca y cerdo, rumen y
SVCRR
Residuos de panza e intestinos.
Frutas y vegetales
MFV
La tabla 15 muestra los resultados del seguimiento del pH y análisis de sólidos a los 10
experimentos efectuados dentro el diseño de mezclas. Las figuras 7 y 8 corresponden a los
volúmenes acumulados de producción de biogás y metano respectivamente, la evolución
diaria de la concentración de metano se muestra en la figura 9.
La productividad de biogás y productividad de metano obtenido con el mejor resultado del
conjunto, el experimento 7 dan los siguientes rendimientos:
biogás:
156.8 l biogás /kg residuo, 1012 l biogás /kg SV
Metano:
86.29 l CH4/kg residuo,
557
l CH4/kg SV
Reportes de plantas en funcionamiento de co-digestión anaeróbica de residuos de matadero e
industria de alimentos en Suecia [21] indican rendimientos de metano de 160 m3/ton residuo
para mezcla de residuos de matadero en digestión batch y 860 m3biogas/ton SV el
rendimiento en proceso semicontinuo en laboratorio y 700 m3 biogas/ton SV el rendimiento
en proceso semicontinuo a nivel piloto.
El rendimiento de metano obtenido en proceso batch (86.4 l CH4/kg residuo) corresponde a
66% del reportado [21] para la co-digestión de residuos de matadero mezclado con residuos
de industria de alimentos.
43
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
Tabla 15. Resultado del seguimiento del pH y análisis de sólidos en la digestión anaeróbica
de mezclas de residuos de matadero y mercado.
Prueba
Dia
Humedad S.T.
%
%
94.54
5.46
97.35
2.65
96.22
3.78
96.23
3.77
96.15
3.85
96.37
3.63
96.63
3.37
96.77
3.23
96.84
3.16
96.79
3.21
S.V.
% (b.s)
81.17
75.83
78.60
77.35
76.25
75.40
75.14
74.08
72.93
66.33
S.V.
% (b.h.)
4.43
2.01
2.97
2.91
2.93
2.74
2.53
2.39
2.30
2.13
pH
PE -1
Inicial
10
20
30
40
50
60
70
80
Final
7.64
7.58
7.85
7.85
7.80
7.74
7.82
7.83
7.85
7.83
PE-2
Inicial
10
20
30
40
Final
95.46
95.64
96.28
96.30
96.59
96.03
4.54
4.36
3.72
3.70
3.41
3.97
84.56
81.97
81.14
81.32
81.74
75.06
3.84
3.57
3.02
3.01
2.79
2.98
5.79
5.27
5.27
5.25
5.27
5.16
PE-3
initial
10
20
30
40
Final
95.66
96.23
96.56
96.40
96.57
96.61
4.34
3.77
3.44
3.60
3.43
3.39
83.90
85.57
84.68
83.26
83.42
81.19
3.64
3.23
2.91
3.00
2.86
2.75
5.80
5.80
5.94
5.97
6.06
5.96
PE-4
initial
10
20
30
40
50
60
Final
95.71
97.91
97.98
98.32
98.36
97.97
98.24
97.04
4.29
2.09
2.02
1.68
1.64
2.03
1.76
2.96
89.91
81.85
79.74
77.22
76.29
80.69
76.95
84.39
3.85
1.71
1.61
1.30
1.25
1.64
1.35
2.50
6.60
7.37
7.35
7.43
8.20
8.07
8.34
8.08
PE-5
initial
10
20
30
40
Final
95.79
96.19
96.36
96.69
96.68
96.68
4.21
3.81
3.64
3.31
3.32
3.32
87.69
85.13
85.61
85.36
84.51
84.51
3.69
3.25
3.12
2.83
2.80
2.80
4.86
4.50
4.35
4.11
3.62
3.62
44
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
Tabla 10. continuación
Prueba
Dia
Humedad S.T.
%
%
95.68
4.32
96.21
3.79
96.78
3.22
96.72
3.28
96.85
3.15
96.85
3.15
S.V.
% (b.s)
88.35
86.76
84.90
85.00
84.46
84.46
S.V.
% (b.h.)
3.82
3.29
2.73
2.79
2.23
2.66
pH
PE-6
initial
10
20
30
40
Final
5.95
5.63
5.61
5.00
4.95
4.95
PE-7
initial
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Final
95.37
97.93
97.72
98.15
97.62
97.51
97.61
97.38
97.75
97.75
98.71
4.63
2.07
2.28
1.85
2.38
2.49
2.39
2.62
2.25
2.25
1.29
83.70
76.93
76.09
75.35
77.15
76.87
77.45
78.20
75.75
75.75
72.41
3.87
1.59
1.74
1.40
1.83
1.91
1.85
2.05
1.70
1.70
0.93
7.70
8.06
8.68
8.50
8.35
8.08
7.84
7.79
7.66
7.66
7.15
PE-8
initial
10
20
30
40
Final
95.42
96.83
96.50
96.41
96.34
98.33
4.58
3.17
3.50
3.59
3.66
1.67
81.00
80.75
81.82
82.19
78.06
69.29
3.71
2.56
2.87
2.95
2.85
1.16
6.58
5.56
5.11
5.13
5.14
5.15
PE-9
initial
10
20
30
40
Final
95.56
95.98
95.75
96.98
96.98
96.98
4.44
4.02
4.25
3.02
3.02
3.02
86.07
85.58
86.55
82.28
82.28
82.28
3.82
3.44
3.68
2.48
2.48
2.48
5.17
3.67
3.72
4.30
4.30
4.30
PE-10
initial
10
20
30
40
50
Final
95.70
97.70
97.89
97.91
98.84
96.30
96.30
4.30
2.30
2.11
2.09
1.16
3.70
3.70
87.95
81.77
79.94
80.74
71.15
75.40
75.40
3.79
1.88
1.69
1.69
0.83
2.80
2.80
6.49
6.21
6.32
6.24
5.84
5.84
5.84
El seguimiento del pH en el substrato de los diferentes experimentos establecieron que en los
experimentos con MFV el pH fue decreciendo por debajo de 6, acentuándose más conforme
mayor fue la proporción de MFV en el substrato. La reducción del pH resultó en un
incremento en el efecto inhibitorio de las bacterias metanogénicas. Las bacterias
45
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
acidogénicas todavía continúan con la producción de ácidos volátiles hasta que el pH cae por
debajo de 4,5 donde estas se inhiben completamente. Similar problema de inhibición por
acumulación de ácidos volátiles e irreversible decrecimiento del pH fue observado por
Bouallagui et al. [10] y Sarada y Joseph [14]. Resultado del proceso de inhibición puede
constatarse por las menores reducciones en el contenido de materia orgánica (sólidos
volátiles) en el substrato (Tabla 15).
Las tablas 15 y 16, y las figuras 8,9 y 10 muestran que los experimentos 1 (EVC, estiércoles)
y 7 (mezcla de EVC – SVCRR) mostró una buena estabilidad en la evolución del pH y la
producción de biogás como su composición en metano, sin embargo el experimento 4 con
SVCRR que corresponde a la mezcla de rumen, residuos de panza y sangre mostró un
gradual incremento del pH (de 6.6 a 8.08), la producción de biogás y %CH4 fue menor a los
experimentos 1 y 7 consecuentemente menor reducción de materia orgánica (35.02%).
Todos estos resultados pueden ser atribuidos a la inhibición por amonio. Similar
comportamiento fue reportado por Banks [7] el que trabajando con sangre y residuos de
estomago reporto que el proceso es propenso a fallas debido a la acumulación de altos
niveles de amoniaco debido a la degradación del nitrógeno de las proteínas componentes de
la sangre.
De estos tres experimentos se pudo observar que el efecto de co-digestión puede mejorar el
proceso de digestión e incrementar la generación de biogás (efecto sinergetico). El
experimento 7 que es la mezcla de EVC y SVCRR dio los mayores volúmenes de biogás y
mayor reducción en materia orgánica comparado con los experimentos de EVC (exp. 1) o
SVCRR (exp. 4) solos.
La producción acumulada de metano y los porcentajes de reducción en materia orgánica se
va incrementando conforme va reduciendo el porcentaje de residuos de frutas y vegetales en
el substrato, estableciéndose que las frutas y vegetales exhiben un gran efecto inhibidor en el
proceso batch.
46
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
Producción acumulada de biogás (en condición local P= 495 mmHg, T= 12oC),
diseño experimental de mezcla.
Fig. 7.
VOLUMENES DE BIOGAS ACUMULADO
Digestion anaerobica de residuos de matadero y mercado
60000
Volumen de biogas [cc]
50000
PE - 1
PE - 2
40000
PE - 3
PE - 4
PE - 5
30000
PE - 6
PE - 7
PE - 8
20000
PE - 9
PE - 10
10000
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Día
Fig. 8.
Producción acumulada de metano (en condición local), diseño experimental de
mezcla
Produccion acumulada de Metano
Digestión anaeróbica de residuos de matadero y mercado
Volumen acumulado de CH4 [cc]
35000.00
30000.00
PE - 1
25000.00
PE - 2
PE - 3
PE - 4
20000.00
PE - 5
PE - 6
15000.00
PE - 7
PE - 8
PE - 9
10000.00
PE - 10
5000.00
0.00
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Día
47
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
Fig. 9.
Concentración de metano en biogás, diseño experimental de mezcla
%CH4 EN BIOGAS
Digestión anaerobica de residuos de matadero y mercado
90
80
Composición (%)
70
PE - 1
60
PE - 2
PE - 3
50
PE - 4
PE - 5
PE - 6
40
PE - 7
PE - 8
30
PE - 10
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Dias
Tabla 16. Diseño simplex reticular aumentado con puntos axiales y respuestas observadas.
Digestión anaeróbica de residuos de matadero y mercado.
Orden
Estandar
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
No del
experimento
1
7
2
4
6
5
8
10
9
3
Proporciones de los componentes
x1
x2
x3
1.00
0.00
0.00
0.50
0.50
0.00
0.50
0.00
0.50
0.00
1.00
0.00
0.00
0.50
0.50
0.00
0.00
1.00
0.67
0.17
0.17
0.17
0.67
0.17
0.17
0.17
0.67
0.33
0.33
0.33
Vol. Metano
[L]
25.46
32.36
0.40
12.23
0.13
0.02
1.17
1.10
0.00
0.58
%Red. S:V.
[%]
51.94
75.89
27.37
35.02
30.24
24.00
68.81
24.37
35.02
24.37
48
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
El diseño con 10 corridas junto con las respuestas: Volumen de metano acumulado y
reducción de materia orgánica en términos de sólidos volátiles (%Red SV) se muestran en la
tabla 16. El diseño simples-centroide aumentado para tres componentes usado en el presente
trabajo requiere un mínimo número de experimentos para estimar los términos cuadráticos
de la superficie de respuesta y provee los medios para detectar defectos de ajuste. Las
superficies de respuestas (Volumen de metano acumulado y el porcentaje de reducción de
SV) son dependientes de la composición del sustrato, la complejidad del modelo fue
seleccionado basado en el cálculo secuencial desde modelos lineales a modelos cúbicos
especiales de manera que los valores de R2, F value, Prob> F del análisis de varianza den los
valores más satisfactorios.
La tabla 17 y 18 corresponden al análisis de varianza con los resultados de ajuste de modelos
cuadráticos reducidos para cada respuesta, estos resultados permiten establecer que los
modelos cuadráticos se ajustan bien a las respuestas. En orden de estabilizar la varianza de
la respuesta y satisfacer la suposición de normalidad fue necesario efectuar una búsqueda
empírica del modelo de transformación de las respuestas que permitan que el modelo sea
significativo, este trabajo fue efectuado utilizando la versión trial de Design expert V, así
para la respuesta “Volumen de metano” la transformación y’ = (y+k)-0.5 con k=0.3236, y
para la respuesta “% reducción de sólidos volátiles” sin transformación, fueron los modelos
que mejor se ajustan.
49
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
Tabla 17. Análisis de varianza (ANAVA) para la respuesta Volumen de metano
Response: Vol. Metano Transform: Inverse sqrt Constant:
0.3236
ANOVA for Mixture Reduced Quadratic Model
Analysis of variance table [Partial sum of squares]
Sum of
Mean
F
Source
Squares
DF
Square
Value
Prob > F
Model
3.07
3
1.02
42.12
0.0002
Linear Mixture
2.82
2
1.41
58.01
0.0001
BC
0.25
1
0.25
10.33
0.0183
Residual
0.15
6
0.024
Cor Total
3.22
9
Std. Dev.
Mean
C.V.
Component
A-EVC
B-SVCRR
C-MFV
BC
0.16
0.95
16.43
PRESS
Coefficient
Estimate
0.34
0.26
1.85
2.23
R-Squared
0.9547
Adj R-Squared
0.9320
Pred R-Squared
0.7920
0.67
Adeq Precision
DF
1
1
1
1
Standard
Error
0.12
0.13
0.13
0.69
95% CI
Low
0.054
-0.071
1.52
0.53
16.123
95% CI
High
0.62
0.58
2.17
3.92
Tabla 18. Análisis de varianza (ANAVA) para la respuesta % de reducción de sólidos
volátiles
Response: %Red. SV.
ANOVA for Mixture Reduced Quadratic Model
Analysis of variance table [Partial sum of squares]
Sum of
Mean
F
Source
Squares
DF
Square
Value
Model
2060.30
3
686.77
3.43
Linear Mixture
1530.07
2
765.03
3.83
AB
530.24
1
530.24
2.65
Residual
1199.75
6
199.96
Cor Total
3260.06
9
Std. Dev.
Mean
C.V.
PRESS
Component
A-EVC
B-SVCRR
C-MFV
AB
14.14
39.87
35.47
3190.07
Coefficient
Estimate
53.05
28.47
19.32
102.35
R-Squared
Adj R-Squared
Pred R-Squared
Adeq Precision
0.6320
0.4480
0.0215
5.259
Standard
Error
12.12
12.12
10.47
62.85
95% CI
Low
23.39
-1.19
-6.29
-51.44
DF
1
1
1
1
Prob > F
0.0927
0.0849
0.1546
95% CI
High
82.71
58.13
44.93
256.14
50
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
Las ecuaciones ajustadas para cada respuesta en términos de los valores actuales de
componentes son:
Vol. Metano =
-0,32+ 0,33673EVC + 0,255586SVCRR + 1,84517MFV + 2,22683
SVCRR*MFV
% Reducción S.V. =
53.05349EVC + 28.47349SVCRR + 19.31897 MFV+
102.34939EVC*SVCRR
Las figuras 10 y 11 muestran las gráficas de contorno de las respuestas. Ambos gráficos
establecen que conforme se reduce la proporción de residuos de frutas y vegetales, el
volumen acumulado de metano y el porcentaje de reducción de materia orgánica van
aumentando; los máximos valores se encuentran en el eje A-B que corresponde a mezclas
de estiércol y residuos de estomago, sangre y rumen.
Fig. 10. Gráfica de contorno de la respuesta Volumen de Metano
D E S I G N -E X P E R T
A: E VC
1 .0 0
P lo t
1 . 0 / S q rt (V o l . M e t a n o + 0 . 3 2 )
D e si g n P o i n t s
X 1 = A : E V C
X 2 = B : S V C R R
X 3 = C : M F V
0 . 0 00 . 5 2 8 3 3 3
0 .0 0
0 .8 0 0 8 0 5
1 .0 7 3 2 8
1 .3 4 5 7 5
1 .6 1 8 2 2
1 .0 0
B : S VC R R
0 .0 0
1 .0 0
C : M FV
1 . 0 / S q r t ( V o l. M e t a n o + 0 . 3 2 )
51
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
Fig. 11. Gráfica de contorno de la respuesta Reducción porcentual de Sólidos Volátiles
A: E VC
1 .0 0
D E S I G N -E X P E R T P l o t
% Red. SV.
D e si g n P o i n t s
X1 = A: EVC
X2 = B: SVCRR
X 3 = C: M FV
5 9 .7 0 7 6
0 .0 0
5 1 .6 2 9 9
0 .0 0
4 3 .5 5 2 2
3 5 .4 7 4 4
2 7 .3 9 6 7
1 .0 0
B : S VC R R
0 .0 0
1 .0 0
C : MFV
% Red. SV.
La figura 12 es una gráfica de superposición de las superficies de respuesta, donde se puede
observar la zona de mezclas de los tres componentes que permiten obtener las mejores
respuestas.
La zona de trabajo factible en proceso batch de digestión aeróbica para obtener una buena
reducción de la materia orgánica en los residuos de matadero y mercado con la mayor
producción de metano se encuentra en la zona no sombreada.
Los resultados anteriores obtenidos en proceso batch, son importantes referente al considerar
procesos continuos o semicontinuos. La siguiente etapa del trabajo experimental establecerá
a nivel bench scala y en proceso continuo las condiciones de operación (Temperatura,
agitación, tiempo de retención y porcentaje de sólidos volátiles).
52
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
Fig. 12. Gráfica de contorno de las respuestas Volumen de Metano y % de reducción de
Sólidos Volátiles, donde se muestra la región factible de trabajo.
A: E VC
1 .0 0
D E S I G N -E X P E R T P l o t
O v e rl a y P l o t
D e si g n P o i n t s
X1 = A: EVC
X2 = B: SVCRR
X 3 = C: M FV
1 .0 /S q r t( V o l. M e ta n o + 0 .3 2 ) : 0 .5 0 0
0 .0 0
% R e d . S V .: 5 0
1 .0 0
B : S VC R R
0 .0 0
0 .0 0
1 .0 0
C : MFV
O ve rla y P lo t
53
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
3.4
Pruebas experimentales para análisis de microorganismos patógenos
Para estudiar el efecto de la digestión anaeróbica sobre los microorganismos patógenos, se
utilizaron materias primas frescas y se realizaron tres pruebas, repitiendo tres puntos del
diseño experimental (X1, X2, X3) y cuyas formulaciones son las siguientes.
Tabla 19. Formulación de cargas para prueba de patógenos.
Nro. Sgn
Proporción de los componentes
SV [%] pH
Dis. Exp.
Prueba
X1
X2
X3
3
P – 3,1 – B
0.33
0.33
0.33
4
7.11
8
P – 8,1 – B
0.75
0.25
0.00
4
7.92
12
P – 12 – B
0.17
0.17
0.67
4
6.06
Tabla 20. Caracterización de patógenos en materia primas
Materia prima
X1 EVC
X2 SVCRR
X3 FV
m.o. Patógenos encontrados
Escherichia coli (patógeno)
Proteus vulgaris (no patógeno)
Citrobacter freundii (no patógeno)
En la Tabla 13 se da la caracterización de m.o. patógenos de las materias primas empleadas
en la formulación de las mezclas para las pruebas utilizadas en el estudio del efecto de la
digestión anaeróbica sobre los m.o. patógenos.
Tabla 21. Resultados inicial y final de m.o. patógenos en las pruebas
Prueba
m.o.
Prueba
m.o.
Inicial
Encontrados
Final
Encontrados
P – 3,1 – B Proteus vulgaris P – 3,2 – B Bacilos Gramm(-) no
(no patógeno)
Fermentadores
(no patógeno)
P – 8,1 – B Escherichia coli P – 8,2 – B Citrobacter freundii
(patógeno)
(no patógeno)
P–B
Citrobacter freundii
P – 12 – B Proteus vulgaris
(no patógeno)
(no patógeno)
Escherichia coli
(patógeno)
Para poder estudiar el efecto de la digestión anaeróbica sobre los m.o. patógenos, se preparo
tres pruebas, cuyas formulaciones se dan en la Tabla 19. Se mando a analizar muestras de las
cargas iniciales y cuyo reporte se tiene en el informe de cultivo bacteriológico de fecha 19 de
julio de 2004, y la Tabla 21. Al cabo de 20 días de duración del proceso, se suspende las
pruebas y se manda a analizar las muestras finales de cada prueba, los resultados son
54
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
reportados en el informe de cultivo bacteriológico de fecha 2 de Agosto de 2004 y la tabla
21.
Los resultados de los análisis de presencia de patógenos en la alimentación (tabla 21) y del
digestato posterior a la digestión anaeróbica, claramente establecen que el proceso de
digestión anaeróbica en condiciones mesofílicas es efectivo en la descontaminación o
reducción de microorganismos patógenos. Este resultado confirma trabajos reportados donde
establecieron que en digestión mesofilica (30 a 38oC) la inactivación de bacterias
patogénicas requiere entre 18 a 36 días, mientras que en digestión termofílica (50 – 55oC)
puede efectuarse en términos de horas [28].
3.5
Conclusiones del estudio básico
3.5.1 Estudio preliminar
La cantidad de materia orgánica
cargada al biorreactor para el proceso de
digestión anaeróbica batch influye de manera significativa en la producción
acumulada de biogás y el rendimiento de producción de metano por unidad de
materia orgánica utilizada.
A mayor carga de materia orgánica se obtuvo menores volúmenes de biogás y el
rendimiento de producción de metano por unidad de materia orgánica utilizada se
redujo dramáticamente debido a efectos de inhibición ácida, que es causada por
uno de los componentes de la mezcla. Para poder determinar cual es el
componente que causa la inhibición, y equilibrando los criterios de mayor
cantidad posible de residuos sólidos a tratar con la mayor producción posible de
biogás, mayor contenido de metano y mayor reducción de sólidos volátiles
(materia orgánica) en sustrato, se definió como 4% la cantidad de sólidos volátiles
en el sustrato para las pruebas siguientes dentro el diseño experimental de mezcla.
55
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
3.5.2 Diseño experimental de mezcla
En proceso batch, la producción acumulada de biogás es mayor cuanto menor es
la proporción de residuos de frutas y vegetales en el substrato. La máxima
producción de metano acumulado fue de 32 litros en la prueba PE – 7 que
corresponde a mezcla de estiércol con residuos de estomago e intestino y sangre.
La mayor reducción de materia orgánica de la mezcla de residuos de matadero y
residuos de frutas y vegetales proveniente de mercados en el proceso de digestión
anaeróbica batch corresponde a mezclas con las menores proporciones de
residuos de frutas y vegetales. La máxima reducción alcanzada fue de 75,85% de
destrucción de la materia orgánica.
56
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
4. ESTUDIO A NIVEL BENCH SCALE
Los grandes volúmenes de residuos sólidos generados en el matadero de la ciudad de La Paz
(160 ton/mes aproximadamente) como el de residuos de frutas y vegetales provenientes de
mercados de abasto (900 ton/mes aproximadamente) establecen la necesidad de contar con
planta(s) de tratamiento anaeróbico continuo o semicontinuos en la posibilidad de
implementar esta tecnología.
Los procesos de digestión anaeróbica en sistemas continuos o semicontinuos para el
tratamiento de residuos sólidos orgánicos es un campo muy activo de investigación, la
diversidad de publicaciones reflejan un gran numero de tópicos dentro de este área [5],
demostrando que la implementación de la tecnología de digestión anaeróbica no es sencilla.
Como la degradación anaeróbica es efectuada por una comunidad bien organizada de varias
poblaciones microbianas es por consiguiente un proceso muy complejo. Algunos grupos
microbianos involucrados tienen una velocidad de crecimiento bastante lenta y son muy
sensibles a cambios en las condiciones de operación, esto puede causar inestabilidad durante
la puesta en marcha y en la operación del proceso anaeróbico. La investigación de procesos
de digestión anaeróbica estudia la optimización de estos procesos para crear las condiciones
de operación más favorables y por eliminación de factores limitantes influenciar
positivamente a los microorganismos, lo anterior podría conducir al desarrollo de procesos
más eficientes [15]. Así como se hizo bastante para mejorar el diseño de procesos, los
reactores de tanque agitado (RTA) en una sola etapa son todavía los más utilizados en la
configuración de procesos de digestión anaeróbica. Una buena estrategia de desarrollo es
explotar la relación costo – beneficio de un pequeño sistema para monitorear y controlar el
sistema de manera de establecer los parámetros de operación y establecer los riesgos de
inestabilidad del reactor para su aplicación a escala mayor. [16]
Varios son los factores que influencian la producción de biogás en proceso semicontinuo a
partir de materiales orgánicos determinados en un diseño de biorreactor definido, estos
factores son el pH, temperatura, velocidad de carga (LR), tiempo de retención hidráulico
(HRT), composición del substrato, etc. [17]
57
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
El digestato contiene partículas residuales, materiales no digestibles, liquido orgánico así
como la biomasa bacterial. Plantas existentes de co-digestión anaeróbica con materia prima
similar, distribuyen la fase liquida del digestato, como fertilizante a los agricultores de zonas
circundantes a estas plantas, y de esta manera consideran los estrictos limites para la
cantidad total de nitrógeno a introducir en el suelo y la posibilidad del ingreso de metales
pesados [3].
La legislación europea (“Biological tratment of bio-waste” European commission, 2001)
obliga por ley que las plantas en gran escala de digestión anaeróbica luego del filtrado del
digestato, la fracción sólida sea sometido a proceso de compost. [3,21].
En esta sección del presente trabajo se reporta los resultados de la digestión anaeróbica en
experimentos de co-digestión en proceso semi-continuo a nivel bench scale de mezclas de
residuos de matadero con residuos de frutas y vegetales en condiciones mesofílicas.
4.1
Materiales y métodos
4.1.1
Materia prima
Las tres mezclas de residuos utilizados en la formulación del sustrato para la carga diaria al
birreactor y sus características son las mismas descritas en las tablas 2 y 8.
Para las pruebas del estudio de la influencia del tiempo de retención (HRT), y el % de
sólidos volátiles (o porcentaje de materia orgánica) en la alimentación, la carga utilizada
corresponde a la formulación del experimento No 3 (tabla 13).
La carga diaria de biomasa en las pruebas donde se estudia la influencia de la composición
de mezcla, fue preparada en las proporciones indicadas en la tabla 8 conforme al respectivo
número de experimento.
58
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4.1.2
Biodigestor
El Biodigestor “Bench scale” utilizado en el trabajo se muestra esquemáticamente en la
figura 13, este fue construido en acero inoxidable (con volumen de 14 litros), equipado con
cuatro bafles, agitado con agitador de hélice montado en la base del tanque. El reactor tiene
sistema de carga y retiro de digestato provisto de válvulas de bola, además de salida de
biogás por la parte superior conectado con manguera plástica hacia un botellón de colección
de biogás de 20 litros de capacidad. El volumen de trabajo del digestor fue de 9,5 litros.
El biogás fue colectado en el recipiente colector por desplazamiento de agua acidificada
(pH= 2) y este volumen fue medido diariamente a presión ambiente. La temperatura fue
mantenida y controlada a temperatura mesofílica (± 0.5oC) mediante circulación de agua
caliente en la chaqueta de calefacción.
Fig. 13 Biodigestor Bench scale
59
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En el estudio, se investigaron el efecto en la producción de biogás y la reducción de sólidos
volátiles de los siguientes factores: Temperatura (T), composición de la mezcla (Ei), tiempo
de retención (HRT) y porcentaje de sólidos volátiles en la alimentación (%SVi). Las pruebas
por limitaciones de tiempo (6 meses) solo se corrieron por 15 días en promedio cada prueba,
estas pruebas fueron efectuadas secuencialmente una vez estabilizado el birreactor por
espacio de 40 dias.
La carga para cada experimento fue preparada de una sola vez, luego de pesado cada
componente fue mezclado y homogeneizado con una licuadora domestica, luego fue pesado
en porciones necesarias para cada día, embolsado y guardado en un refrigerador a
temperatura menor a 0oC. La carga y retiro de digestato se efectuó cada día a la misma hora.
4.1.3
Métodos analíticos
La concentracion de metano y dioxido de carbono en el biogas fue analizado con un
cromatografo de gas Shimadzu, modelo GC14B, equipado con detector TCD, columna
capilar Carboxen 1010, 0.32mm DI (Supelco). He fue utilizado como Carrier.
Los análisis de sólidos, sólidos totales (ST), sólidos volátiles (SV), pH, Nitrogeno y fosforo
fueron analizados usando los metodos estandard (APHA 2000) [12].
60
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4.2
Resultados
4.2.1
Efecto de la temperatura
Condiciones de operación:
Sustrato:
Estiércol de vaca
%SV
4%
HRT
50 dias
Agitación
Intermitente 60 rpm (10 min seguido de 20 sin agitación)
Temperaturas Rango mesofílico 33 y 36oC
Resultados
Prueba
T= 33oC
T= 36oC
Solido volatil
HLR
Prod. Biogas % Metano
Rendimiento
kg VS/d
kg VS/(m3d)
l/d
%
l CH4/(kg VSad)
0.010
1.060
2.82
59.42
169.64
0.010
1.060
4.73
57.18
274.48
pH
8.15
7.89
Los resultados del efecto de la temperatura en la producción de biogás demuestran la gran
influencia de la temperatura, una reducción de 3 grados Celsius reducen la producción de
biogás en 59.61% y 61,8% en el rendimiento de producción de metano. Las poblaciones de
microorganismos aeróbicos son altamente influenciados por el medio ambiente y la
temperatura es el factor más importante.[16],[18]
4.2.2
Efecto de la composición
Condiciones de operación:
%SV
4-5%
HRT
50 dias
Agitación
Intermitente 60 rpm (10 min seguido de 20 sin agitación)
Temperaturas Rango mesofílico 36oC
Substratos :
Experimento Estiércol(%) Rum/sangre
FV(%)
E1
E3
E8
E9
E10
0
33
17
66
17
100
33
66
17
17
0
33
17
17
66
61
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Resultados
Prueba
Exp E1
Exp E1
Exp E8
Exp E8
Exp E10
Exp E3
Exp E9
Solido volatil
HLR
Prod. Biogas % Metano
Rendimiento
kg VS/d
kg VS/(m3d)
l/d
%
l CH4/(kg VSad)
0.009
0.968
2.53
58.11
163.61
0.009
0.968
2.66
57.08
168.83
0.007
0.753
4.49
60.24
386.31
0.007
0.753
4.32
56.37
347.96
0.007
0.753
7.43
59.73
634.08
0.007
0.731
6.27
57.36
528.56
0.007
0.763
1.95
55.32
151.86
pH
8.01
8.21
6.95
6.95
6.70
7.10
7.00
Los resultados obtenidos de la influencia de la composición en la producción de biogás,
muestran que en proceso semicontinuo el comportamiento de digestión anaeróbica con
porcentajes menores de 33% de residuos de frutas y vegetales, existe un efecto sinergético
alcanzándose los máximos valores (7,43 litros biogás/día y 634.08 lt CH4/kg VS adicionado)
con substrato de 17% de FV, 67% mezcla de rumen/sangre y 17% de estiércol.
Mayores proporciones de residuos de frutas y vegetales al 17% en peso ocasionan drástica
reducción en la producción de biogás atribuyéndose a un efecto inhibidor y desbalances en
las reacciones.[10],[17]
4.2.3
Efecto del tiempo de retención (HRT)
Condiciones de operación:
Sustrato:
Mezcla triple (E3), (33% EVC, 33% SVCRR, 33% FV).
%SV
4%
HRT
20, 50, 80 dias
Agitación
Intermitente 60 rpm (10 min seguido de 20 sin agitación)
Temperaturas Rango mesofílico 36oC
Resultados
Prueba
HRT 20
HRT 50
HRT 80
Solido volatil
HLR
Prod. Biogas % Metano
Rendimiento
kg VS/d
kg VS/(m3d)
l/d
%
l CH4/(kg VSad)
0.014
1.548
14.41
49.65
496.74
0.007
0.731
6.27
57.36
528.56
0.004
0.387
7.07
58.20
1143.63
pH
7.49
7.10
7.54
62
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El incremento del tiempo de retención en la digestión anaeróbica se refleja en un incremento
del rendimiento de producción de metano basado en la masa de materia orgánica agregado
diariamente al birreactor, este comportamiento es similar a trabajos reportados [18], [19] y
es atribuido a la presencia de compleja materia orgánica cuya descomposición demanda
largos periodos de tiempo. Plantas de tratamiento de materiales similares en proceso
semicontinuo y en condiciones mesofílicas utilizan entre 40 a 50 dias de tiempo de
retención.[21]
4.2.4
Efecto del porcentaje de sólidos volátiles en la alimentación (%SV)
Condiciones de operación:
Sustrato:
Mezcla triple (E3), (33% EVC, 33% SVCRR, 33% FV).
%SV
1, 4 y 7%
HRT
50 dias
Agitación
Intermitente 60 rpm (10 min seguido de 20 sin agitación)
Temperaturas Rango mesofílico 36oC
Resultados
Exp.
%SV
1%
4%
7%
SV en carga
kg SV/d
0.002
0.007
0.013
SV/vol.
kg SV/m3d
Biogás
lt/d
%CH4
%
0.204
0.731
1.400
2.26
6.27
4.81
59.88
57.36
56.55
Rendimiento pH
lt CH4/kg SVad
711.63
528.56
369.84
7.5
7.1
7.5
El incremento en la cantidad de materia orgánica o cantidad de sólidos volátiles en la carga
por unidad de volumen de substrato en el biorreactor (HLR) disminuye el rendimiento de
producción de metano (litros de CH4/kg SV adicionado), el comportamiento determinado es
similar a los obtenidos por diferentes investigadores [20]. Consideraciones técnicoeconómicas son las que determinan el porcentaje adecuado de sólidos volátiles de
alimentación para una planta, puesto que a menor %SV implica mayores volúmenes de
substrato a tratar, mayores tamaños de planta
consiguientemente mayores costos e
inversión. En este contexto 4% de sólidos volátiles es un valor razonable.
63
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Los rendimientos de biogás y metano obtenido con el mejor resultado de las pruebas en
proceso semicontinuo fueron en condiciones de La Paz:
biogás:
163.64 l biogas/kg residuo, 1032.2 l biogas/kg SV
Metano:
97.74
l CH4/kg residuo,
634.08 l CH4/kg SV
La comparación de estos rendimientos con los valores reportados en proceso semicontinuo
por plantas a nivel de mar [21] son similares en magnitud, sin embargo los valores obtenidos
en La Paz, luego de corregir la presión a presión atmosférica normal de 760 mm Hg (65.97
l CH4/kg residuo, 428.00 l CH4/kg SV). Estos rendimientos son 65-67% de los valores
reportados a nivel planta piloto. Estos valores son de todas formas muy buenos considerando
que estos pueden ser susceptibles de optimización al estabilizar el birreactor por mayor
tiempo e introducir técnicas de pretratamiento de la materia prima.
4.2.5
Residuos del proceso de digestion anaerobica.
Condiciones de operación:
Sustrato: E9 (17% EVC, 17% SVCRR, 66% FV).
Alimentación
0.763 kgVS/m3 d
HRT
50 dias
Agitación Intermitente 60 rpm (10 min seguido, 20 sin agitación)
Temperatura
36oC
Las caracteristicas de los residuos del proceso de digestion anaerobica fueron determinados
analizando los elementos de interes N, P, K tanto en la carga como en las fracciones
resultantes de la separación del liquido por filtración.
La separación sólido – líquido efectuado por filtración al vacio utilizando papel filtro común
con bomba de vacio de 1/6 HP , EMERSON Industria USA dio en promedio 71,58% de
filtrado y 28,42% peso de residuo solido.
64
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Resultados del análisis
Tabla 22. Caracterización del Bioabono
Peso [g] %peso N [%] P [%] K [%] pH
Filtrado
118.8
71.58 0.10 0.010 0.063 7.1
Residuo sólido (lodo)
47.2
28.42 0.31 0.091 0.072 7.1
Los resultados determinados muestran que el digestato retiene el N, P y K. El exceso de
estos elementos respecto a la alimentación es resultado del gradual ajuste en el sustrato a la
alimentación requiriéndose un tiempo mayor a 2HRT (días) para alcanzar un estado cuasiestacionario. Las proporciones de distribución obtenido experimentalmente entre filtrado y
el lodo correspondientes a cada elemento son:
Filtrado
Lodo
Peso [%] 71.58 % 28.42 %
N
45 %
55 %
P
22 %
78 %
K
63 %
37 %
4.3
Conclusiones y recomendaciones del estudio experimental
La producción de biogás utilizando residuos sólidos de matadero y residuos de frutas y
vegetales es viable en condiciones mesofílicas.
La producción de biogás es fuertemente dependiente de la temperatura, un descenso de 3
grados del valor óptimo (36oC) se refleja en un descenso hasta de un 60% en la producción
de biogás. Es recomendable que la temperatura en el proceso de digestión anaeróbica se
mantenga estable a la temperatura fijada.
La composición de la carga de biomasa al biorreactor influye en el proceso de co-digestión
anaeróbica estableciéndose efectos de sinergismo (efectos positivos de co-digestión) y
antagonismos (efectos de inhibición o desbalances). En proceso semi-continuo de digestión
de mezclas de residuos de matadero y residuos de frutas y vegetales se observo un efecto
sinérgico al incrementar la proporción de frutas y vegetales hasta alcanzar la concentración
65
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Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
de 17%, mayores porcentajes de estos residuos produce efectos negativos reduciendo
drásticamente la producción de biogás.
La mejor combinación de co-substratos con los mayores volúmenes de producción de biogás
y mejores rendimientos de producción de metano fue:
Residuos de frutas y vegetales
17% peso
Residuos sólidos de matadero (rumen/sangre/residuos de estomago) 66%
Estiércol
17%
Los rendimientos obtenidos
biogás:
163.64 l biogas/kg residuo, 1032.2 l biogas/kg SV
Metano:
97.74
l CH4/kg residuo,
634.08 l CH4/kg SV
Mayores tiempos de retención influyen positivamente en la producción de biogás. Se adopta
50 dias de tiempo de retención como adecuado tomando en consideración referencias de
plantas similares.
El porcentaje de sólidos volátiles (materia orgánica) es inversamente proporcional al
rendimiento de metano. Se adopta el 4% de SV en la carga como el adecuado en
consideración a aspectos técnico-económicos.
El digestato o residuo del proceso de digestión anaeróbica retiene los contenidos de N, P y K
de la alimentación. El líquido filtrado del digestato contiene 45% del N, 22% del P y 63%
del K, el que siguiendo experiencias de países europeos puede ser utilizado sin riesgo como
fertilizante. El residuo solidó resultado del filtrado puede ser utilizado como material prima
en el proceso de compost por su contenido de material orgánica, N, P y K.
66
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5. PROPUESTA DE LA PLANTA A NIVEL PILOTO
La planta de co-digestión para el tratamiento simultaneo de mezcla homogénea de mas de
dos substratos (residuos sólidos de matadero como ser rumen, residuos de
estomago e intestino, sangre, estiércol y residuos de frutas y vegetales de mercado)
es una planta tipificado como de medio húmedo y proceso de simple etapa de
digestión, cuyo biorreactor es un tanque con agitación.
Los resultados del estudio básico y a nivel bench scala establecieron las condiciones de
operación del proceso de digestión anaeróbica mesofílica, y los volúmenes empíricos de
producción de biogás y los porcentajes de reducción de la materia orgánica en el substrato en
función de la proporción de sus componentes (mezclas de residuos sólidos de matadero y
residuos de frutas y vegetales de mercado). La siguiente etapa en el desarrollo de un proceso
industrial es la implementación e investigación a nivel planta piloto que permita la
optimización del proceso general (pre-tratamiento – digestión – post-tratamiento) y la
obtención de la información técnico- económico para su escalamiento a nivel industrial.
En el presente trabajo se propone una pequeña planta piloto de estudio cuyo biorreactor se
escalo 100 veces al reactor bench scale utilizado en la investigación, de manera que
pueda técnicamente trabajarse con todas las operaciones unitarias de una planta a
nivel industrial y además su implementación demande una razonable inversión.
5.1 Descripción del proceso
La planta piloto propuesta tiene el objeto de efectuar la digestión anaeróbica de residuos
sólidos orgánicos proveniente de matadero y residuos de frutas y vegetales de mercado con
fines de desarrollo de la planta industrial e investigativo.
67
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El proceso general consta de las siguientes operaciones:
Almacenaje de materia prima
Pretratamiento de co-substratos
Reducción de tamaño de partícula
Remoción de metales, vidrios, piedras, etc.
Homogenización (mezcla)
Esterilización
Digestión anaeróbica
Postratamiento
Almacenaje de biogás
Separación sólido-liquido del digestato
5.1.1
Almacenaje de materia prima
La planta piloto propuesta demandara aproximadamente 20 a 60 kg de residuos sólidos
orgánicos totales diariamente. Para fines de diseño se adopta los siguientes criterios:
Los residuos de frutas y vegetales se coleccionaran una vez por semana (sábado) después de
la jornada de feria por ser el día de mayor movimiento en los mercados.
Los residuos sólidos de matadero se coleccionaran una vez por semana y el día con mayor
actividad en el matadero.
Los residuos de estomago e intestinos, el estiércol y los residuos de frutas y vegetales
tendrán contenedores específicos para cada mezcla (tres contenedores de 200 kg. Cada uno).
El material de los contenedores deberá ser de material inerte.
5.1.2
Pre-tratamiento de los residuos orgánicos
Reducción de tamaño y separación de partículas metálicas
La materia prima será alimentada a una cinta transportadora donde un separador magnético
remueve metales.
68
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Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
Un rallador cortara los residuos orgánicos en partículas menores a 5 mm antes de mezclarse
con estiércol u otros residuos líquidos en el tanque primario de homogenización.
Homogenización y esterilización
La homogenización del estiércol y los residuos sólidos de matadero y residuos de frutas y
vegetales con agua, es llevada a cabo en el tanque primario por un agitador de hélice
montado por la parte superior
Una vez alimentado los materiales en el tanque primario se inicia el tratamiento térmico
elevando la temperatura hasta 70oC por lo menos una hora para destruir esporas y
microorganismos patógenos.
5.1.3
Digestión
La mezcla homogeneizada y esterilizada de residuos orgánicos es descargada al biorreactor
por gravedad a través de un intercambiador de calor para rebajar la temperatura del substrato
a la temperatura de proceso de digestión.
El biorreactor trabajara en proceso semicontinuo en condiciones mesofílicas a 36oC.
Entre 20 a 50 kg de biomasa será la carga diaria para su digestión, dependiendo del tiempo
de retención a utilizar (50 a 20 días de HRT). Se estima una producción diaria de biogás
500 l/día, parte del biogás producido será utilizado para el proceso de calentamiento en la
propia planta piloto.
5.1.4
Post-tratamiento
Tanque de almacenamiento de biogás
El biogás generado continuamente será enviado mediante tubería a un tanque de
almacenamiento de donde se dispondrá para su utilización, el sistema contara con medidores
de flujo, nivel y presión.
69
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Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
Separador sólido-liquido
El digestato o biomasa digestada será bombeada a un separador sólido-liquido o filtro prensa
para remover materiales indeseables y materiales no descompuestos.
Los materiales sólidos serán dispuestos hacia el relleno sanitario.
El líquido filtrado del lodo (residuo de la digestión anaeróbica) podría ser utilizado como
fertilizante y cuya evaluación se dejo para la segunda fase del proyecto. Información
relacionada de plantas de co-digestión de estiércol con residuos industriales y residuos
domésticos [21,3] demuestran esta aplicación (ver anexo D).
La materia liquida (o fertilizante) será enviado a un tanque de almacenaje para su utilización
semanal en la fertilización de parques y jardines.
5.2 Descripción global del proceso
Inicio
Residuos de frutas
y vegetales
(0.981 Kg)
Residuos de
estómago
E intestinos
(3 139 Kg)
Recolección de materia prima
Reducción de tamaño y
Separación de impurezas
Estiércol
(0.762 Kg )
Homogeneización
Agua
(15.118 Kg)
Pasteurización
Intercambio de calor
DIGESTION ANAERÓBICA
En digestor de 1000 L
Líquido (Fertilizante)
(13.968 Kg)
Biogás (507.23 L)
Filtración
Sólido al relleno sanitario (5.545 Kg)
5.3 Balances de masa y energía
70
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
5.3.1
Balance de masa global
Residuos de frutas
y vegetales (MFV)
0.981 kg
Estiércol
(EVC)
0.762 kg
Agua
15.118 kg
Residuos de estomago
e intestinos (SVCRR)
3.139 kg
PROCESO DE DIGESTIÓN
Biogás
0.487 kg (507.23 L)
Residuos sólidos
5.545 kg
Bioabono
13.968 kg
5.3.1.1 Balance de masa y energía para cada operación unitaria
5.3.1.1.1. Recolección de residuos de matadero y residuos de frutas y vegetales y
posterior reducción de tamaño
Residuos de frutas
y vegetales
0.981 kg
Residuos de estomago
e intestinos
3.139 kg
Recolección de residuos
matadero y frutas -vegetales
4.12 kg
Reducción de tamaño
Residuos de matadero y frutas – vegetales
4.12 kg
71
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
La energía requerida por una picadora de cuchillas rotatorias para la reducción de tamaño de
los residuos de frutas – vegetales y los residuos sólidos de matadero de 3 kg de capacidad
con motor de 0.5 CV es de 0.75 Kwh.
5.3.1.1.2
Homogenización, esterilización, intercambio de calor
Estiércol
0.762 kg
Residuos de matadero y frutas
Vegetales
4.12 kg
Agua
15.118 kg
Homogeneización
Substrato (biomasa)
20 kg
La homogenización se efectuara por agitación o mezcla mediante un agitador de hélice en el
tanque de homogenización y simultáneamente se procederá a esterilizar por tratamiento
térmico a 70oC por una hora.
La energía necesaria por unidad de tiempo para la agitación esta dada por la ecuación
siguiente [22]
P = KLN2Da3µ/(75gc)
Donde
P= potencia (CV)
KL= Constante laminar
N= velocidad de giro (rps)
Da= Longitud de la hélice
µ= viscosidad del substrato
La potencia calculada es 0.1 CV (0.1 hp) el motor a especificar será de 0.25hp
72
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Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
La energía para la esterilización por unidad de tiempo (potencia del equipo) corresponde al
calor sensible necesario para calentar desde la temperatura ambiente hasta los 70oC en un
determinado tiempo (10 min.), posteriormente el equipo suministrara solo la energía
necesaria para compensar la disipación al medio ambiente.
P= m Cp∆T/t
Donde:
m = masa de substrato (kg)
Cp = Capacidad calorífica del substrato (1.213 kcal/oC kg)
∆T = Incremento de temperatura en el substrato (oC)
t = Tiempo para llegar a los 70oC (min.)
P = Potencia (Kcal/min)
Entonces P= 145.56 Kcal/min (10.16 kw =13.8 hp)
La potencia total requerida para la homogenización y pasteurización será 14.05 hp (la
potencia especificada será de 15 hp)
5.3.1.1.3
Digestión
Substrato (biomasa)
20 kg
DIGESTIÓN
ANAERÓBICA
Biogás
0.487 kg (507.23 L)
Digestato
19.513 kg
Los requerimientos de energía en el digestor anaeróbico son en forma de calor para mantener
el substrato a temperatura mesofílica mediante la recirculación de agua caliente por la
camisa de calefacción.
73
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
La disipación de calor a través de las paredes del digestor por la diferencia de temperatura en
la pared interior de biorreactor (350C) y el ambiente se estimo por la ecuación: [23]
Q = hA(Tw-Ta)
Donde
Q = calor disipado por unidad de tiempo (w)
h = Coeficiente convectivo de transferencia (2.968 w/m2)
A = Área de transferencia de calor (m2)
Tw = Temperatura media de pared
Ta = Temperatura media del medio ambiente
Q= 796.9 w (1.08 hp)
5.3.1.1.4
Filtración
Digestato
19 513 kg
filtración
Lodo a relleno sanitario
5.545 kg
Bioabono (fertilizante)
13.968 kg
5.4 Requerimiento de materia prima, agua, energía y otros
Los requerimientos de materia prima, agua, y energía para la planta piloto son detallados en
la tabla 23.
74
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
Tabla 23. Requerimiento de materia prima, agua, energía y otros insumos
Materia prima
Residuos de matadero (SVCRR)
Sangre de vaca
Sangre de cerdo
Rumen de vaca y residuos de estomago
Residuos de panza e intestino de cerdo
Residuos de frutas y vegetales (MFV)
Estiércol (EVC)
Estiércol de vaca
Estiércol de cerdo
Agua
Total materia prima
3.139 kg/día
0.896 kg/día
0.153 kg/día
1.794 kg/día
0.296 kg/día
0.981 kg/día
0.762 kg/día
0.541 kg/día
0.221 kg/día
15.118 kg/día
20
kg/día
Requerimiento de agua
Proceso (materia prima)
Pasteurizacióna
Intercambio de calor
Digestión anerobicaa
Almacenaje de biogasa
Limpieza y aseo
Total requerimiento de agua
15.118 Litros/día
50.000 Litros/día
65.118 Litros/día
Requerimiento de energía (potencia)
Potencia
Reducción de tamaño
0.5 hp
Homogenización /pasteurización 15 hp
Intercambio de calor
0.5 hp
Digestión anaeróbica
2 hp
Filtración
2 hp
Total requerimiento de potencia
20 hp
a
Volumen de agua requerido para reponer el volumen evaporado
75
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
5.5 Requerimiento y descripción o diseño de maquinaria y equipos
Tolvas de almacenamiento
Numero
3
Características
Lado
0.4 m
Altura
0.8 m
Material
acero inoxidable
Industria
boliviana
Tolva
Para
Residuos
Reductor de tamaño a cuchillas
Características
Capacidad
0.5 Kg/min
Voltaje requerido
220 V
Potencia
0.5 Hp
Industria
Boliviana
Homogeneizador – pasteurizador
Diámetro
Altura
Material
Industria
Agitador
Voltaje
Potencia
0.4 m
0.6 m
Acero inoxidable
boliviana
hélice
220 V
10 kw
76
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Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
Biodigestor
Características
Diámetro
1m
Altura
1.7 m
Material
Acero inoxidable
Agitación
50 – 400 rpm
Bafles
4
Software
Programa del sistema de control
y registro de datos de operación
Sistemas de medición y control
Temperatura
control
Agitación
control
PH
control
Presión
medición
Volumen de biogás
medición
Biogás
Gasómetro (Tanque de almacenamiento del Biogás)
Características
Material : Hierro Galvanizado de 2mm Chapa.
H(Tanque) : 3 m
D(Tanque) : 1,04 m
H(Domo)
:3m
D(Domo)
:1m
Gasómetro
de Domo
Flotante
Filtro Prensa
Aire
Características
Capacidad
20 Kg
Diámetro
10 ”
Altura
12 ”
Espesor de chapa 10 mm
Cinta transportadora
Características
Longitud
2m
Ancho de cinta 20 cm
Velocidad
1 m/min
Imán para separación de objetos metálicos.
Compresor
Características
Tipo: Reciprocante o de pistón
Presión normal de trabajo
60 lb/plg2
Presión máxima de trabajo
116 lb/plg2
Tanque para aire comprimido 50 lt
Potencia
Peso
Voltaje
2 Hp
135 Kg
220 V
77
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
5.6 Distribución de la planta
Estiércol,
Sangre
y Agua
Tolva de
residuos
de Mercado
y Rumen
Tanque de mezcla
y pasteurizado
Gasómetro
de Domo
Flotante
Triturador
Aire
BIORREACTOR
Filtro
Prensa
Gas
Natural
Lodo Residual
Bioabono
Líquido
Calentador
a Biogas
Simbología del plano de planta.
B 1 : Barril de almacenamiento de Sangre de Ganado Vacuno.
B 2 : Barril de almacenamiento de Sangre de Ganado Porcino.
B 3 : Barril de almacenamiento de Residuos de Estomago y Viseras de Ganado Porcino.
B 4 : Barril de almacenamiento del Bioabono Líquido
B 5 : Barril de almacenamiento del Lodo de filtración
Tlv 1 : Tolva de almacenamiento de Residuos de Mercado.
Tlv 2 : Tolva de almacenamiento de Rumen de Ganado Vacuno.
Tlv 3 : Tolva de almacenamiento de Estiércol de Ganado Vacuno.
Tlv 4 : Tolva de almacenamiento de Estiércol de Ganado Porcino
Bal : Balanza.
Trit : Triturador
HP : Homogenizador, Pasteurizador.
Cal : Calentador de agua (Termotanque).
FP : Filtro Prensa.
Comp. : Compresora.
78
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Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
PLANO DE PLANTA
Comp.
Cal.
B5
BIORREA
B4
Trit.
HP
Tlv 3
Tlv 2
Tlv 1
SALA
DE
PERSONAL
Gabetas
B1
LABORATORIO
SALA PRINCIPAL
B2
Tlv 4
DE MATERIAS PRIMAS
B3
SALA DE ALMACENAMIENTO
Bal.
79
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Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
5.7 Servicios auxiliares
Control de calidad
El adecuado sistema y control de calidad requerirá de un recinto especifico donde se realice
los controles del proceso, y los diferentes análisis cuyo requerimiento de equipos, materiales,
reactivos y otros no se incluyen, por estar fuera del alcance del presente trabajo.
Los controles y análisis fisicoquímicos mínimos son:
Peso
Volumen
Densidad
pH
Análisis de sólidos
Análisis de N /P /K
Control de patógenos
Análisis de gases (CH4, CO2)
5.8 Inversiones
Las inversiones necesarias en maquinaria y equipos para la planta piloto propuesto son:
Maquinarias y equipos
4 Tolvas de almacenamiento
1 Balanza de 20 Kg. de sensibilidad 5g
1 Homogeneizador – pasteurizador
1 Calentador de agua (Termotanque)
1 Biorreactor con sistema de control y medición vía PC
1 Compresora
1 Reductor de tamaño a cuchillas
2 bombas centrífugas inox
1 cinta transportadora
1 Filtro prensa
1 tanque de almacenamiento de biogás
5 recipiente de almacenamiento de 200 L
Otros
Total maquinaria y equipos
$us. 3435.50
$us.
330.00
$us. 3485.90
$us.
500.00
$us. 8808.80
$us.
250.00
$us. 1500.00
$us. 1800.00
$us. 1109.30
$us. 1550.00
$us.
752.60
$us.
125.00
$us.
352.90
$us. 24000.00
80
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Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
5.9
Arranque del biodigestor
El arranque del biodigestor constituye una etapa de trabajo preliminar diferente al trabajo
rutinario de una planta en proceso continuo o semi-continuo. Por motivos prácticos la puesta
en funcionamiento del biodigestor se efectuara en la siguiente secuencia de operaciones:
a) Carga del biodigestor
El biodigestor se cargará en base al experimento 7 en las pruebas batch (tabla 8):
Estiércol de vaca y cerdo (EVC)
112 kg
Residuos de rumen, sangre y residuos de panza e intestinos (SVCRR)
119 kg
Agua
769 kg
Total de substrato inicial
1000 kg
b) Periodo de trabajo en proceso batch.
Posterior al cargado del biodigestor, se iniciara el funcionamiento en proceso batch, cuya
finalidad es la de activar el crecimiento microbiano presente en el substrato. Este periodo
generalmente tiene una duración de 15 a 30 días. Los volúmenes diarios de gas generado y
su composición son indicadores de esta evolución.
Las condiciones de operación serán:
Proceso:
batch.
Temperatura:
36oC
Agitación:
Intermitente 60 rpm (10 min. seguido de 20 min. sin agitación)
c) Periodo de Ajuste en proceso semi-continuo
Cuando la concentración de metano en el gas generado supere los 50% y el incremento
diario en los volúmenes de biogás sea pequeño se procederá a iniciar la recarga diaria de
substrato axial como la descarga del fondo del birreactor (proceso semicontinuo), este
periodo de aclimatación de los microorganismo y periodo de estabilización del birreactor
puede demandar un periodo prolongado de hasta 2 a 4 tiempos de retención (HRT).
Posteriormente el digestor entrara en estado estacionario.
81
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
6 Disposición del bioabono:
Una planificación inteligente y realista del sitio de la utilización del bioabono es la clave
para una unidad económica del biogás. El volumen del bioabono digerido es
aproximadamente el doble del estiércol fresco. El bioabono tiene que llegar a los cultivos sin
perder demasiado valor fertilizante. Donde sea posible, el bioabono debe ser distribuido
directamente a los cultivos mediante la gravitación. El bioabono como tal esta conformado
por dos componentes, el biol ( abono líquido) y el biosol ( lodo ).
6.1 Bioabono líquido ( Biol.):
El bioabono líquido que se descarga frecuentemente de un biorreactor y por medio de
filtración y floculación se separa la parte líquida de la sólida, por cuanto es un biofactor que
promueve el crecimiento de los vegetales, este efluente se puede aplicar al follaje, como a la
semilla. El bioabono liquido puede emplearse en diluciones crecientes a razón de 300 lts/ha
de solución y aplicarse a cualquier cultivo o vegetal. Se requiere una inclinación mínima de
2.5 % para distribución a corta distancia. La distribución del bioabono líquido requiere una
buena administración. Una distribución no controlada puede crear pantanos o capas gruesas
de bioabono seco que evitan el contacto de las raíces de los cultivos.
6.2 Biosol (lodo)
El biosol constituye el lodo extraído del digestor y que luego de tratado y oreado, se emplea
como abono orgánico enriquecido y como estimulante de crecimiento radicular y parte aérea
de la planta.
7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El matadero municipal de Achachicala La Paz y los mercados de abasto de la Ciudad
generan grandes cantidades de residuos sólidos orgánicos cuyo tratamiento biológico vía
digestión anaeróbica es viable técnicamente, reduciendo dramáticamente la cantidad de
residuos destinados al relleno sanitario y produciendo: biogás cuyo poder calorífico puede
ser aprovechado como combustible y bioabono de buena calidad.
82
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
El tratamiento de residuos orgánicos es un campo muy activo de investigación, la revisión
bibliográfica permitió establecer que los reactores de tanque agitado en una sola etapa son
los más utilizados en la configuración de procesos de digestión anaeróbica.
La digestión anaeróbica es un proceso de reacciones secuenciales donde las concentraciones
de los compuestos intermedios deben estar en un rango adecuado y cuyo exceso o
deficiencia puede ocasionar un desbalance reduciendo el rendimiento. El proceso semicontinuo permite regular la cantidad de productos intermedios a través de la adecuada
velocidad de alimentación, porque la etapa de acidificación, produce mas productos
intermedios (ácidos volátiles) que lo que la segunda etapa puede utilizar. La
sobrealimentación lleva a provocar una caída en el pH e inhibición de la actividad
metanogénica.
En las pruebas preliminares se vio que a mayor carga de materia orgánica se obtuvo menores
volúmenes de biogás y el rendimiento de producción de metano por unidad de materia
orgánica utilizada se redujo dramáticamente debido a efectos de inhibición ácida, que es
causada por uno de los componentes de la mezcla. Para poder determinar cual es el
componente que causa la inhibición, y equilibrando los criterios de mayor cantidad posible
de residuos sólidos a tratar con la mayor producción posible de biogás, mayor contenido de
metano y mayor reducción de sólidos volátiles (materia orgánica) en sustrato, se definió
como 4% la cantidad de sólidos volátiles en el sustrato para las pruebas siguientes dentro el
diseño experimental de mezcla.
Condiciones de operación para el proceso batch:
T = 35 ºC
HRT = 50 días
SV( base húmeda) = 4%
Carga sustrato = 1800 gr.
Agitación = 30 r.p.m., discontinuo (agitación de 15 min. Seguido de 105 min. sin agitación)
La productividad de biogás y productividad de metano obtenido con el experimento 7 dio los
mejores resultados, y cuyos rendimientos són:
biogás:
156.8 l biogás /kg residuo, 1012 l biogás /kg SV
Metano:
86.29 l CH4/kg residuo,
557
l CH4/kg SV
83
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
Proceso semi continuo:
La digestión anaeróbica de residuos de matadero y frutas – vegetales de mercado en proceso
semicontinuo, es dependiente de la composición de la materia prima que se alimenta al
biodigestor. La composición de la carga influye estableciéndose efectos de sinergismo
(efectos positivos de co-digestión) y antagonismos (efectos de inhibición o desbalances). Se
estableció que residuos de frutas y vegetales tienen un efecto sinérgico al incrementar la
proporción de frutas y vegetales hasta alcanzar la concentración de 17%, mayores
porcentajes de estos residuos produce efectos negativos reduciendo drásticamente la
producción
de
biogás.
La
mejor
combinación
de
co-substratos
determinado
experimentalmente y que produce los mayores volúmenes de biogás y mejores rendimientos
de producción de metano fue: 17% de residuos de frutas-vegetales (MFV), 17% estiércol
(EVC) y 66% de residuos de estomago e intestinos (SVCRR). Esta composición asegura la
adecuada relación C: N y P [(37.24: 1) y 6.7] que en procesos de digestión anaeróbica son
recomendables y al mismo tiempo establece la importancia de considerar los análisis de SV,
N, y P en la selección de una mezcla adecuada.
Los rendimientos obtenidos con la combinación de co-substratos propuesta en condiciones
de La Paz fueron:
Rendimiento de biogás: 163.64 l biogás/kg residuo, 1032.2 l biogás/kg SV ad.
Rendimiento de metano: 97.74 l CH4 /kg residuo, 634.08 l CH4/kg SV ad.
En condiciones normales (P=760 mmHg, T= 0oC) se tiene:
Rendimiento de biogás: 110.46 l biogás/kg residuo, 696.74 l biogás/kg SV ad.
Rendimiento de metano: 65.97 l CH4 /kg residuo, 428.00 l CH4 /kg SV ad.
Comparado con los valores reportados en plantas del exterior (0.70 m3 biogás/kg SV y 55
m3/ton residuo, ref [21]) operando con materiales similares y en proceso semi-continuo, los
resultados obtenidos son de igual magnitud.Composición de la mezcla:
84
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
Condiciones de operación para el proceso semicontinuo:
T = 36 ºC
HRT = 50 días
SV( base húmeda) = 4%
Carga sustrato = 9000 gr.
Recargas diarias de sustrato = 186 gr.
Agitación = 60 r.p.m., discontinuo (agitación de: 10 min. seguido de 20 min. sin agitación)
pH = 6.8 – 7.2
La temperatura es un parámetro muy sensible en la digestión anaeróbica, así, una reducción
en 3 grados, de 36 ºC a 33ºC, determino una reducción de 60% en la producción de biogás.
Se recomienda mantener el proceso a 36 ºC con la menor fluctuación posible.
El presente proyecto, considera necesario la implementación de una planta piloto de
digestión anaeróbica, con la finalidad de obtener la información técnico-económico que
posibilite el escalamiento del proceso final a nivel industrial y posibilite posteriormente el
trabajo de optimización del proceso. Con este propósito se propone una planta cuyo
biodigestor es de 1000 kg
de capacidad útil y se estima la inversión necesaria
construyéndoselo en nuestro medio, ya que se cuenta con suficiente experiencia.
La puesta en funcionamiento de la planta piloto requiere de un periodo de arranque del
biodigestor, para tal efecto se propone un procedimiento de carga del digestor, un periodo
batch de activación, seguido de un periodo de proceso semi-continuo de ajuste para entrar a
un estado estacionario.
Calidad del Biogás producido:
El gas de digestión contiene entre 55 y 70 % de metano, y entre 30- 45 % de CO2. Dado
que el contenido energético del metano puro es 8556.2 Kcal./m3, en condiciones Estándar
de presión y temperatura, el Biogás tiene un poder calorífico neto de 5975 Kcal./m3,
aproximadamente. El poder calorífico del metano es aproximadamente igual al del gas
natural, que tiene un poder calorífico de 8843 Kcal./m3.
85
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
Calidad del bioabono:
Condiciones de operación:
Sustrato: E9 (17% EVC, 17% SVCRR, 66% FV).
Alimentación
0.763 kgVS/m3 d
HRT
50 dias
Agitación Intermitente 60 r.p.m. (10 min seguido, 20 sin agitación)
Temperatura
36oC
Las caracteristicas de los residuos del proceso de digestion anaerobica fueron determinados
analizando los elementos de interes N, P, K tanto en la carga como en las fracciones
resultantes de la separación del liquido por filtración.
La separación sólido – líquido efectuado por filtración al vacio utilizando papel filtro común
con bomba de vacio de 1/6 HP , EMERSON Industria USA dio en promedio 71,58% de
filtrado y 28,42% peso de residuo solido.
Resultados del análisis
Filtrado
Residuo sólido (lodo)
Peso [g] %peso N [%] P [%] K [%] pH
118.8
71.58 0.10 0.010 0.063 7.1
47.2
28.42 0.31 0.091 0.072 7.1
Los resultados determinados muestran que el digestato retiene el N, P y K. El exceso de
estos elementos respecto a la alimentación es resultado del gradual ajuste en el sustrato a la
alimentación requiriéndose un tiempo mayor a 2HRT (días) para alcanzar un estado cuasiestacionario. Las proporciones de distribución obtenido experimentalmente entre filtrado y
el lodo correspondientes a cada elemento son:
Filtrado
Lodo
Peso [%] 71.58 % 28.42 %
N
45 %
55 %
P
22 %
78 %
K
63 %
37 %
86
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Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
Además el bioabono resultante, se encuentra libre de microorganismos patógenos como lo
indica el Informe De Cultivo Bacteriológico realizado en Fecha 2 de Agosto de 2004 en el
Laboratorio de Bacteriología del Hospital Municipal Boliviano Holandes de la ciudad de El
Alto a la muestra codificado para su análisis como P – 12 –B. Que indica que a las 48 horas
de incubación no se observa crecimiento bacteriano.
87
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
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90
Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
ANEXO A
RESULTADOS EXPERIMENTALES
CONEXIÓN CON EXCEL
PARA VER EL CUADRO
91
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Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
ANEXO B
MÉTODOS ANALÍTICOS, MATERIALES Y EQUIPOS
USADOS EN LOS ANÁLISIS DE SEGUIMIENTO
NORMA BOLIVIANA
NB 744
92
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Residuos Sólidos – Preparación De Muestras Para Su Análisis En Laboratorio
OBJETO Y CAMPO DE APLICACIÓN
Esta norma, establece el método de preparación de muestras en el laboratorio para su análisis.
REFERENCIAS.
•
NB 742
Residuos sólidos – Terminología sobre Residuos Sólidos y Peligrosos.
•
NB 743
Residuos sólidos – Determinación de Parámetros e Indicadores Sobre Residuos Sólidos
Municipales.
•
NB 745
Residuos sólidos – Determinación de Humedad
DEFINICIONES.
Para los efectos de esta norma, las definiciones son las establecidas en la Norma NB 742.
APARATOS Y EQUIPO.
-
Balanza de precisión de 20 Kg. con Sensibilidad de 1g.
Guantes
Escobilla
Mascarilla protectora
Tijeras
Alzadores
Pala de jardinero
Lentes protectores
Triturador
Frasco de vidrio de color ámbar y cuello esmerilado de 2L de capacidad.
PROCEDIMIENTO
Verificar si la muestra está debidamente identificada, de no estarlo, se anota en el reporte del laboratorio.
A continuación se procede a vaciar la muestra de 10 Kg. de residuos sólidos, en un área limpia y seca del
laboratorio; para que con unas tijeras se desmenuce tales residuos, hasta un tamaño máximo de 5cm.
Posteriormente, después de un cuidadoso proceso de homogenización se lleva a cabo un cuarteo para
separar las muestra en dos partes mas o menos iguales. Con una de ellas, se llevara a cabo la
determinación de humedad de acuerdo a la Norma NB 745 Determinación de Humedad. Una vez
efectuado esta determinación los residuos secados se verterán dentro de un triturador para obtener un
producto más homogéneo y de tamaño semejante a la arena gruesa. Dicho producto, se deberá colocar en
la estufa a 60°C (333°K), hasta obtener peso constante, para después depositar en frascos de vidrio color
ámbar de cuello esmerilado y de 2L. De capacidad, los cuales se almacenan a 4°C (277°K), para realizar
las demás determinaciones físicas, químicas y biológicas, en las siguientes ocho horas. Evidentemente se
deberá pesar el material después del proceso de secado, para que por diferencia, se pueda determinar el
peso seco del material y la humedad que contenía.
NORMA BOLIVIANA
NB 745
Residuos Sólidos – Determinación De Humedad
93
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Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
OBJETO Y CAMPO DE APLICACIÓN
Esta Norma, especifica un método llamado de Estufa que determina el porcentaje de humedad, contenido
en los residuos sólidos municipales; se basa en la perdida de peso que sufre la muestra cuando se somete
a las condiciones de tiempo y temperatura que se establecen en esta norma, considerando que dicha
perdida se origina por la eliminación del agua.
REFERENCIAS.
•
NB 742
Residuos sólidos – Terminología sobre Residuos Sólidos y Peligrosos.
•
NB 744
Residuos sólidos – Preparación de muestras para su Análisis en laboratorio.
DEFINICIONES.
Para los efectos de esta norma, las definiciones son las establecidas en la norma NB 742.
OBTENCIÓN DE LA MUESTRA.
La muestra se obtiene en cantidad suficiente para efectuar la determinación por duplicado, según norma
NB 744 Residuos Sólidos – Preparación de muestras para su Análisis en laboratorio.
APARATOS Y EQUIPO.
-
Balanza analítica con snecibilidad de 0.001g
Espátula para balanza.
Estufa con temperatura 150°C (423°K) con sensibilidad de 1°C a 2°C, capaz de mantener una
temperatura constante.
Cajas de aluminio con tapa de 250 cc.
Guantes de asbesto
Desecador con deshidratante
Equipo usual de laboratorio.
PROCEDIMIENTO.
Se coloca la caja abierta y su tapa en la estufa a 120°C (393°K) durante dos horas, transcurrido ese
tiempo, se tapa la caja dentro de la estufa, e inmediatamente se pasa al desecador durante dos horas como
mínimo o hasta obtener un peso constante.
Se pesa la caja vacía con todo y tapa para obtener la tara.
Se vierte la muestra sin compactar hasta un 50% del volumen de la caja.
Se pesa la caja cerrada con la muestra y se introduce destapada a la estufa a 60°C (333°K) durante dos
horas, se deja enfriar y se pesa nuevamente. Se repite esta operación las veces que sea necesario hasta
obtener un peso constante (se considera peso constante cuando entre dos pesadas consecutivas la
diferencia es menor al 0.01%).
CALCULOS.
El porcentaje de humedad se calcula con la siguiente formula, teniendo en cuanta que para obtener PMH
y PMS se debe restar el peso de la caja.
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Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
%H =
PMH − PMS
.100
PMH
Donde:
%H
es la Humedad en %
PMH
es el peso de la muestra húmeda, en g.
PMS
es el peso de la muestra seca, en g.
PMH = (PMH+Pcaja) – Pcaja
PMS = (PMS+Pcaja) – Pcaja
Pcaja
es el peso de la caja.
REPRODUCIBILIDAD.
La diferencia máxima permisible entre determinaciones efectuadas por duplicado no debe ser mayor al
1% en caso contrario se recomienda repetir la determinación.
BIBLIOGRAFIA.
-
Tentative Methods of Analysis of Refuse and Compost municipal – refuse Disposal – Appendix.
-
Methods of soil analysis Agronomy No 92 – 96. American Society of Agronomy. Inc. Publisher.
METODOLOGÍA DE ANÁLISIS
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Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
EMPLEADO EN EL SEGUIMIENTO AL SUSTRATO DE LAS PRUEBAS
OBJETO Y CAMPO DE APLICACIÓN
Este método empleado consiste en una secuencia de análisis, para determinar tanto la Humedad, el Sólido
Total, El Sólido Volátil en base seca y el Sólido Volátil en base húmeda, de las muestras extraídas
durante el tiempo que duro el proceso de cada prueba. Ya que estas muestras tenían un alto contenido de
humedad y las muestras eran muy pequeñas.
REFERENCIAS
•
NB 744
Residuos sólidos – Preparación de muestras para su Análisis en laboratorio.
•
NB 745
Residuos sólidos – Determinación de Humedad
•
Organic Matter – Wet Digestion.
OBTENCIÓN DE LA MUESTRA.
La muestra se obtiene en cantidad suficiente para efectuar la determinación por duplicado.
APARATOS Y EQUIPO.
-
Balanza analítica con sensibilidad de 0.001g
Pinza Metálica.
Jeringa para muestreo.
Estufa con temperatura 150°C(423°K) con sensibilidad de 1°C a 2°C, capaz de mantener una
temperatura constante.
Mufla con temperatura de hasta 900°C con sensibilidad de 1°C a 2°C, capaz de mantener una
temperatura constante.
Crisoles de porcelana.
Guantes de asbesto
Desecador con deshidratante
Matraces erlenmeyer de 100 ml.
PROCEDIMIENTO.
Preparación de material.Lavar los crisoles con detergente, y abundante agua, luego reposar los crisoles con solución de ácido
clorhídrico diluido al 50% por 5 min. secar en la estufa a 105°C por 10 min., y luego secar en la mufla a
550°C por 15 min., luego sacar al desecador para su enfriamiento a temperatura ambiente y pesar.
Determinación de Humedad.
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Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
Para determinar la humedad de la muestra, se deposita la muestra homogenizada en los crisoles
preparados anteriormente, marcando cada crisol adecuadamente, luego se procede a pesar cada crisol con
mas la muestra, luego se introducen los crisoles en la estufa a 105°C por 3 horas, luego se saca los
crisoles al desecador, se hace enfriar hasta temperatura ambiente y se pesa.
Cálculos.
El porcentaje de humedad se calcula con la siguiente formula.
%H =
%H
PMHC − PMSC
.100
PMHC − PC
es el porcentaje de humedad en %
PMSC es el peso de la muestra seca mas el peso del crisol
PMHC es el peso de la muestra húmeda mas el peso del crisol
PC
es el peso del crisol vació.
Determinación del Sólido Total.
El sólido total se determina con los mismos datos obtenidos para la determinación de la humedad y el
cálculo se lo realiza de la siguiente manera.
Cálculos.
El Sólido Total se calcula con la siguiente formula.
% ST =
%ST
PMSC − PC
.100
PMHC − PC
es el porcentaje de Sólido total en %
PMSC es el peso de la muestra seca mas el peso del crisol
PMHC es el peso de la muestra húmeda mas el peso del crisol
PC
es el peso del crisol vació.
Determinación del Sólido Volátil en base seca.
Para determinar el Sólido Volátil en base seca, los crisoles que contienen la muestra seca ya pesada, se
introduce en la mufla a 550°C por 3 horas, luego se saca los crisoles al desecador, se hace enfriar hasta
temperatura ambiente y se pesa.
Cálculos.
El Sólido Volátil en base seca se calcula con la siguiente formula.
% SVbs =
PMSC − PMCC
.100
PMSC − PC
%SVbs es el porcentaje de Sólido Volátil en base seca en %
PMSC es el peso de la muestra seca mas el peso del crisol
PMCC es el peso de la muestra calcinada mas el peso del crisol
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PC
es el peso del crisol vació.
Determinación del Sólido Volátil en base húmeda.
Para determinar el Sólido Volátil en base húmeda, se utilizan los mismos datos de utilizados en la
determinación de la humedad y la determinación del Sólido volátil en base seca.
Cálculos.
El Sólido Volátil en base húmeda se calcula con la siguiente formula.
% SVbh =
PMSC − PMCC
.100
PMHC − PC
%SVbh es el porcentaje de Sólido Volátil en base húmeda en %
PMSC es el peso de la muestra seca mas el peso del crisol
PMHC es el peso de la muestra húmeda mas el peso del crisol
PMCC es el peso de la muestra calcinada mas el peso del crisol
PC
es el peso del crisol vació.
BIBLIOGRAFIA.
-
Tentative Methods of Analysis of Refuse and Compost municipal – refuse Disposal – Appendix.
-
Methods of soil analysis Agronomy No 92 – 96. American Society of Agronomy. Inc. Publisher.
-
Davies, BO. 1974. Loos-on-ignition as an estimate of soil organic matter. Soil Sci. Soc. Amer. Proc.
38: 150-151.
-
Ben-Dor, E. and Banin. 1989. Determination of organic matter content in arid-zone soils using a
simple “loos-on-ignition” method. Common, Soil Sci. Plant Anal. 20(15-16): 1675-1695.
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Proyecto 09 CNI – IIDEPROQ
Producción anaeróbica de biogás, aprovechamiento de los residuos de matadero y mercado
MEDICIÓN DE PH
Para la medición del pH, durante el seguimiento a las pruebas experimentales, se utilizo el siguiente pH.
Meter.
El ph meter tiene es de la marca METTLER TOLEDO
Su electrodo es de la marca METTLER TOLEDO
MP 225.
Inlab 413
NTC ph 0 – 14.
MEDICIÓN DE LA COMPOSICIÓN DEL GAS
EN EL SEGUIMIENTO A LAS PRUEBAS EXPERIMENTALES
Para medir la composición del gas generado en las pruebas experimentales, se utilizo el siguiente
cromatógrafo de gases.
La marca del equipo es SHIMADZU
MOD : GC – 14B
Columna capilar NUKOL
Nro : 18651 – 02F Aproved By JIM
15m x 0.53mm x 0.5 µm film, thickness
Detector: TCD
El gas de arrastre empleado es helio a 400 KPa de presión.
El gas es muestreado en jeringas de 1 ml, del cual se inyecta en el muestreador del cromatógrafo 0.5 ml.
Para el análisis.
Las condiciones de operación programadas son:
Temperatura inicial
Ti = 120°C.
Temperatura final
Tf = 120°C
Temperatura del Inyector
Tiny = 150°C
Temperatura del detector
Td = 200°C
Corriente
Currier = 100
Detector
Detector = 4
Los tiempos aproximados de salida de los gases analizados son:
Otros
2,6 min.
Metano
4,5 min.
Dióxido de Carbono
6,7 min.
BALANZA UTILIZADA
Se utilizo para los análisis la balanza analítica siguiente.
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La marca es METTLER TOLEDO
AB 204 – S
Capacidad máxima de 200 g.
θ = 1mg.
Capacidad mínima
d = 0.1 mg.
10mg
100