aprovechamiento energetico del biogas en el salvador[1]
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UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA
“JOSÉ SIMEÓN CAÑAS”
APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DEL BIOGÁS EN
EL SALVADOR
TRABAJO DE GRADUACIÓN PREPARADO PARA LA
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
PARA OPTAR AL GRADO DE
INGENIERO MECÁNICO
POR:
JOSÉ ALFREDO HIDALGO BONILLA
VÍCTOR ARTURO MARAVILLA CARRANZA
WILLIAM OMAR RAMÍREZ CASTRO
OCTUBRE 2010
ANTIGUO CUSCATLÁN, EL SALVADOR, C.A.
RECTOR
JOSÉ MARÍA TOJEIRA, S.J.
SECRETARIO GENERAL
RENÉ ALBERTO ZELAYA
DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
EMILIO JAVIER MORALES QUINTANILLA
COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA
MARIO WILFREDO CHÁVEZ
DIRECTOR DEL TRABAJO DE GRADUACIÓN
ISMAEL ANTONIO SÁNCHEZ
LECTOR
MARIO WILFREDO CHÁVEZ
AGRADECIMIENTOS
Deseamos en primer lugar, agradecer a Dios Todopoderoso por brindarnos la sabiduría, fortaleza
y perseverancia para poder alcanzar la culminación de nuestros estudios universitarios. Asimismo,
deseamos agradecer a nuestros padres por la forma en que ellos se sacrificaron para lograr
nuestra formación profesional, por sus cuidos, enorme paciencia y sobre todo por el apoyo que nos
dieron a lo largo de esta carrera. El agradecimiento también se extiende a nuestros catedráticos,
quienes nos han guiado por este camino llevándonos a las puertas del éxito mediante la exigencia
diaria, continua y disciplinada. A nuestros compañeros y amigos, que también nos han
acompañado en este duro camino, brindándonos su apoyo y ayuda a cada momento. Nuestros
sinceros agradecimientos se extienden también a nuestro asesor de tesis, Ingeniero Ismael
Sánchez, quien nos guió y aconsejó de la mejor manera para así lograr formar el presente trabajo
de graduación. A nuestro coordinador de carrera, Ingeniero Mario Chávez. A la Ingeniero Graciela
Cortez y al Ingeniero Rodolfo Tadeo Ramírez, de DIMMA S.A de C.V por su apoyo y asesoría
invaluables. A Gloria Ávila y Carlos Mario Flores, del departamento de Ciencias Energéticas y
Fluídicas, por su apoyo y ayuda. A la Ingeniero Marta Escoto, del Departamento de Tecnología y
Procesos por su ayuda. A los estudiantes de 5to. Año de Ingeniería Química, Mayra, Virginia y
Kevin por su colaboración. Por último, a las personas encargadas de los proyectos en los cuales
nos abrieron las puertas para así poder terminar la presente tesis: El Ingeniero Oscar Valle de la
Hacienda Miravalle, a Don Saulo, Doña Santos, y Daniel, de ACASA, San Marcos Lempa, quienes
nos brindaron todo el apoyo y ayuda necesaria para poder llevar este trabajo de graduación a feliz
término.
Alfredo Hidalgo, William Ramírez y Arturo Maravilla.
DEDICATORIA
La presente tesis y mis logros académicos quiero dedicárselos a Dios Todopoderoso que me ha
permitido llegar hasta esta etapa de mi vida y que me ha dado fuerzas, paciencia y voluntad para
salir adelante, ser un buen profesional y un buen hombre.
Con mucho agradecimiento, alegría y amor quiero dedicarle el fruto de todos estos años de
dedicación a mi Padre José Antonio Hidalgo que con mucho sacrificio y su amor me ha apoyado
para salir adelante y convertirme en un profesional por medio de sus consejos, orientación y
soporte económico lo cual me motivo a lo largo de todos estos años para llegar hasta donde estoy.
A mi madre Rosa Irma Bonilla de Hidalgo que por medio de su amor incondicional, su alegría,
consejos y paciencia siempre me motivo para ser un buen hombre y para tener fe, esperanza,
paciencia y sobre todo a Dios en mi corazón para salir adelante en momentos difíciles de mi
carrera y en todos los retos que implicó el llegar hasta donde estoy.
A mis hermanos: Lorena Isabel y a su hija Emily Camille nuestro nuevo miembro de la familia, con
mucho amor les dedico este esfuerzo en la distancia. Sonia Carolina que con su singular alegría y
esperanzas en mi, siempre me motivo a salir adelante para convertirme en un profesional. Carlos
Iván mi único hermano y a pesar de tantos años de ausencia también quiero dedicarle este éxito
personal en la distancia. A todos ellos con un especial cariño quiero compartir este éxito el cual se
los dedico con todo mi amor.
A mi queridísima novia Fátima Valle quiero dedicarle de manera especial este esfuerzo del cual ha
sido participe, ya que ha estado en los momentos más cruciales de mi vida y mi carrera estos
últimos 5 años apoyándome con su todo su amor, cariño, consejos y su especial alegría para que
no me dejara vencer por los obstáculos y adversidades. A ella una dedicación especial desde mi
corazón.
A mis compañeros de Ing. mecánica que con su singular alegría me hicieron olvidar momentos
difíciles que atravesamos a lo largo de toda la carrera.
Y por último a un compañero también mecánico que partió antes que todos y está en el cielo al
lado de Dios, José Alejandro Coto a él una dedicación especial.
José Alfredo Hidalgo Bonilla.
DEDICATORIA
En primer lugar, deseo agradecer a mis Padres, Arturo y Teresa, quienes con su apoyo, cuidos,
sacrificio, enorme paciencia, bondad y gran amor, han permitido que llegue a este punto de mi
vida, brindándome todo lo que necesité para lograr alcanzar el éxito en mis estudios superiores.
Agradezco a ellos la persona que han hecho de mí, mediante sus enseñanzas, consejos, disciplina
y afecto. El presente logro no depende mí solamente, la mayor parte es gracias a ellos…
Agradezco a mis hermanas Lorena y Lidia, ya que son las mejores hermanas que alguien puede
tener. Gracias a ellas, porque son como segundas madres para mí, por sus enseñanzas, cariño,
cuidado, y apoyo; ya que parte de quién soy, es gracias a ellas…
A mi novia Paola Páez, ya que ella ha sido un apoyo incondicional en los últimos años de mi
carrera universitaria. Porque ella supo ser un Ángel cuando más la necesitaba, porque estuvo
conmigo en uno de los momentos más difíciles de mi vida, apoyándome y sacándome adelante.
Por brindarme su amor incondicional a pesar de todo.
A mi Familia en general, porque siempre me han brindado afecto a lo largo de mi vida.
A mis hermanos, amigos de infancia Juan Manuel y Willie. A mis amigos, hermanos del colegio,
William, Erick, Próspero y Christian (Q.E.P.D), quienes a lo largo de los años han sido mis amigos
incondicionales, apoyándome y ayudándome en todo lo que han podido, compartiendo conmigo
estudios, desastres, momentos difíciles y alegrías. A todos mis compañeros de universidad,
quienes compartieron conmigo desvelos, preocupaciones y trabajos extenuantes. A Alfredo y
William, quienes han compartido conmigo esta tesis, trabajando duramente y con mucha paciencia.
A sus familias por apoyarnos y brindarnos su hospitalidad cuando lo hemos requerido.
También deseo agradecer a la vida misma, porque casi siempre me ha puesto durísimos
obstáculos enfrente, los cuales he podido superar gracias a mi determinación, al apoyo de mis
seres queridos y la ayuda de Dios.
Por último, no sin menos importancia, a Dios Todopoderoso por haberme traído hasta aquí…
Víctor Arturo Maravilla Carranza
DEDICATORIA
A Dios que me ha dado vida y que sin Él no soy nada.
A mis padres José Gonzalo y Dominga, que son los mejores padres del mundo y me han dado más
de lo que yo he necesitado para este logro. Gracias por todo su amor, atención, cuido y
preocupación para mí. En toda mi vida mil gracias.
A mi hermana Mayra que siempre está conmigo en las buenas y en las malas. Gracias hermanita.
A mis tíos, primos y demás familia, a quienes me gustaría nombrarlos todos pero no me alcanzaría
la página, gracias por su cariño y apoyo, son muy especiales.
A mis amigos y compañeros Alfredo y Arturo con quienes tuve la dicha de elaborar el trabajo de
graduación. Gracias por su empeño y dedicación.
A mis compañeros de U con quienes trabajé y estudié a lo largo de todas las materias de mi
carrera. Gracias por todos los momentos compartidos.
A todos mis maestros desde kínder hasta la universidad, gracias por su formación.
A todos mis buenos amigos que son muchos y que me apoyaron de muchas maneras para poder
alcanzar mi meta, los tendré siempre en mi corazón.
William
i
RESUMEN EJECUTIVO
La actual situación mundial respecto al tema energético, muestra un panorama de cambio en
cuanto a la utilización de energías tradicionales optando por las energías de carácter renovable. A
nivel mundial la utilización de las tecnologías renovables en los últimos años ha ido aumentando
considerablemente, debido a que las energías renovables son amigables con el medio ambiente,
su existencia no se agota con su utilización ya que vuelven a su estado original y/o se regeneran;
contrario a las desventajas que los combustibles fósiles presentan, encareciéndose con el tiempo
además de agotarse y la contaminación que estos causan al medio ambiente.
Debido a esto, se ha observado apertura respecto a la implementación de este tipo de tecnologías
a nivel mundial. En nuestro país, desde alrededor de 25 años ya existía previo conocimiento del
tema, pero no así la asesoría técnica, ni el incentivo de implementación por parte del gobierno,
instituciones privadas u organizaciones afines al tema. Con el paso de los años se ha observado
un aumento en el desarrollo de este tipo de tecnologías renovables, como lo es en este caso la
generación de biogás a través de materia orgánica biodegradable.
Mediante la utilización de materia orgánica biodegradable dentro de la cual se encuentran: excretas
de cerdo, vacas, gallinas, residuos vegetales, aguas servidas; se reduce significativamente la
contaminación de suelos, mantos acuíferos, ríos, por vertidos de las mismas, así como la
contaminación del aire causado por las emisiones de los gases producto de la descomposición de
esta materia orgánica, la proliferación de enfermedades, etc. Asimismo se obtiene una serie de
beneficios tales como la generación de un combustible rico en metano, el cual posee
características óptimas para su utilización, bajo costo de producción e implementación, bajos
costos de operación y una baja inversión inicial.
En el presente trabajo de graduación se ha querido demostrar el aprovechamiento energético que
se puede obtener del biogás, mediante la optimización de biodigestores que ya se encontraban en
funcionamiento al momento del inicio de esta tesis, tal es el caso de el biodigestores de la
hacienda Miravalle y el de ACASA - San Marcos Lempa, en los cuales el uso del biogás está
orientada a la generación de energía eléctrica y a la cocción de alimentos respectivamente.
También el presente, se ha elaborado con el objetivo de incentivar a la población salvadoreña y en
general al uso y aprovechamiento energético que brinda la gran cantidad de materia
biodegradable que se produce a diario, principalmente en las zonas rurales, para el caso de
excretas de vaca y de cerdo, asimismo en las urbes en donde también se producen desechos
orgánicos y vegetales, de los cuales se puede obtener biogás a partir de su degradación por medio
de la implementación de digestores. Con esto se busca demostrar que es un proyecto
ii
económicamente rentable, cuando se elabora de manera sistemática, con la asesoría adecuada y
de los cuales se obtiene un beneficio económico de impacto directo, ya que se evita el uso de
combustibles convencionales como el gas propano o leña.
Actualmente en nuestro en país ya existen empresas, organizaciones y personas particulares, que
hacen uso de biodigestores para generar biogás en diversas aplicaciones y en diferentes rubros.
Entre estas empresas se encuentran Industrias La Constancia, la cual produce biogás a partir de
aguas residuales que provienen de los diferentes procesos de elaboración en la planta de
cervezas, reduciendo la contaminación de ríos y quebradas por el vertido de estas. El biogás
producido en ILC se utiliza para fines calóricos dentro de la misma planta. CAFECO, que es un
beneficio que busca reducir la contaminación de mantos acuíferos, ríos y suelos, mediante el
tratamiento de aguas-mieles producto del proceso de despulpado del grano de café, mediante la
utilización de un biodigestor que al mismo tiempo produce biogás, el cual no tiene una aplicación
en específico. En este lugar predomina la finalidad del tratamiento de agua, y la generación de
biogás es un beneficio que se obtiene indirectamente de dicha tratamiento. La granja San José, un
lugar donde se busca reducir el impacto producido por los vertidos de aguas que se utilizan para
limpieza de los corrales de los cerdos. El biogás generado se utiliza para la cocción de alimentos
y por último La hacienda Miravalle, la cual busca convertirse en la primera planta en
funcionamiento en la región Centroamericana, que genera energía eléctrica mediante la utilización
del biogás
Se busca dar a conocer diferentes tipos de tecnologías existentes en el mercado para el
aprovechamiento energético del biogás, para los diferentes fines de utilización, ya sea calórico,
mediante el uso de quemadores para calefacción, iluminación con lámparas especiales; para la
cocción de alimentos mediante el uso de hornillas, arroceras, cocinas, quemadores, etc., usos
industriales, tales como el quemado en calderas, motores con los cuales se busca generar trabajo
mecánico, generación eléctrica mediante el uso de generadores o microturbinas especialmente
diseñadas para el uso con biogás.
Es importante realizar análisis químicos al tipo de materia orgánica a utilizar para la generación de
biogás, ya que estos son indicadores de la calidad de la mezcla con la que se está alimentando el
digestor y los cuales garantizan un funcionamiento exitoso del mismo, el cual se verá reflejado con
una buena producción de biogás, así como la calidad del mismo. Para esto es necesario realizar un
monitoreo continuo y sistemático desde el inicio o puesta en marcha del digestor de las variables
que se ven directamente relacionadas con el proceso de generación del biogás, por medio de toma
de muestras del influente y efluente en el digestor, para ser sometidos a análisis de pH, DQO y
ácidos grasos los cuales son un indicador de que tan bien se está degradando la materia orgánica
que entra al digesto. Se plantea que una exitosa generación de biogás está completamente ligada
a un buen proceso de selección de la materia orgánica a descomponer, un pre-tratamiento de la
iii
misma así como un proceso de carga sistemático que se opere bajo un régimen gradual en su
inicio para lograr la estabilización dentro del reactor respecto a la generación de bacterias que
permiten la producción del biogás, tanto como el previo calculo y manejo del tiempo de retención
hidráulico que debe de respetarse para la optima generación del biogás.
Dentro del funcionamiento de los digestores anaerobios, existen muchas otras variables que
influyen también en su óptimo funcionamiento como: ubicación, temperatura ambiental, así como
otros factores externos tales como la contaminación por agentes o bacterias extrañas, químicos,
etc. Los estudios previos a la construcción de un biodigestor deben ir encaminados a la
investigación de dichas variables, para así garantizar un funcionamiento apropiado del digestor.
Desde el punto de vista económico, la construcción de un digestor ofrece muchísimas ventajas
económicas, esto debido a su bajo costo operacional y al gran número de ahorros energéticos que
este produce a través del tiempo de vida estipulado.
La operación y mantenimiento de un biodigestor debe ser un proceso programado y ordenado, ya
que la producción óptima de biogás depende en gran medida de la forma en que el biodigestor se
opere a diario. Los tiempos de carga, así como las proporciones de carga deben ser las
adecuadas. La selección de la materia prima y el cuidado que se debe tener de no contaminar la
materia prima con agentes extraños, debe ser también una parte importante del régimen de
operación de la planta.
Se plantea que las excretas de cerdo poseen un mayor potencial de generación respecto a las
excretas producidas por ganado vacuno. Esto se debe a las cualidades del estiércol porcino, ya
que estas se encuentran conformadas de materia mucho más homogénea debido al proceso de
digestión rápido y a la alimentación del animal. Además de esto, las excretas porcinas son menos
sensibles a cambios externos. El estiércol de ganado vacuno por otro lado, se encuentra
conformado en su mayoría por fibra muy digerida debido al proceso de digestión del animal, y por
su naturaleza es más susceptible a los cambios externos.
Una vez se tiene un biodigestor funcionando de manera óptima es importante llevar un historial de
monitoreo de las diferentes variables que se encuentran relacionadas al funcionamiento del mismo,
así como la realización de análisis y muestreos que ayudan a determinar y monitorear el
funcionamiento del digestor, lo cual es de gran ayuda para localizar oportunidades de mejora que
se pueden implementar para optimizar aún más el proceso de producción de biogás.
iv
ÍNDICE
RESUMEN EJECUTIVO ..................................................................................................................... i
ÍNDICE DE TABLAS ......................................................................................................................... ix
ÍNDICE DE FIGURAS ....................................................................................................................... xi
SIGLAS ............................................................................................................................................ xiii
ABREVIATURAS ............................................................................................................................. xv
UNIDADES DE MEDIDA ................................................................................................................. xvii
SIMBOLOGÍA ................................................................................................................................. xix
PRÓLOGO…………………………………………………………………………………………………...xxi
CAPÍTULO 1: GENERALIDADES DEL BIOGÁS ............................................................................... 1
1.1 Composición del biogás .......................................................................................................... 1
1.2 Biodigestor............................................................................................................................... 2
1.3 Parámetros para evaluar el funcionamiento de un biodigestor ................................................ 2
1.3.1 pH (Potencial Hidrógeno) ........................................................................................... 3
1.3.2 DQO ......................................................................................................................... 3
1.3.3 Ácidos grasos ............................................................................................................ 5
1.3.4 Contenido de metano y dióxido de carbono en una muestra de biogás (BMP) ................ 6
1.3.5 Temperatura........................................................................................................................ 7
1.3.6 Temperatura de llama. ................................................................................................ 8
CAPÍTULO 2: DESCRIPCIÓN DE UNA PLANTA GENERADORA DE BIOGÁS ............................. 11
2.1 Planta generadora de biogás ................................................................................................. 11
2.2 Descripción de los dispositivos de una planta generadora de biogás ................................... 13
2.2.1 Dispositivos de almacenamiento y transporte de biogás ............................................... 13
2.2.2 Sistema de tuberías ................................................................................................... 17
2.2.3 Dispositivos de tratamiento de biogás ......................................................................... 24
2.2.4 Dispositivos de seguridad .......................................................................................... 28
2.2.5 Dispositivos para la aplicación del biogás.................................................................... 31
CAPÍTULO 3: DESCRIPCIÓN DE LA UTILIZACIÓN DEL BIOGÁS EN EL SALVADOR ................ 37
3.1 Industrias La Constancia ........................................................................................................ 37
3.1.1 Proceso de operación .............................................................................................. 37
3.1.2 Producción y utilización del biogás ............................................................................. 40
3.1.3 Caracterización de dispositivos de la planta. ............................................................... 40
3.2 Beneficio Atapasco ................................................................................................................ 43
3.2.1 Proceso de operación ............................................................................................... 44
3.2.2 Producción y utilización del biogás ............................................................................ 46
3.2.3 Caracterización de dispositivos de la planta ............................................................... 46
3.3 Biodigestor Granja San José ................................................................................................. 46
3.3.1 Proceso de operación ............................................................................................... 48
3.3.2 Producción y utilización del biogás ............................................................................. 49
3.4 Biodigestor Hacienda Miravalle ............................................................................................. 49
3.4.1 Proceso de operación ....................................................................................................... 50
3.4.2 Producción de biogás y utilización .............................................................................. 53
3.4.3 Análisis químicos efectuados en Biodigestor Miravalle ................................................ 54
3.4.4 Mejoras realizadas en Biodigestor Miravalle ............................................................... 55
3.5 Biodigestor ACASA – San Marcos Lempa ............................................................................ 60
3.5.1 Proceso de operación ............................................................................................... 61
3.5.2 Producción y utilización del biogás ............................................................................. 62
3.5.3 Análisis químicos efectuados en Biodigestor ACASA - San Marcos Lempa .................. 63
3.5.4 Mejoras realizadas en Biodigestor ACASA - San Marcos Lempa................................. 66
CAPÍTULO 4: ESTUDIO DE FACTIBILIDAD TÉCNICO - ECONÓMICO Y PROCESO DE
OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE UNA PLANTA GENERADORA DE BIOGÁS ................... 71
4.1 Estudio de factibilidad técnico - económico de una planta generadora de biogás ................. 73
4.1.1 Prefactibilidad ........................................................................................................... 73
4.1.2 Factibilidad técnica ................................................................................................... 73
4.1.3 Evaluación económica .............................................................................................. 75
4.2 Evaluación económica ........................................................................................................... 77
4.2.1 Supuestos empleados en la evaluación económica de digestores en estudio ............... 77
4.2.2 Biodigestor Hacienda Miravalle. Resultados de evaluación .......................................... 77
4.2.3 Biodigestor ACASA - San Marcos Lempa. Resultados de evaluación ........................... 88
4.3 Manual de operación y mantenimiento ................................................................................... 93
4.3.1 Manual de operación de una planta generadora de biogás .......................................... 93
4.3.2 Manual de mantenimiento de una planta generadora de biogás .................................. 95
CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................ 99
5.1 Conclusiones .......................................................................................................................... 99
5.1.1 Digestor Hacienda Miravalle ...................................................................................... 99
5.1.2 Digestor ACASA – San Marcos Lempa....................................................................... 99
5.1.3 Generales ....................................................................................................................... 100
5.2 Recomendaciones ............................................................................................................... 101
5.2.1 Digestor Hacienda Miravalle ..................................................................................... 101
5.2.2 Digestor ACASA - San Marcos Lempa ...................................................................... 102
GLOSARIO .................................................................................................................................... 103
REFERENCIAS ............................................................................................................................. 109
BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................. 111
PÁGINAS WEB……………………………………………………………………………………………..113
ANEXO A. RESULTADOS DE ANÁLISIS
ANEXO B. PLANOS
ANEXO C. BITÁCORA DE MONITOREO BIODIGESTOR HACIENDA MIRAVALLE
ix
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. 1 Composición química del biogás ....................................................................................... 2
Tabla 2. 1 Ventajas y desventajas de materiales de tuberías para el transporte de biogás ............. 18
Tabla 2. 2 Materiales plásticos para sistemas de tuberías para gas presurizado ........................... 20
Tabla 3. 1 Valores obtenidos en los análisis del día 14 de Mayo de 2010 en el Biodigestor
Hacienda Miravalle. Influente ......................................................................................... 54
Tabla 3. 2 Valores obtenidos en los análisis del día 14 de Mayo de 2010 en el Biodigestor
Hacienda Miravalle, Efluente .......................................................................................... 55
Tabla 3. 3 Alturas pileta de carga y mezcla correspondientes a cada proporción ............................ 59
Tabla 3. 4 Valores obtenidos en los análisis realizados el día 12 de Junio de 2010 en San Marcos
Lempa ............................................................................................................................ 63
Tabla 3. 5 Valores obtenidos en los análisis realizados el día 12 de Junio de 2010 en San Marcos
Lempa ............................................................................................................................ 63
Tabla 3. 6 Resultados del análisis de biogás de ACASA – San Marcos Lempa .............................. 65
Tabla 3. 7 Tabla comparativa entre los diferentes tipos de biodigestor en El Salvador. .................. 71
Tabla 4. 1 Costos por asesoría técnica Biodigestor Hacienda Miravalle .......................................... 78
Tabla 4. 2 Costos de construcción y equipamiento .......................................................................... 79
Tabla 4. 3 Costos de puesta en marcha........................................................................................... 80
Tabla 4. 4 Costos de operación (mensuales) ................................................................................... 81
Tabla 4. 5 Costos de mantenimiento (mensual) ............................................................................... 82
Tabla 4. 6 Costos de mantenimiento (anual) .................................................................................... 82
Tabla 4. 7 Cálculo del precio de ahorros energéticos e inversión inicial en Biodigestor Miravalle ... 83
Tabla 4. 8 Gastos mensuales anualizados ....................................................................................... 84
Tabla 4. 9 Flujo de efectivo Biodigestor Hacienda Miravalle ............................................................ 87
Tabla 4. 10 Costos de construcción y equipamiento ........................................................................ 88
Tabla 4. 11 Costos de mantenimientos anuales requeridos en ACASA - San Marcos Lempa ........ 89
Tabla 4. 12 Flujos de efectivo Biodigestor ACASA - San Marcos Lempa ………………………...…..91
Tabla 4.13 Flujos de efectivo Biodigestor ACASA - San Marcoes Lempa …………………………..92
x
xi
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. 1 pH-imetro . ...................................................................................................................... 3
Figura 1. 2 Fotómetro Merck C 118 .................................................................................................. 5
Figura 1. 3 Termorreactor ................................................................................................................ 5
Figura 1. 4 Equipo para análisis de ácidos grasos ............................................................................ 6
Figura 1. 5 Instrumentos para el análisis del biogás ......................................................................... 7
Figura 1. 6 Temperatura teórica de la llama del biogás en función del porcentaje de metano CH4
por volumen ..................................................................................................................... 9
Figura 2. 1 Esquema típico de una planta generadora de biogás ................................................... 12
Figura 2. 2 Gasómetros. Principio de funcionamiento ..................................................................... 13
Figura 2. 3 Dimensiones para estimar la cantidad de biogás almacenada en un gasómetro. ......... 14
Figura 2. 4 Sopladores centrífugos ................................................................................................. 17
Figura 2. 5 Diámetro de tubería recomendado en pulgadas .......................................................... 19
Figura 2. 6 Señales de prevención contra incendios para áreas de riesgo por incendio ............... 23
Figura 2. 7 Señalización de sentido de flujo en tuberías. ................................................................ 23
Figura 2. 8 Ensamble del diseño de filtro para la eliminación de H2S ............................................ 25
Figura 2. 9 Filtro para eliminar el CO2 ........................................................................................... 26
Figura 2. 10 Configuración gasómetro – filtro para eliminación de CO2 .......................................... 27
Figura 2. 11 Purga para la eliminación del condensado de agua contenido en el biogás ............... 28
Figura 2. 12 Válvula de alivio .......................................................................................................... 29
Figura 2. 13 Antorcha para la quema de biogás ............................................................................. 30
Figura 2. 14 Arrestallama ................................................................................................................ 31
Figura 2. 15 Motobomba BRANCO con su paquete de filtros para H2S .......................................... 32
Figura 2. 16 Generador eléctrico a base de biogás marca PUXIN .................................................. 32
Figura 2. 17 Cocina a base de biogás marca PUXIN ...................................................................... 33
Figura 2. 18 Arrocera a base de biogás marca PUXIN ................................................................... 34
Figura 2. 19 Calentador a base de biogás marca PUXIN................................................................ 34
Figura 2. 20 Lámpara a base de biogás marca PUXIN ................................................................... 35
Figura 2. 21 Microturbina Capstone C30. ........................................................................................ 36
Figura 3. 1 Pila de homogenización ............................................................................................... 38
Figura 3. 2 Acidificador natural ........................................................................................................ 39
Figura 3. 3 Reactor anaeróbico ....................................................................................................... 40
Figura 3. 4 Banco de bombas ........................................................................................................ 41
xii
Figura 3. 5 Medidor de flujo del biogás generado ……………………………………………………...42
Figura 3. 6 Válvula de alivio. ......................................................................................................... 43
Figura 3. 7 Vista general del reactor Beneficio Atapasco ................................................................ 44
Figura 3. 8 Esquema de reactor tipo UASB .................................................................................... 45
Figura 3. 9 Granja San José .......................................................................................................... 47
Figura 3. 10 Conjunto de biodigestores de Granja San José ......................................................... 48
Figura 3. 11 Vista general de Biodigestor Hacienda Miravalle ....................................................... 50
Figura 3. 12 Dimensiones de Biodigestor Hacienda Miravalle ........................................................ 52
Figura 3. 13 Detalle del funcionamiento del digestor tipo Tai ......................................................... 53
Figura 3. 14 Gasómetro instalado en Hacienda Miravalle ............................................................... 57
Figura 3. 15 Detalle de la bitácora de monitoreo de Biodigestor Hacienda Miravalle ..................... 60
Figura 3. 16 Digestor artesanal ACASA - San Marcos Lempa ....................................................... 61
Figura 3. 17 Digestor anaeróbico elaborado de geomembrana plástica ........................................ 62
Figura 3. 18 Conjunto hornilla y válvula para el uso del biogás ..................................................... 63
Figura 3. 19 Medición de temperatura de llama ............................................................................. 66
Figura 3. 20 Gasómetro instalado en ACASA - San Marcos Lempa .............................................. 67
Figura 3. 21 Filtro para la eliminación del H2S instalado en ACASA - San Marcos Lempa ............ 68
Figura 3. 22 Proceso de ensamble de filtro H2S ............................................................................. 69
Figura 3. 23 a) Color de llama antes de la instalación del filtro y b) Color de llama después de la
instalación del filtro ..................................................................................................... 69
Figura 4.1 Consumo del generador eléctrico y generación de biogás en el reactor…………………85
xiii
SIGLAS
ABS: Acrilonitrilo Butadieno Estireno.
ACASA: Asociación Comunal Administradora del Sistema de Agua de San Marcos Lempa.
ASPORC: Asociación Salvadoreña de Porcinocultores de El Salvador.
ASTM: American Section of the International Association for Testing Materials.
BPM: Biochemical Methane Potential.
CEL: Comisión Ejecutiva Hidroeléctrica del Río Lempa.
DQO: Demanda Química de Oxigeno.
ES: El Salvador.
ESCAP: Economic and Social Commission for Asia and the Pacific.
FIAES: Fondo de Iniciativa de Las Américas El Salvador.
ICAITI: Instituto Centroamericano de Investigación y Tecnología Industrial.
ILC: Industrias La Constancia.
PB: Polibutileno.
PE: Polietileno.
PLC: (Programmable Logic Controller) Controlador Lógico Programable.
PVC: (Polyvinyl chloride) Policloruro de vinilo.
S.A de C.V.: Sociedad anónima de capital variable.
SG – SICA: Secretaria General del Sistema de la Integración Centroamericana.
SICA: Sistema de la Integración Centroamericana.
SIGET: Superintendencia General de Electricidad y Telecomunicaciones.
SNET: Servicio Nacional de Estudios Territoriales
U.S.: United States of America.
xiv
UASB: Upflow Anaerobic Sludge Blanket.
UCA: Universidad Centroamericana José Simeón Cañas.
xv
ABREVIATURAS
Ag: Área superficial del gasómetro en (m2), es decir el área del barril o recipiente invertido.
Arq.: Arquitecto.
Fig.: Figura.
Hg: Altura del barril invertido la cual se mide desde el nivel del agua (sello hidráulico) hasta el
borde superior del mismo (m).
hrs.: Horas.
Ing.: Ingeniero.
Lab.: Laboratorio.
mca.: Metros de columna de agua.
Mtto.: Mantenimiento.
p.: Página.
rpm: Revoluciones por minuto.
Tel.: Teléfono.
Ve: Volumen de estiércol.
Vg: Cantidad estimada de biogás almacenado en el gasómetro (m3).
Vol.: Volumen (Tomo).
xvi
xvii
UNIDADES DE MEDIDA
C: Grados Celsius
F: Grados Fahrenheit
A: Amperios
Bar: Bares
BTU: Unidades Térmicas Británicas
cm: Centímetro
ft: Pie
Hz: Hertz
in(”): Pulgadas
Kcal: Kilo calorías
Kg: Kilogramo
kJ: KiloJoules
kW: Kilowatt
kWh: Kilowatt hora
L: Litro
lbs: Libras
m: Metros
min: Minutos
mL: Mililitros
mm: Milímetro
Pa: Pascales
Psi: Libras sobre pulgadas cuadradas
s: Segundos
xviii
US$: Dólares norteamericanos
xix
SIMBOLOGÍA
%: Porcentaje
: Densidad
AC: Corriente Alterna
DC: Corriente Directa
g: Gravedad
h: Altura
P: Presión
V: Voltios
W: Potencia (Watts)
Δh: Diferencia de alturas
xx
xxi
PRÓLOGO
En el presente trabajo de graduación se describen algunas aplicaciones del uso del biogás y el
aprovechamiento energético en El Salvador. La implementación de estas tecnologías renovables
se ha incrementado en los últimos años debido a la nueva legislación ambiental vigente en nuestro
país y también debido a la necesidad del tratamiento de las aguas residuales provenientes de la
industria. Aparte del beneficio ambiental obtenido, la producción de biogás ofrece un beneficio
económico con la implementación de aplicaciones en la generación de energía eléctrica,
calentamiento de procesos, accionamiento de motores y en la cocción de alimentos.
En el primer capítulo se hace una descripción de las generalidades del biogás, su composición, su
generación por medio de digestores y así también se describen una serie de parámetros que
indican el estado del funcionamiento de un digestor, tales como: pH, temperatura interna del
digestor, DQO, ácidos grasos, temperatura de llama y el contenido de metano en una muestra de
biogás.
En el segundo capítulo se describen las partes de una planta típica generadora de biogás,
clasificados por: dispositivos de almacenamiento y transporte de biogás, sistemas de tuberías y
todas sus consideraciones, dispositivos para el tratamiento del biogás, dispositivos para la
seguridad en una planta de biogás y por último los dispositivos de aplicación y aprovechamiento
del biogás.
En el tercer capítulo se describe la utilización y aprovechamiento del biogás en diferentes procesos
de la industria salvadoreña. Se citan instituciones como: Industrias La Constancia, Beneficio de
Café Atapasco, Biodigestor Granja San José, Hacienda Miravalle y Biodigestor ACASA - San
Marcos Lempa.
En el cuarto capítulo se presenta un estudio de factibilidad técnica y económica realizada en la
Hacienda Miravalle y ACASA – San Marcos Lempa. Asimismo se presenta un manual de
operación y de mantenimiento para un biodigestor en general.
En el quinto capítulo se enumeran las conclusiones del documento en base a los análisis
realizados y al resultado de las pruebas obtenidas a lo largo del desarrollo del trabajo. Por último,
con la finalidad de la implementación de mejoras, se enumera una serie de recomendaciones para
ambos digestores.
xxii
1
CAPÍTULO 1: GENERALIDADES DEL BIOGÁS
El biogás se produce mediante un proceso de degradación de la materia orgánica bajo condiciones
anaeróbicas, o sea en ausencia de oxígeno. La digestión anaeróbica es producto de la acción de
bacterias, las cuales se denominan metanogénicas, y las cuales degradan la materia, liberando
metano en el proceso. Dichas bacterias metanogénicas son el último eslabón de una cadena de
microorganismos encargados de degradar las materias orgánicas y devolver los productos
descompuestos al medio ambiente. De esta forma el biogás es generado como una fuente de
energía renovable.
La producción de biogás es un modo útil de tratar residuos biodegradables y a su vez se puede
utilizar para diversas aplicaciones tales como: producción de energía eléctrica mediante turbinas o
plantas generadoras a gas, en hornos para el calentamiento, en diversos procesos industriales, en
estufas para la cocción de alimentos, calderas, u cualquier sistema de combustión a gas que
previamente han sido adaptados para tal efecto.
Cada año entre 590-880 millones de toneladas de metano son liberados al medio ambiente en el
mundo, todo debido a la actividad microbiológica. Cerca del 90% de dicho metano emitido se
deriva de fuentes biológicas tales como la descomposición de biomasa.
1.1 Composición del biogás
El biogás es un gas combustible formado en su mayoría por metano (CH4) y por dióxido de
carbono (CO2), aparte de contener pequeñas cantidades de hidrógeno, nitrógeno, oxígeno,
monóxido de carbono y trazas de sulfuro de hidrógeno (H2S) (Tabla 1.1) el cual le proporciona un
olor característico a azufre. La llama producida por el biogás al ser quemado es de color azul
pálido, casi invisible a la luz del día; siendo su poder calorífico cercano a 5342 kilocalorías por m3
[ICAITI, Manual de Construcción y Operación Planta de Biogás, 1983, p.7].
2
Tabla 1. 1 Composición química del biogás. [Fuente: Manual de construcción y operación planta de biogás, ICAITI – ROCAP No 596-0089 D102-1983: p. 66]
Composición del Biogás.
Componente Porcentaje %
Metano (CH4) 54 – 70 %
Bióxido de Carbono (CO2) 27 – 45 %
Nitrógeno (N2) 0.5 – 3 %
Hidrógeno (H2) 1 – 10 %
Acido Sulfhídrico (H2S) 0.1 %
1.2 Biodigestor
Un biodigestor es un sistema natural que toma ventaja de la digestión anaeróbica y que transforma
biomasa o materia orgánica degradable, en biogás y/o fertilizantes. En principio, todos los
materiales orgánicos pueden ser fermentados o digeridos, sin embargo, solo sustratos líquidos u
homogéneos pueden ser considerados para plantas de biogás simples. Entre estos se encuentran
heces y orina de ganado, cerdos, aves, aguas negras, desechos vegetales, residuos de cosechas,
entre otros. Aguas servidas de industrias de procesamiento de alimentos pueden ser utilizados
también si este sustrato es homogéneo en su forma líquida. La producción máxima de biogás dada
una cantidad de materia cruda, depende directamente del tipo de sustrato envuelto.
Normalmente, el biogás producido por un digestor puede ser usado tal como está, de la misma
forma que cualquier otro gas combustible. Sin embargo, es posible y deseable que un tratamiento
posterior sea realizado para remover gases no deseables o impurezas.
1.3 Parámetros para evaluar el funcionamiento de un biodigestor
Para el buen funcionamiento de un digestor en general es muy importante el monitoreo en forma
periódica de ciertos parámetros que están estrechamente vinculados con la generación del biogás,
dichos parámetros son: temperatura, pH, DQO y ácidos grasos, los cuales son indicadores y nos
dan una idea de que tan bien o mal se puede estar desarrollando el proceso de generación de
biogás dentro de un reactor, para lo cual cada propiedad tiene un rango de valores establecidos y
los cuales se deben mantener en el reactor en cierto rango para garantizar la buena y constante
producción de biogás. También es importante la determinación de parámetros como la cantidad de
3
metano CH4 y dióxido de carbono CO2 contenido en el biogás así como la temperatura de la llama
generada por el mismo.
1.3.1 pH (Potencial Hidrógeno)
El pH es un parámetro de operación obligatorio, el cual nos dice si el reactor está operando en un
medio ácido o básico. En general, un reactor debe estar operando en un medio neutro para
asegurar que las condiciones sean las adecuadas para mantener las bacterias metanogénicas en
un ambiente idóneo para su supervivencia y reproducción.
Para asegurar un exitoso proceso de fermentación anaeróbico dentro del biodigestor, el valor de
pH debe oscilar entre 6.5 y 7.5, o sea, cerca del valor neutro de la escala la cual varía de 0 a 14.
[ICAITI, 1983 – “Manual de Operación y Construcción de una planta de Biogás” - p.9]
Para realizar la medición de pH se utiliza un instrumento de campo denominado pH-imetro, el cual
está conformado por un electrodo que mide la diferencia de potencial dentro de la muestra, y en
base a esa diferencia se mide la concentración de iones hidrógeno en el agua (Fig. 1.1).
Figura 1. 1 pH-imetro [Fuente: Imagen propia, Lab. DIMMA S.A. de C.V.]
1.3.2 DQO
La demanda química de oxígeno, DQO, expresada en unidades de oxígeno, mide la porción de
materia orgánica que es biodegradable o no, en una muestra que es susceptible a oxidación por un
fuerte oxidante químico. Esta prueba se realiza para establecer una comparación entre el influente
y el efluente y así determinar la carga orgánica que queda dentro del biodigestor y la cual
4
posiblemente se esté convirtiendo en biogás. Por tanto, se realizan dos pruebas de DQO, una en el
influente y otra en el efluente para establecer dicho patrón de comparación.
Hay que diferenciar dos tipos de análisis de DQO que se realizan, según su propósito:
a) DQO Soluble: Es una medición del material orgánico que logra solubilizarse en el agua y
que generalmente se encuentra en la descarga de un reactor.
b) DQO Total: Es una medición que comprende los sólidos insolubles y solubles además de
las grasas, que tienden a consumir oxígeno durante su descomposición.
La DQO es toda la cantidad de oxígeno que requiere la materia o toda la especie química que está
presente en el agua residual para lograr oxidarse. Es un balance estequiométrico exacto de la
cantidad de oxígeno requerido para descomponerse.
Existen dos maneras para realizar la prueba de DQO. Uno es mediante un proceso meramente
químico, donde usualmente se utiliza como oxidante el Dicromato Potásico, aunque pueden ser
otros componentes.
El otro método más exacto y más moderno, utiliza un fotómetro tipo MERCK SQ-118, (Fig. 1.2), y
el cual da mediciones con un rango de incerteza de 2 mg/L. Este equipo utiliza unas celdas,
donde dentro de las celdas viene la solución de reactivos ya preparada, y donde solo se debe
esperar la reacción química, la cual se da a 148ºC dentro de un termorreactor (Fig. 1.3) en el cual
se mantiene 2 horas a esa temperatura para que se consuma la materia orgánica presente en la
muestra. Luego, en base a un blanco de referencia, el cual es un patrón que brinda la compañía
que vende el equipo, se calibra el aparato con dicho patrón y por último se mide la muestra,
obteniendo los resultados. Si es necesario, hay un proceso de dilución que precede a la
introducción de la muestra a la celda. Si por experiencia se sabe que la DQO que esperamos está
arriba del rango que tiene la muestra para medir, se diluye la muestra.
Los valores de DQO dependen enormemente del tipo de reactor que se analice así como la
materia orgánica que lo alimenta. Los valores de DQO permitidos en El Salvador para poder
retornar al ambiente aguas servidas que han sido tratadas, debe oscilar entre los 200 y 1000 mg/L.
[Latin Laws, http://www.latinlaws.com/legislacion/modules/mylinks/visit.php?lid=249, Julio 2010]
5
Figura 1. 2 Fotómetro Merck C 118 [Fuente: Imagen propia, Lab. DIMMA S.A. de C.V.]
Figura 1. 3 Termorreactor [Fuente: Imagen propia, Lab. DIMMA S.A. de C.V.]
1.3.3 Ácidos grasos
El análisis de ácidos grasos volátiles es una medida de la concentración de la generación de
ácidos grasos, específicamente el acido propiónico entre otros. Dependiendo de la naturaleza de
las aguas residuales, éste se genera a partir de la descomposición anaerobia de la materia
orgánica. La descomposición de la materia orgánica está formada por tres etapas: Hidrólisis,
acidificación y metano génesis. Es en la Hidrólisis donde se generan los ácidos grasos. La acido
génesis es el paso de la hidrólisis a la metano génesis y es donde los ácidos son utilizados por las
bacterias para generar biogás.
6
Los ácidos grasos es una medida de esa concentración. Si nuestro reactor se queda estancado en
un pH ácido, lo que significa es que la concentración de ácidos generados es demasiado alta y
debe regularse. Dicha regulación se logra mediante la reducción de materia prima que entra al
reactor. Los valores de ácidos grasos dependen enormemente del tipo de reactor que se analice
así como la materia orgánica que lo alimenta (Fig. 1.4).
El rango admisible para ácidos grasos debe ser menor a 200 mg/L según la legislación nacional
[Latin Laws, http://www.latinlaws.com/legislacion/modules/mylinks/visit.php?lid=249, Julio 2010]
Figura 1. 4 Equipo para análisis de ácidos grasos. [Fuente: Imagen propia, Lab. DIMMA S.A. de C.V.]
1.3.4 Contenido de metano y dióxido de carbono en una muestra de biogás
El contenido de metano (CH4) del biogás producido en un biodigestor dado, se determina mediante
la extracción del volumen contenido dentro del recipiente que contiene la muestra del biogás,
mediante una jeringa especial, (Fig. 1.5). Teniendo este volumen conocido de biogás (1V ), este se
inyecta en un recipiente sellado el cual posee una solución de 20 mL, conteniendo 20g/L de KOH o
Na OH. . Este bote hermético debe ser agitado durante 3 ó 4 minutos de tal forma que todo el
dióxido de carbono sea absorbido por la solución presente en el recipiente. El volumen de gas que
queda en el recipiente (2V ) puede ser determinado utilizando la jeringa y midiéndola directamente.
[University of Central America, Marquette University – Biomechanical Methane Potential (BMP) and
Anaerobic Toxicity Assay (ASA) – p.1 a p.3]
De aquí que la concentración porcentual de metano venga dada por la siguiente ecuación:
7
(Ec. 1.1)
De ahí el porcentaje de CO2 y otros contenidos en la muestra se determina por medio de la
siguiente ecuación:
(Ec. 1.2)
Los rangos normales de gas metano dentro de una muestra de biogás deben rondar entre el 30%
al 60% de dióxido de carbono, 50% y el 70% de CH4 y el 3% de otros gases [ICAITI, 1983 –
“Manual de Operación y Construcción de una planta de Biogás” - p.5]
Figura 1. 5 Instrumentos para el análisis del biogás. [Fuente: Imagen propia, Lab. De Procesos UCA]
1.3.5 Temperatura
La temperatura dentro de un biodigestor es un parámetro de los más importantes para la óptima
producción de biogás en cualquier digestor. Existen diferentes rangos de temperatura de
funcionamiento, entre los que tenemos mesofílico y termofílico que son los más comunes utilizados
en digestores en El Salvador. Se ha establecido por lo general que a mayor temperatura, se logra
mayor productividad, aunque se necesita que se reúnan otras condiciones o parámetros especiales
de funcionamiento.
8
La temperatura ya sea alta o baja se deberá mantener lo más constante posible, ya que las
fluctuaciones perjudica en gran medida la acción bacteriana que se desarrolla dentro del tanque y
que es responsable de la fermentación.
La forma más sencilla para lograr que la temperatura dentro de un biodigestor se mantenga
constante día y noche, es construirlo enterrado, aprovechando así la propiedad natural aislante de
la tierra.
Es necesario hacer mediciones periódicas de la temperatura dentro de un reactor, lo cual se puede
realizar mediante la instalación de una termocupla, llevando así, una bitácora de las temperaturas
registradas verificando que no existan cambios bruscos que afecten la productividad de la bacterias
y que lleguen incluso a morirse.
1.3.6 Temperatura de llama
La temperatura de llama creada por una mezcla de combustibles es importante para diagnosticar el
desempeño de todo tipo de sistemas de combustión. En la operación de calderas, la temperatura
de llama es por lo general un buen indicador de su eficiencia térmica. La temperatura teórica de la
llama del biogás es una mezcla estequiométrica con aire, incluyendo disociación la cual se da a
3849 °F (2120.56 °C). Sin embargo la temperatura teórica de la llama disminuye por las siguientes
razones:
- Presión atmosférica
- Perdida de calor hacia la atmosfera (Flama adiabática)
- Porcentaje de oxigeno contenido en la atmósfera.
- El combustible que está siendo quemado.
- Cualquier tipo de oxidación en el combustible
- Temperatura de la atmósfera.
- Humedad relativa
- Como el proceso de combustión se está dando desde el punto de vista
estequiométrico, asumiendo que no existe disociación, se obtendrá la más alta
temperatura de llama. Cualquier exceso de aire/oxígeno bajará dicho valor, así como la
insuficiencia de aire/oxígeno.
9
El proceso de medición de la temperatura de llama, se da mediante la utilización de termómetros
especializados. A continuación se muestra (Fig. 1.6) la temperatura teórica de la llama del biogás
en función del porcentaje de metano CH4 por volumen y de la concentración de vapor de agua
contenido en el biogás, y en donde teóricamente se puede determinar la temperatura de la llama
generada si se conoce el porcentaje de metano CH4 contenido en el biogás.
Figura 1.6 Temperatura teórica de la llama del biogás en función del porcentaje de metano CH4 por volumen [Fuente: U.S. Department of Energy, Biogas Utilization Handbook, 1988]
10
11
CAPÍTULO 2: DESCRIPCIÓN DE UNA PLANTA GENERADORA DE BIOGÁS
2.1 Planta generadora de biogás
Una planta productora de biogás es aquella instalación de la cual se obtiene gas combustible a
partir de la digestión anaeróbica de sustancias orgánicas. Esta se utiliza comúnmente para
propósitos industriales o domésticos en los cuales se desea obtener biogás y al mismo tiempo
tratar agua servida que contamina el medio ambiente.
La figura 2.1 muestra un esquema típico de una planta de generación de biogás, en la cual se
muestran distintas partes y procesos que se encuentran envueltos.
El influente o la materia prima con la que se llena, consiste en aguas residuales de distintos tipos
de industrias, aguas servidas domésticas, o mezclas directas de materias orgánicas y agua. Dicho
influente es ingresado al digestor en un periodo de tiempo establecido, también conocido como
tiempo de retención hidráulico y el cual se establece según el tipo de materia orgánica a tratar, la
temperatura del lugar y el volumen del digestor.
Los dispositivos de control, son aquellos elementos encargados del monitoreo del funcionamiento
de la planta, y los cuales nos da una idea del comportamiento del proceso que se da en la misma.
Los accesorios de seguridad consisten en todos aquellos elementos que garantizan un
funcionamiento óptimo y que no genere riesgos tanto para el medio ambiente, así como para las
instalaciones físicas o las personas que ahí laboran.
Los elementos de tratamiento comprenden todos aquellos accesorios utilizados para lograr la
purificación del biogás, tanto de agentes nocivos o corrosivos así como de elementos no deseados
dentro del mismo.
La remoción es el proceso mediante el cual el agua tratada o efluente, es depuesto o utilizada para
otros fines. Dado que la carga orgánica que este poseía se ha reducido en gran manera, los lodos
resultantes son utilizados como fertilizantes o simplemente depuestos sin peligros de mayor
contaminación.
El biogás que se genera, se utiliza como combustible ya sea para generar calor directamente, o
para la generación de energía eléctrica mediante el uso de generadores.
12
Fig
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2.
1 –
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13
2.2 Descripción de los dispositivos de una planta generadora de biogás
2.2.1 Dispositivos de almacenamiento y transporte de biogás
El almacenamiento de biogás en una planta es de suma importancia para obtener el máximo
aprovechamiento del combustible generado ya que esto es lo que hace a una planta eficiente. Otro
aspecto de suma importancia es el transporte del biogás a largas distancias de la planta. Para tal
labor se utilizan sopladores o Blowers, los cuales en principio son similares a las bombas
hidráulicas. A continuación la importancia y la ubicación de los mismos.
Gasómetros
El fin principal de la implementación de gasómetros es el almacenamiento de la mayor cantidad de
biogás posible para equilibrar las fluctuaciones en la producción, el consumo y los cambios de
volumen causados por la variación en la temperatura o producción. De esta forma se evita que se
desperdicie biogás dejándolo escapar por medio de una válvula de alivio o quemándolo en una
antorcha. Lo ideal es obtener un máximo aprovechamiento energético del biogás utilizándolo para
un fin específico debido a sus grandes cualidades como combustible. Existen diferentes tipos de
gasómetros para biogás disponibles en el mercado, tales como los de campana, flotantes, de
membranas, etc., los cuales, pueden ser implementados según el tipo de planta y su aplicación.
Para el caso de una planta de generación de biogás de tipo domiciliar, se puede implementar un
sistema de gasómetros artesanales fabricados con dos barriles plásticos, tubería de PVC, válvulas
de bola de PVC, y demás accesorios también en PVC, tal como el mostrado en la Fig. 2.2
Figura 2. 2 Gasómetros. Principio de funcionamiento. [Fuente: Imagen propia]
14
Con la implementación de gasómetros en un digestor doméstico, se puede determinar la cantidad
producida de biogás estimando la cantidad promedio que se puede almacenar diariamente al
interior de los mismos. El volumen simplemente puede ser calculado asumiendo que un gasómetro
posee forma regular y cilíndrica, entonces, estimándose de acuerdo a la siguiente ecuación:
(Ec. 2.1)
En donde:
Vg = cantidad estimada de biogás almacenado en el gasómetro (m3)
Ag = área transversal del gasómetro en (m2), es decir el área transversal interior del barril o
recipiente invertido.
Hg = altura desplazada del barril invertido medida desde el nivel del agua (sello hidráulico)
hasta el borde superior cuando se encuentra lleno de biogás, menos la altura medida
desde el nivel del agua (sello hidráulico) hasta el borde superior cuando se encuentra
vacío.
(Ec. 2.2)
En la siguiente figura se muestra gráficamente las dimensiones antes mencionadas para la
estimación del volumen de biogás a almacenar (Fig. 2.3)
Figura 2. 3 Dimensiones para estimar la cantidad de biogás almacenada en un gasómetro. [Fuente: Imagen propia]
15
Pruebas de funcionamiento
Para verificar el principio de funcionamiento de este tipo de gasómetros se realizaron una serie de
pruebas en el taller de Mecánica de la Universidad (UCA). Dichas pruebas consistían en verificar el
principio de funcionamiento del gasómetro, es decir, si se lograba estanqueidad dentro del
gasómetro inyectando aire comprimido por medio de una unidad neumática, con el fin de verificar
el sello hidráulico. Luego se realizó la prueba en la cual se determinó el valor de presión necesaria
para levantar el peso del barril invertido, conocido como peso muerto. Por último se realizó una
prueba para estimar la cantidad de biogás que se podría almacenar en el gasómetro.
o Resultados de pruebas
Prueba de funcionamiento
De la primera prueba, la cual consistió en inyectar aire comprimido para simular el proceso de
llenado del gasómetro, se logro verificar la estanqueidad del mismo, con lo cual se confirmó el
buen funcionamiento del sello hidráulico.
Prueba de presión
Para levantar el peso del barril invertido y para mantenerlo a presión, se obtuvo un valor de
diferencia de alturas de 2 cm de columna de agua, utilizando un manómetro en U. Haciendo uso de
la siguiente ecuación, podemos determinar el valor de presión en Pascales (Pa) correspondiente a
dicha diferencia de alturas.
(Ec. 2.3)
En donde:
P = Presión al interior del gasómetro (Pa).
ρ = Densidad del fluido (Kg/m3).
g = gravedad (m/s2).
Δh = diferencia de alturas (m).
16
La presión necesaria para levantar el peso del barril invertido y para mantener el gasómetro a
presión es de 196.2 Pa.
Prueba de almacenamiento
En esta prueba se determinó que la altura desplazada del barril invertido medida desde el nivel del
agua (sello hidráulico) hasta el borde superior cuando se encuentra lleno de biogás, fue de 0.835
m. La altura medida desde el nivel del agua (sello hidráulico) hasta el borde superior del barril
invertido cuando se encuentra vacío, fue de 0.35m. Por medio de la Ec. 2.2 se determina la altura
Hg:
Luego con la ecuación 2.1 determinamos la cantidad estimada de biogás a almacenar:
Blowers (Sopladores)
Para transportar el biogás a largas distancias de la planta de generación, es necesario el uso de
dispositivos que lo impulsen hacia los lugares de aplicación y aprovechamiento. Para esta tarea se
utilizan sopladores (Fig. 2.4) los cuales por acción centrifuga o de desplazamiento positivo
aumentan la presión del biogás en el sistema y así poder enviarlo a mayores distancias. Los
sopladores se ubican al final de todos los dispositivos de tratamiento y seguridad de la planta, para
enviar el biogás ya tratado y filtrado hacia su lugar de utilización.
17
Figura 2. 4 Sopladores centrífugos [Fuente: Imagen propia, Planta de tratamiento de aguas residuales Industrias La Constancia, El Salvador]
2.2.2 Sistema de tuberías
Dentro del diseño de una planta de biogás deben considerarse varios aspectos que deben ser de
interés y prioridad por parte del diseñador, ya sea para optimizar el uso de la materia prima
(materia orgánica) por medio de un previo y buen dimensionamiento que garantice la buena
generación de biogás con una eficiencia adecuada, así como una excelente funcionalidad, lo
que implica que la planta requiera lo mínimo de mantenimiento en comparación con su
funcionamiento. Todo esto sin dejar a un lado las buenas condiciones de seguridad que se deben
de brindar a sus operarios y personas involucradas en el mantenimiento de la planta debido al
peligro que conlleva el trabajar con biogás, el cual es un combustible altamente inflamable.
Reunidas todas estas condiciones y habiendo diseñado e implementado el digestor, luego se
estima la cantidad de biogás a generar, la presión de generación y operación, la cual será
determinante a la hora de diseñar el sistema de redes de tuberías que transportan el biogás desde
el digestor a los diferentes dispositivos de almacenamiento (gasómetros), tratamiento (filtros,
purgas, trampas de agua, etc.), hasta la aplicación o utilización de quemadores, hornillas, motores
o generadores de energía eléctrica. Con un buen diseño de la red e implementación de los
dispositivos mencionados se busca una buena calidad del biogás para las diferentes aplicaciones y
también el mínimo de pérdidas, las cuales garantizan mantener la presión del biogás dentro del
sistema para así poder transportarlo a mayores distancias de su lugar de generación, así como la
eliminación de posibles fugas que puedan generar riesgo de incendio y explosiones en la planta.
18
Caracterización del sistema de tuberías para el transporte de biogás
Las presiones de operación en la mayoría de digestores no exceden el valor de 1 psi, es decir 0.71
mca, o en su defecto presiones menores a este valor, lo cual se considera presiones relativamente
bajas en digestores en los cuales no se utilizan sopladores para transportar el biogás de un lugar a
otro. Caso contrario, para los digestores en los cuales se utilizan sopladores, se manejan presiones
alrededor de 500 psi, las cuales son presiones altas. Sea cual sea la presión de operación del
sistema y del digestor, es necesario que el diseño del sistema de tuberías deba garantizar la
estanqueidad en toda la red con el fin de evitar pérdidas en la presión de operación del sistema de
tuberías y las consecuentes fugas que en principio son complicadas de localizar. Además de ser
una red capaz de asegurar la operatividad de la planta, por lo general el sistema debe estar dotado
de una válvula de alivio para proteger al sistema de sobrepresiones, lo cual es lo más
recomendable. Otros implementos con los cuales esta red debe contar son válvulas, codos,
bifurcaciones, tanques de almacenamiento, etc. [U.S. Department of Energy, Biogas Utilization
Handbook, 1988: p. 23]
o Materiales
A continuación se describen diferentes tipos de materiales que pueden utilizarse para la
elaboración de sistemas de tuberías orientados al transporte de biogás. Se hace una comparación
entre las ventajas y desventajas de cada uno de ellos (Tabla 2.1)
Tabla 2. 1 Ventajas y desventajas de materiales de tuberías para el transporte de biogás [Fuentes: ESCAP, Guidebook on Biogas Development- Energy Resources Development, 1980; EMCON Associates, Feasibilitv Studv:
Utilization of Landfill Gas for a Vehicle FuelSvstem, U.S. Department of Energy, 1983.]
Material Ventajas Desventajas
Plástico
(PVC,CPVC)
Fácil de trabajar,
relativamente barato
Fácil de quebrarse o fracturarse,
pueden ser mordidos por roedores.
Válvulas más caras que las de
galvanizado. Está sujeta a la
degradación causada por los rayos
ultravioleta
Acero galvanizado Rígido, menos posibilidades
de fracturarse
Se oxida, tubería más cara que la
de PVC o plástico.
Manguera plástica Fácil de conectar a los
equipos
Cara
Se puede dañar fácilmente.
Plástico (ABS) Ninguna No recomendado
19
Se recomienda para la mayoría de aplicaciones con biogás utilizarse tuberías de PVC.
o Dimensiones
Diámetro de la tubería
El diámetro de las tuberías para el transporte del biogás puede ser calculado de forma práctica por
medio de la Figura 2.5, en donde para poder determinar el diámetro adecuado es importante
conocer el flujo de biogás en pies cúbicos por hora (pie3/h) generado por el digestor, así como la
longitud estimada del sistema de tuberías en pies. Teniendo ambos datos, en la Figura 2.5, se
ubica en el eje de las abscisas el flujo de biogás en pie3/h, y en el eje de las ordenadas la longitud
de la tubería en pies. Luego el área en donde se intercepten ambas rectas, la cual esta asignada a
un diámetro de tubería determinado en pulgadas, será el diámetro de tubería adecuado para las
condiciones que se tengan. [U.S. Department of Energy, Biogas Utilization Handbook, 1988: p.24]
Figura 2. 5 Diámetro de tubería recomendado en pulgadas. [Fuente: ESCAP, Guidebook on Biogas Development- Energy Resources Development, 1980: p. 24]
20
Espesor de tubería
Para poder determinar las dimensiones del espesor de las tuberías para transportar el biogás, es
importante conocer la presión de operación y así poder determinar el espesor adecuado de la
tubería. Es recomendable sobredimensionar o estimar un rango en la presión de operación, para lo
cual se recomienda que la presión de diseño se calcule con la siguiente ecuación: [U.S.
Department of Energy, Biogas Utilization Handbook, 1988: p.25]
(Ec. 2.4)
En la mayoría de las aplicaciones se recomienda el uso de tuberías de material plástico debido a
factores como el precio, la facilidad de sustituir, y la facilidad para trabajarlo. Si el caso fuera así,
para la elección del espesor de tubería se recomienda consultar la norma (ASTM D 2513 – 85 a)
THERMOPLASTIC GAS PRESSURE PIPING SISTEM, Vol. 08.04. Dicha norma cumple aspectos
como dimensiones y tolerancias, propiedades físicas y mecánicas, resistencia química y otros
requerimientos para sistemas de tuberías. Las especificaciones de la norma se cumplen para los
siguientes materiales plásticos (Tabla 2.2):
Tabla 2. 2 Materiales plásticos para sistemas de tuberías para gas presurizado. [Fuente: Annual Book of ASTM Standards , Vol. 08.04, D 2513 – 85a, 1986: p. 305]
Termoplástico Tipos y grados
Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS) Clase de célula 5,5,3,3,3 o mayor
Polibutileno (PB) Tipo II, Grado 1, Clase B con antioxidantes o Clase C
(PB 2110)
Polietileno (PE) Grado P34, Clase B con antioxidantes (PE 3406)
Grado P34, Clase C, (PE 3406),(PE3408)
Grado P23 o Grado P24, Clase B (PE 2306 o PE 2406)
con antioxidantes
Grado P23 o Grado P24, Clase C (PE 2306 o PE 2406)
Policloruro de vinilo (PVC) Tipo 1, Grado 1 (PVC 1120)
Tipo 1, Grado 2 (PVC 1220)
Tipo 2, Grado 1 (PVC 2110)
Tipo 2, Grado 1 (PVC 2116)
Esta especificación cubre tuberías con cedula 40 y 80 para plásticos ABS, PVC y PE
21
Para una consulta más detallada acerca de sistema de tuberías bajo norma, también se
recomienda consultar las siguientes normas, las cuales están estrechamente relacionadas con la
instalación de sistemas de tuberías para materiales termoplásticos:
- (ASTM D 2321) UNDERGROUND INSTALLATION OF FLEXIBLE THERMOPLASTIC
SEWER PIPE.
- (ASTM D 2774–72) UNDERGROUND INSTALLATION OF THERMOPLASTIC PRESSURE
PIPING.
- (ASTM D 3350-84) POLYETHYLENE PLASTICS PIPE AND FITTINGS MATERIALS.
Todas ellas contenidas en el Vol. 08.04 del ANNUAL BOOK OF STANDARS (ASTM).
o Consideraciones para accesorios
Respecto a la instalación de accesorios en la red de tuberías, ya sean estos válvulas, codos,
bifurcaciones, reducciones, acoples, etc., se recomienda que estos sean del mismo material de las
tuberías. Para el caso de tuberías de PVC, todos sus accesorios deben ser también del mismo
material, para evitar el desgaste que podría ocasionar el contacto entre materiales plásticos y
aceros. También se recomienda utilizar accesorios del mismo material que las tuberías para
obtener una mejor adherencia entre ellos.
o Precauciones
Es importante en la instalación de tuberías que transportan combustibles gaseosos altamente
inflamables y especialmente para el caso de tuberías de PVC, las cuales son muy susceptibles a
fracturas y quebraduras, asegurarse que la trayectoria del sistema de tuberías este diseñada de
manera que en caso de algún accidente no pueda ser quebrada o fracturada, para lo cual se deben
atender las siguientes recomendaciones:
- Evitar que el sistema de tuberías se encuentre cerca de accesos a vehículos, camiones,
tractores y demás automotores que puedan quebrar o causar daño en el sistema.
- Evitar que el sistema de tuberías se encuentre cerca de accesos o lugares peatonales
concurridos, en los que personas puedan ocasionar al sistema algún daño, ya sea
accidental o premeditado.
22
- Es recomendable que la trayectoria del sistema de tuberías no pase por corrales ni en
lugares en donde permanezcan animales, ya sea ganado, caballos, cerdos, etc. ya que
estos pueden fracturar y dañar la red con mucha facilidad.
- Si el sistema de tuberías esta presurizado, es decir, si se hace uso de sopladores, se debe
de tener una precaución especial por el tema de las vibraciones, para lo cual se
recomienda la instalación de amortiguadores y así asegurar que las tuberías no sufran
fracturas a causa de las vibraciones.
En algunos casos es recomendable para evitar este tipo de riesgos, que el sistema de tuberías se
instale bajo tierra o que el sistema de tuberías de plástico se instale dentro de tubería de acero, las
cuales son más resistentes a los golpes y a fracturas. [U.S. Department of Energy, Biogas
Utilization Handbook, 1988: p.25]
Se recomienda que la trayectoria del sistema de tuberías para el transporte de biogás sea lo más
recta posible, y así evitar el uso de accesorios innecesarios que aumentan la pérdidas,
disminuyendo la presión del sistema haciéndolo menos eficiente.
o Señalización
Dentro de la caracterización de un sistema de tuberías para el transporte de combustibles
gaseosos altamente inflamables, la señalización es uno de los aspectos importantes debido a las
propiedades del los fluidos que se transportan, ya que se está la mayor parte del tiempo
susceptible a accidentes debido a fugas que pueden generar explosiones. En algunos casos, estos
accidentes son causados por la negligencia de personas o por desconocer el peligro al cual están
expuestos, para lo cual se recomienda la implementación de señalización como la mostrada en la
Fig. 2.6.
23
Figura 2. 6 Señales de prevención contra incendios para áreas de riesgo por incendio. [Fuente: google image search – Julio 2010]
También se recomienda la señalización del sentido del flujo de biogás en las tuberías y en los
dispositivos de aprovechamiento (Fig. 2.7)
Figura 2. 7 Señalización de sentido de flujo en tuberías. [Fuente: http://files.myopera.com/edlsantosmz/blog/gas-pipe_large.jpg - Julio 2010]
24
2.2.3 Dispositivos de tratamiento de biogás
La calidad del biogás generado para las diversas aplicaciones es un factor muy importante
después de la generación del mismo, debido a la composición de este (Tabla 1.1), y debido a
contenidos como el caso del H2S y el CO2, es importante darle un tratamiento especial antes de
su utilización, ya que, en aplicaciones en las cuales se utilice el biogás como medio de
accionamiento de motores de combustión interna, fabricados de metales ferrosos, esto puede
resultar perjudicial cuando entre en contacto con el H2S, ya que este reacciona con el metal
oxidándolo. Lo mismo sucede en el caso de dispositivos direccionales como válvulas,
quemadores, hornillas, lámparas, todas estas fabricadas de algún metal que pueda también verse
afectado por el fenómeno de la corrosión. Otro aspecto importante en el tratamiento del biogás, es
la eliminación del condesado, el cual también puede contribuir en cierta medida a la corrosión en
componentes ferrosos. Por último, la eliminación del CO2, la cual se hace para obtener un biogás
más limpio en esencia.
Filtro para la eliminación de acido sulfhídrico (H2S)
Para el caso de un digestor tipo domiciliar, este filtro se puede elaborar de manera artesanal. Se
propone que el material de construcción sea tubería de PVC (Fig. 2.8) y que el diámetro del filtro de
H2S sea mayor que el de la tubería en donde se haga la toma. Es decir, si la tubería donde se
transporta el biogás es de ½” a ¾” se recomienda un diámetro de tubería de 2’’ para el filtro, con el
objetivo de poder almacenar una buena cantidad de virutas de hierro o limaduras de hierro adentro
de la tubería, las cuales reaccionaran con el H2S contenido en el biogás acelerando de esta forma
el proceso de oxidación en el filtro y no en los dispositivos antes mencionados. Se asume que con
la implementación de este filtro de aproximadamente 1 Kg de virutas de hierro, se pueda absorber
el H2S presente en 40 m3 de biogás, a un contenido no mayor del 1% en volumen. [Flores Nelson,
Aplicación de las fuentes renovables de energía. Producción de biomasa y bioabono de la
biomasa vegetal y animal, 1993: p.10]
Se recomienda que el filtro para la eliminación del H2S se coloque justamente antes del dispositivo
de aprovechamiento del biogás, ya sea este quemador, motor, generador, etc. El filtro debe estar
diseñado para poderlo armar y desarmar con facilidad porque es importante sustituir las limaduras
de hierro, ya que estas al saturarse ya no estarán en la capacidad de filtrar mas el H2S contenido
en el biogás.
25
Figura 2. 8 Ensamble del diseño de filtro para la eliminación de H2S [fuente: Imagen propia, AUTODESK INVENTOR® 2010]
Filtro para la eliminación del Dióxido de Carbono (CO2)
Para el caso de digestores tipo domiciliar, planteamos dos tipos de posibles configuraciones, las
cuales dependen de la presión de operación de la planta, es decir la presión a la cual se mantiene
el biogás dentro del sistema de tuberías. Ambas configuraciones se describen a continuación:
o Presiones de generación menores a 1 cm de columna de agua
En es el caso de digestores domiciliares de pequeña dimensión, por lo general los de
geomembrana plástica, los cuales poseen una presión de generación muy baja, el biogás no puede
vencer presiones que excedan el valor de 1 cm de columna de agua, para lo cual es recomendable
utilizar filtros de CO2 elaborados con recipientes, botellas plástica o de vidrio, dentro de los cuales
se colocará una solución alcalina (agua + cal). Esta solución se prepara agregando dos gramos de
cal por cada litro de agua [Flores, N.R. Aplicación de las fuentes renovables de energía.
Producción de biomasa y bioabono de la biomasa vegetal y animal, 1993: p.8] tal como se muestra
en la Fig. 2.9, y con los cuales se garantiza que el biogás podrá ser filtrado de CO2 y que no se
genere un sello hidráulico al no poder vencer la presión de la solución.
26
Figura 2. 9 Filtro para eliminar el CO2 [Fuente: Flores Nelson, Aplicación de las fuentes renovables de energía. Producción de biomasa y bioabono de la biomasa vegetal y animal, 1993 p. 9]
Este filtro por lo general se puede ubicar entre el digestor y el filtro de eliminación de H2S, de
preferencia, si se utiliza esta configuración, el recipiente debe de estar instalado en un lugar fijo, no
en voladizo, y herméticamente sellado por su principio de funcionamiento. Por lo general se debe
de hacer algún tipo de adaptación de la tubería principal, es decir, colocar algunos reductores para
acoplar el filtro a dicha tubería.
o Presiones de generación relativamente mayores a 1 cm de columna de agua
Para digestores domiciliares en los cuales la presión de generación es mayor debido al material del
cual están construidos, ya sean estos de cemento o de plástico, y también por las dimensiones del
digestor ya que a mayor capacidad de materia orgánica a descomponer mayor será la capacidad
de generación, donde pueden obtener presiones que puedan permitir una configuración gasómetro
– filtro CO2. Esto significa que se puede filtrar el biogás y se puede almacenar al mismo tiempo.
Para poder filtrarlo se debe tener una presión de generación como mínimo de 4 cm de columna de
agua, para así obligar al biogás a que pase por la solución alcalina (agua + cal) contenida en el
barril fijo del gasómetro, la cual elimina el CO2 contenido en el biogás para que una vez filtrado sea
almacenado dentro del gasómetro (Fig. 2.10).
27
Figura 2. 10 Configuración gasómetro – filtro para eliminación de CO2 [Fuente: Imagen propia, AUTODESK INVENTOR® 2010]
Purga para la eliminación del condensado
La eliminación del condesado también es parte del tratamiento del biogás, como ya lo
mencionamos, ayuda también a prevenir la corrosión causada por la humedad o partículas de agua
que están contenidas en el biogás, las cuales al experimentar variaciones de presión o de
temperatura, se condensan y viajan a través de las tuberías afectando a los diferentes
dispositivos de la planta, ya sean estos accesorios o motores de combustión interna. También se
estima que en algunos casos la alta generación de condensados de agua al interior de tuberías,
puede ser una carga para las mismas y si la red no se diseña de forma adecuada, es decir con una
pendiente a lo largo de todo el recorrido, estas pueden doblarse hasta llegar a fracturarse por el
peso del agua.
Para el caso de digestores tipo domiciliar las purgas se pueden construir utilizando tubería de
PVC, válvulas de bola de PVC y en algunos casos reductores de PVC (Fig. 2.11)
La purga para la eliminación del condensado por lo general se ubica siempre en la parte más baja
del sistema de tuberías. Como lo mencionamos, el sistema debe diseñarse con una pendiente y la
purga debe ubicarse al final de la pendiente o en algún cambio de nivel debido a que es ahí donde
se acumula el condensado de agua con ayuda de la acción de la gravedad. Para poder evacuar el
condesado, esto puede realizarse de forma manual, únicamente abriendo la válvula para eliminar
el agua contenida. Preferiblemente debe ubicarse antes del filtro para la eliminación del ácido
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sulfhídrico (H2S), ya que la humedad contenida en el biogás puede corroer más rápido la viruta o
limadura de hierro contenida en el filtro.
Figura 2. 11 Purga para la eliminación del condensado de agua contenido en el biogás [Fuente: Imagen propia, AUTODESK INVENTOR® 2010]
2.2.4 Dispositivos de seguridad
La seguridad de la planta y de sus operarios es de suma importancia al momento de implementar
este tipo de tecnologías, debido al tipo de combustible con el que se está trabajando, el cual es
altamente inflamable y por lo cual deben implementarse dispositivos para evitar accidentes, fugas,
así como protecciones contra sobrepresiones que inclusive pueden causar daño al digestor, para el
caso de los que están construidos de geomembrana. Por esta razón, es importante la
implementación de los dispositivos como válvulas de alivio, antorchas y arresta llamas que se
mencionan a continuación.
Válvula de alivio
Las sobrepresiones tanto dentro del digestor como en el sistema de tuberías, son algo inevitable
debido a que existen momentos en los cuales no se está utilizando el biogás producido y es
cuando se dan aumentos en la presión de operación del digestor. Por este motivo, es muy
importante saber cuál es el rango de presión de operación del sistema o en su defecto, la presión
de operación que se tiene en condiciones normales, para así poder implementar una válvula de
alivio, la cual debe estar diseñada para evacuar el exceso de biogás producido a una presión
mayor a la de operación. Citemos un ejemplo:
29
Si la presión de operación del biogás en un sistema es de 4 cm de columna de agua, la cual se da
en condiciones normales, y si se presentara un exceso de presión en el sistema, es decir, que la
presión del sistema excediera los 4 cm de columna de agua, la válvula de alivio debe diseñarse a
que se accione cuando la presión de operación alcance los 6 cm de columna de agua, en donde se
eliminaría el exceso (2 cm de columna de H2O) para proteger al sistema. A continuación se
propone un diseño de una válvula de alivio para digestores tipo domiciliar, construida con tubería
de PVC, una T de PVC y una botella plástica transparente.
El principio de funcionamiento es el siguiente: la toma de biogás se hará de la línea principal por
medio de una bifurcación en T de PVC, de la cual se extenderá por medio de una tubería de PVC
adherida y sellada, al interior de la botella plástica transparente. Esta tubería de PVC estará
sumergida en el líquido contenido en la botella, a una profundidad equivalente a la presión de
columna de agua, e igual a la presión de accionamiento de la válvula. Cuando la presión del
sistema exceda la de operación, el biogás vencerá la presión que ejerce la columna de agua y se
saldrá en forma de burbujas hacia el ambiente, por un medio de un agujero al costado de la botella
de plástico (Fig. 2.12). Los planos de la válvula se exponen en el ANEXO B.
La válvula de alivio se debe ubicar en la línea principal del sistema. Por lo general se instala en
voladizo, procurando que su peso no doble la tubería o la dañe. También es preferible instalarla
antes que todos los dispositivos de tratamiento y almacenamiento del biogás, es decir, después de
la toma del biogás proveniente del digestor.
Figura 2. 12 Válvula de alivio [Fuente: Imagen propia, AUTODESK INVENTOR® 2010]
30
Antorchas
En plantas de biogás de grandes dimensiones y en las cuales la presión de generación y operación
es elevada, en ocasiones existe la necesidad de liberar grandes cantidades de biogás debido a las
sobrepresiones, o en momentos en los cuales el biogás no se esté utilizando. Este biogás liberado
en grandes cantidades al medio ambiente causa contaminación en el entorno por mal olor y el cual
puede ser peligroso si es inhalado, por lo cual existe la opción de utilizar antorchas para el
quemado de ese biogás. La antorcha se ubica a una distancia prudente del digestor, esto por
motivos de seguridad, ya que es de alto riesgo generar una llama cerca del digestor. Por lo general
se conecta al digestor por medio de su propio conducto y están dotadas de sensores de presión
que activan la antorcha en caso de ser necesario. (Fig. 2.13)
Figura 2. 13 Antorcha para la quema de biogás. [Fuente: Imagen propia, Planta de tratamiento de aguas residuales Industrias La Constancia, El Salvador]
Arresta llamas
Por lo general, el arresta llamas siempre viene en conjunto con la antorcha, y la función de este es
evitar que la llama generada por la antorcha se propague al interior del digestor, lo cual desataría
una explosión por lo cual se ubica justo antes de la antorcha en el conducto de la misma, por la
razón principal de evitar la rápida propagación de la llama al interior del sistema. (Fig. 2.14)
31
Figura 2. 14 Arrestallama. [Fuente: Imagen propia, Planta de tratamiento de aguas residuales Industrias La Constancia, El Salvador]
2.2.5 Dispositivos para la aplicación del biogás
El fin de la captación de biogás por medio de digestores es el aprovechamiento energético del
mismo, utilizándolo como combustible para accionar motores de combustión interna, quemadores y
demás fines calóricos, así como para lámparas de iluminación. Existe actualmente una variedad de
dispositivos de aplicación del biogás que van desde simples hornillas hasta micro turbinas
generadoras de electricidad.
Motores
El desarrollo de motores utilizando como combustible al biogás, ha llevado al uso de aplicaciones
como el bombeo, riego y transmisión de potencia mecánica. Una aplicación muy útil con motores
accionados por medio de biogás es la de desplazamiento de líquidos y hasta sólidos por medio de
una motobomba como la que se muestra a continuación.
Motobomba marca BRANCO con un motor de 4 tiempos de 389 cm3 refrigerado por aire con una
rotación de 3,600 rpm, caudal máximo de 30,000 l/h una presión máxima de 56 mca accionada por
un sistema manual o eléctrico y con un consumo de 20 m3 de biogás por una hora de trabajo. (Fig.
2.15).
32
Figura 2. 15 Motobomba BRANCO con su paquete de filtros para H2S. [Fuente: http://www.magazinemais.com.br/Produto.aspx?p=6330&s=1381 - Julio 2010]
Generadores
Generador eléctrico a base de biogás o LPG marca PUXIN (Fig. 2.16) con una relación de
consumo de biogás de 0.55 a 0.65 m3 / kWh, potencia nominal de 1200 W, potencia máxima de
1300 W, salida DC / AC 12V a 8.3 A, generador monofásico con motor de brocha, tiempo de
trabajo continuo no más de 6 horas.
Figura 2. 16 Generador eléctrico a base de biogás marca PUXIN. [Fuente: http://puxinbiogas.en.alibaba.com/product/321281767-202675376/soundproof_gas_genset.html - Julio 2010]
33
Quemadores
El uso calórico es una de las aplicaciones directas de la producción de biogás, el cual es utilizado
para calentar agua, alimentos, crías y cualquier fin que requiera este tipo de aplicación (después
de limpiarlo del CO2 contenido en el biogás). Debido al valor calórico que este posee, el cual es de
4700 a 5000 kcal/m3, salvo por el contenido de acido sulfhídrico (H2S), se puede considerar como
un combustible ideal. La aplicación de tipo calórico más común es la cocción de alimentos por
medio de quemadores (hornillas) y cocinas, calentadores, etc. como los que se muestran a
continuación.
o Cocina de dos quemadores a base de biogás
Marca Shenzhen Puxin Science & Technology Co., Ltd. (Fig.2.17), con una carga calorífica de 2.8
KW, una taza de consumo de biogás de 0.45 m3/h para cada quemador, una eficiencia del 57% y
una presión de entrada del biogás de 1600 Pa.
Figura 2. 17 Cocina a base de biogás marca PUXIN. [Fuente: http://puxinbiogas.en.alibaba.com/product/319429852-202675376/biogas_stove.html - Julio 2010]
o Arrocera a base de biogás
Marca Shenzhen Puxin Science & Technology Co., Ltd. (Fig. 2.18), con una carga calorífica de 1.0
KW, una tasa de consumo de biogás de 0.14 m3/h, fuerza de compresión de 1600 Pa y capacidad
de cocción de 1.6 Kg de arroz.
34
Figura 2. 18 Arrocera a base de biogás marca PUXIN. [Fuente: http://puxinbiogas.en.alibaba.com/product/322121983-202675376/rice_cooker_using_biogas_methane_.html - Julio
2010]
Calentador
Calentador a base de biogás marca Shenzhen Puxin Science & Technology Co., Ltd. (Fig. 2.19),
con capacidad de calentamiento para habitaciones desde 6 hasta 9 m2, el diámetro exterior del
calentador es 28 cm y una taza de consumo de biogás de 0.3 m3/h.
Figura 2. 19 Calentador a base de biogás marca PUXIN. [Fuente: http://puxinbiogas.en.alibaba.com/product/292574697-202675376/biogas_room_heater.html - Julio 2010]
Lámparas
La iluminación también se ha convertido en una opción para aplicaciones del biogás, a
continuación se presenta una lámpara a base de biogás con encendido electrónico marca
Shenzhen Puxin Science & Technology Co., Ltd. (Fig. 2.20) la cual es equivalente a un foco
incandescente de 60 a 100W y con un consumo de biogás de 0.07 m3/h.
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Figura 2. 20 Lámpara a base de biogás marca PUXIN. [Fuente: http://puxinbiogas.en.alibaba.com/product/320306019-0/Biogas_lamp_with_electronic_fire_maker.html - Julio 2010]
Microturbinas
Las microturbinas son uno de los tipos de aplicaciones para el biogás más recientes, son prácticas,
un recurso renovable muy innovador y eficiente en la generación de energía eléctrica, con los que
se obtiene bajas emisiones de gases de efecto invernadero, poca contaminación de ruidos y bajo
costo de mantenimiento, como la que se muestra a continuación.
Microturbina marca Capstone modelo C30, un sistema ultra liviano que consiste en un compresor,
un recuperador, cámara de combustión, la turbina y el generador (Fig.2.21), que provee arriba de
30 KW y 85 KW de calor para aplicaciones combinadas de generación de energía eléctrica y calor
a 96,000 rpm, una eficiencia de 26% ±2 (@ 15° C y al nivel del mar), con un consumo de 1.42 m3
de biogás /kWh , frecuencia variable de 50 / 60 Hz, trifásico AC, el sistema no utiliza ningún tipo de
lubricante ya sea aceite o refrigerante.
36
Figura 2. 21 Micro turbina Capstone C30. [Fuente: http://www.energiadistribuida.com/documents/es/30kw-biogas-enedis.pdf - Julio 2010]
37
CAPÍTULO 3: DESCRIPCIÓN DE LA UTILIZACIÓN DEL BIOGÁS EN EL SALVADOR
En El Salvador existen diferentes empresas y organizaciones que han implementado la utilización
del biogás dentro de sus procesos o actividades. A continuación se mostrarán las experiencias de
cada una de ellas.
3.1 Industrias La Constancia
Industrias La Constancia una empresa subsidiaria de SABMiller, líderes en la producción de
bebidas en El Salvador y a nivel mundial, las cuales incluyen agua envasada, bebidas
carbonatadas, jugos, néctares, isotónicos y cervezas. Dicha empresa, con la finalidad de reducir el
efecto de contaminación de las aguas residuales debido al proceso de elaboración cervezas,
instaló en el año 2008 una planta de tratamiento de aguas residuales con dos fines: uno, el ya
mencionado tratamiento de aguas residuales y el otro, la generación biogás, el cual es utilizado
como combustible para las calderas dentro de la planta.
La materia prima la cual es el agua a tratar, proviene de varios procesos que se realizan en la
elaboración de la cerveza dentro de la planta. Estas aguas contienen ciertos porcentajes de
levaduras, polvos e inclusive materia orgánica vegetal (hojas). El agua proveniente de los procesos
llega a la planta de tratamiento por tuberías de acero inoxidable, por medio de la gravedad, las
cuales se almacenan en un pozo conocido como estación de bombeo, y en la cual se poseen dos
bombas sumergidas que transportan el influente hacia una criba automática, en la cual, por medio
de un proceso de filtrado (Tamizado), se separan todas las partículas sólidas mayores a 1 mm de
diámetro. Dichos sólidos son removidos y llevados a un relleno sanitario. Una vez el influente es
filtrado, se transporta por gravedad al siguiente proceso llamado proceso anaeróbico.
3.1.1 Proceso de operación
En el proceso anaeróbico de digestión dentro de la planta, existen tres etapas las cuales se
desarrollan en un ambiente completamente anaeróbico, para que así se pueda dar la
descomposición de la materia orgánica, generándose de esta forma el biogás. El proceso inicia en
el tanque o pila de homogenización y una vez completado este proceso, la materia orgánica pasa
al segundo tanque, llamado también acidificador natural. Acto seguido, el agua pasa al tercer y
último tanque también conocido como reactor.
38
A continuación el detalle de cada una de las etapas del proceso anaeróbico:
Pila de homogenización (Primer Tanque)
Debido a que las aguas provenientes del proceso de filtrado (tamizado) contienen elevados valores
de acidez (pH), es necesario neutralizar dichos valores y llevarlos a un rango de equilibrio que
oscila entre 7.0 y 7.5 en la pila de homogenización, la cual posee una capacidad de 1200 m3 (fig.
3.1)
Figura 3. 1 Pila de homogenización. [Fuente: Imagen propia, Planta de tratamiento de aguas residuales Industrias La Constancia, El Salvador]
Para realizar el proceso de homogenización, este se lleva a cabo mediante una dosificación
automática en la cual un sensor y un medidor de pH miden el grado de acidez de forma continua y
automática a través de un PLC, el cual al detectar un grado de acidez fuera del rango establecido,
inyecta al tanque Soda Cáustica, sí se trata de un valor de pH superior al rango establecido. En
caso contrario, inyecta ácido clorhídrico. El tiempo de retención para la pila de homogenización
oscila entre 24 a 27 hrs.
Acidificador natural
Una vez trasladado el influente del tanque de homogenización al acidificador natural (fig. 3.2), éste
es llevado a ciertas condiciones para que las bacterias acetogénicas, las cuales son las
encargadas de comenzar la descomposición anaeróbica, puedan descomponer la materia orgánica
39
y así poder generar biogás. Dicha descomposición toma el nombre de hidrólisis, y consiste en una
transformación a nivel microscópico de las cadenas largas carboxílicas, las cuales mediante dicho
proceso, se transforman en cadenas cortas carboxílicas, creando con dicha reacción ácido
acético. El tanque o acidificador natural posee una capacidad de 550 m3 y con un tiempo de
retención de aproximadamente 13 hrs.
Figura 3. 2 Acidificador natural. [Fuente: Imagen propia, Planta de tratamiento de aguas residuales Industrias La Constancia, El Salvador]
Reactor anaeróbico
El tercer tanque también conocido como reactor anaeróbico es donde se da la última etapa del
proceso de descomposición de las bacterias en ausencia de oxigeno, y es en esta última etapa del
proceso en donde se da la generación de biogás. Dentro del reactor existen dos etapas, una
llamada etapa de carga alta y la otra llamada etapa de carga baja. Dicho tanque posee una
capacidad de 750 m³ y la retención dentro de la misma toma 19 hrs. (Fig. 3.3)
40
Figura 3. 3 Reactor anaeróbico. [Fuente: Imagen propia, Planta de tratamiento de aguas residuales Industrias La Constancia, El Salvador]
3.1.2 Producción y utilización del biogás
La capacidad de producción de biogás que tiene el digestor es de 700 m3 entre los tres tanques del
mismo y se estima que existe una producción mensual de 15,000 m3 de biogás.El biogás producido
se utiliza en la planta como combustible de calderas, para generar vapor que sirve en procesos
como pasteurización de la cerveza, cocimiento de ingredientes de la cerveza, esterilización de
equipos, etc. Con el uso del biogás, se reduce el consumo de fuel oil como combustible en un 10%
anual. En materia eléctrica, estos ahorros se han hecho tangibles al pasar de consumir 21.9
kilovatios de energía por cada 100 litros de cerveza, a 9.83 kilovatios por la misma cantidad de
producto. [Revista Summa, http://www.revistasumma.com/rse/3362-la-constancia-ha-reducido-en-
300-sus-emisiones-de-carbono.html, Julio 2010]
3.1.3 Caracterización de dispositivos de la planta
En El Salvador, la planta de tratamiento de aguas residuales de ILC es la más completa e
innovadora en materia de tecnología para el manejo, monitoreo y transporte del biogás, ya que
toda esta se maneja automáticamente mediante el uso de dispositivos lógicos programables (PLC),
los cuales llevan un monitoreo continuo del estado de funcionamiento de la planta por medio del
control y regulación de variables tales como el pH, temperatura y presión. También estos
dispositivos lógicos programables tienen entre sus tareas la activación o desactivación de
dispositivos de manejo y seguridad en la planta.
41
Dispositivos de manejo
Tuberías: De acero inoxidable para el transporte del influente. En el transporte del biogás se
utilizan tuberías de polietileno de alta densidad.
Bombas: Para la recirculación del flujo en los tres tanques del digestor. (Fig. 3.4)
Figura 3. 4 Banco de bombas. [Fuente: Imagen propia, Planta de tratamiento de aguas residuales Industrias La Constancia, El Salvador]
Medidor de flujo de biogás: Para medir la cantidad de biogás producido en el digestor y que se
está enviando a la planta para su uso en la caldera. (Fig. 3.5)
42
Figura 3. 5 Medidor de flujo del biogás generado. [Fuente: Imagen propia, Planta de tratamiento de aguas residuales Industrias La Constancia, El Salvador]
Blowers (sopladores): La función de los sopladores es enviar el biogás producido en el digestor
hacia la caldera. (Fig. 2.4)
Dispositivos de seguridad
Válvulas de Alivio: Se utilizan para evitar la sobrepresión en las dos últimas etapas del proceso
anaeróbico, es decir en el acidificador natural y el reactor. (Fig. 3.6)
43
Figura 3. 6 Válvula de alivio. [Fuente: Imagen propia, Planta de tratamiento de aguas residuales Industrias La Constancia, El Salvador]
Antorcha: Se utiliza para quemar el biogás en exceso producido cuando la presión generada por
el biogás dentro del digestor se eleva. (Fig. 2.13)
Arresta Llama: La antorcha cuenta con un dispositivo de seguridad llamado “arresta llama”, el cual
evita que la llama se propague hacia adentro del digestor en caso de ocurrir un accidente, y esta se
encuentra ubicada delante de la tubería de la antorcha. (Fig. 2.14)
3.2 Beneficio Atapasco
El Beneficio Atapasco, perteneciente al grupo CAFECO S.A. de C.V., se dedica al procesamiento
de café de exportación. Dicho Beneficio está ubicado en las afueras del municipio de
Quezaltepeque, departamento de La Libertad. Desde el año 2000 han implementado medidas
orientadas al aprovechamiento de los productos excedentes así como de los productos de
desperdicio del procesamiento del café (transformación del grano uva en grano oro de café), todo
esto enfocado en la minimización de los impactos ambientales ocasionados por la liberación de
estos desechos que son nocivos para el medio ambiente. Con el propósito de tratar las aguas
residuales (aguas mieles) que se generan, dicho beneficio construyó un reactor tipo UASB (Upflow
Anaerobic Sludge Blanket), el cual entró en funcionamiento en la temporada 2000-2001 (Fig. 3.5).
Originalmente el reactor fue construido con el único fin de tratar las aguas de procesos y no
concibió la utilización del biogás, producto del proceso anaeróbico del mismo. Hoy en día, en busca
44
de mejorar la eficiencia energética del beneficio, se ha proyectado la utilización del biogás en los
procesos de producción, para lo cual se han considerado dos opciones: Generación de energía
eléctrica y utilización del biogás como combustible para la generación de vapor en las calderas.
Figura 3. 7 Vista general del reactor Beneficio Atapasco [Fuente: European Union meets Latin America – http://www.eep-ca.org/forums/documents/foroIII/Sistema.pdf - Julio 2010]
Luego del proceso de tratamiento, el agua una vez que ha sido retenida por aproximadamente
ocho horas, se libera en un estanque adyacente al reactor, el cual se utiliza para riego. Los
valores de acidez (pH) que se manejan en el influente oscilan entre 4 y 11 unidades, y los cuales
son modificados (en caso de ser necesario) mediante la añadidura de Hidróxido de Sodio (NaOH).
En el efluente los valores de acidez que se encuentran oscilan entre 6.5 y 7.20 unidades. El agua
obtenida luego del proceso de tratamiento se almacena en un estanque aledaño y sirve como
medio de riego en época seca.
3.2.1 Proceso de operación
El reactor UASB (Fig. 3.6) construido en el Beneficio Atapasco, es un tipo de reactor anaeróbico
tubular que opera en régimen continuo y en flujo ascendente, es decir el influente entra por la
parte inferior del reactor, atraviesa todo el perfil longitudinal, y sale por la parte superior. Dichos
reactores son típicamente adecuados para tratar aguas residuales con contenido de partículas
mayores a 0.75 mm. La eficiencia de remoción del Biorreactor es del orden del 89 al 95.74%, el
cual es generado como biogás.
45
[European Union meets Latin America on Renewable Energy, http://www.eep-
ca.org/forums/documents/foroxi/graciela_cortez.pdf, Julio 2010]
Figura 3. 8 Esquema de reactor tipo UASB. [Fuente: Imagen propia]
El agua resultante de los procesos de producción, es agua que ha sido utilizada en el lavado de
grano y despulpado, debido a esto, el agua de desecho tiene alta concentración de residuos
orgánicos y mieles. Para mantener la temperatura adecuada en el reactor, se aprovecha la
energía liberada en las calderas mediante un flujo de agua proveniente de un intercambiador de
calor de placas, que transfiere calor del vapor utilizado en las calderas al agua residual, con el fin
de crear un ambiente adecuado para las bacterias anaeróbicas, obteniendo así un mejor
rendimiento en la producción de biogás. Dicha agua pasa directamente de la zona de producción a
una serie de piletas que brindan un tratamiento previo al agua, antes de que esta pase al reactor.
El agua pasa, luego de este previo tratamiento, al reactor, donde es retenida por un lapso de 8
horas, en el cual se produce la degradación de la materia contenida en el agua, por medio de las
bacterias anaeróbicas. Esto da lugar a la aparición de gas metano dentro de la misma. La tubería
de carga del reactor se encuentra ubicada en la parte inferior de la estructura, lo que asegura un
flujo ascendente de materia, el cual se da de manera lenta y turbulenta, y el cual al llegar a la parte
superior forma una capa de lodo que sirve como tapadera hermética. El manto de lodos se
compone de gránulos o partículas. Dichos gránulos asimismo, son agregados de microorganismos
anaerobios, que son los responsables, en parte, del proceso de tratamiento. El gas producido bajo
estas condiciones, también provoca turbulencia lo que ayuda a la recirculación interna y en la
formación y mantenimiento de las partículas biológicas.
Manto de lodos
CampanasGas metano
Agua de tratamiento
influente
Quemador
46
3.2.2 Producción y utilización del biogás
Existen unos dispositivos en forma de campana, dentro del reactor, lugar en el cual se acumula el
gas metano que se produce por la reacción anaerobia. El gas producido, pasa por tuberías desde
la campana hacia las tuberías de extracción del biogás, las cuales también pasan por un sistema
de trampeo hasta que finalmente se le lleva hacia la antorcha donde es quemada. El proceso de la
quema de gas, es un proceso automatizado. La antorcha es controlada mediante un PLC (LOGO®)
y este permite que el gas se extraiga del reactor cada diez minutos, quemándolo durante dos
minutos.
Durante la temporada 2006-2007, fueron tratados 11,621.12 m³ de agua, produciendo un total de
29,075.20 m³ de biogás [European Union meets Latin America on Renewable Energy,
http://www.eep-ca.org/forums/documents/foroxi/graciela_cortez.pdf, Julio 2010]. En total, en el
biodigestor del Beneficio Atapasco se producen en promedio entre 31,000 y 32,000 m³ de biogás
por año mediante el tratamiento de 11,000 a 13,000 m³ de agua residual. Actualmente el biogás
producido se quema como medida de seguridad contra sobrepresiones en el reactor,
desperdiciando esta fuente de energía que bien podría utilizarse para otros fines.
3.2.3 Caracterización de dispositivos de la planta
Los dispositivos de seguridad con los que cuenta el beneficio Atapasco, son los siguientes:
Antorcha: Quema el gas producido dentro del reactor, y evita sobrepresiones en el
mismo.
Arrestador de llama: Utilizado para cortar el flujo de gas cuando existe el peligro de una
combustión no controlada
Cilindro de trampeo: Para evitar que la llama se expanda a través de la tubería en dado
caso haya una combustión descontrolada.
3.3 Biodigestor Granja San José
La granja San José está ubicada en el km 63 de la carretera que conduce a San Isidro y
Sensuntepeque. Ha sido financiado por la Alianza en Energía y Ambiente para Centroamérica
[SICA, http://appext.sica.int/eepbiWEB/viewProject.jsf?projectId=23, Julio 2010], y consistió en la
47
construcción de tres biodigestores de iguales dimensiones que se utilizarían para el tratamiento de
las excretas de los cerdos provenientes de la granja ya mencionada, por lo que previamente fueron
dimensionados para ajustarse a la disponibilidad y producción de las excretas porcinas, así como
a la topografía del lugar de construcción. El diseño pertenece al Arq. Guatemalteco Manuel Tai.
(Fig. 3.7)
Figura 3. 9 Granja San José. [Fuente: SICA http://appext.sica.int/eepbiWEB/viewProject.jsf?projectId=23 – Julio 2010]
Los tres biodigestores se construyeron en base a los siguientes criterios: facilidad de construcción,
su principio de funcionamiento se debería de basar en el desplazamiento de la materia (cerdaza y
otros residuos orgánicos) por medio de la gravedad, la instalación al fondo de los digestores, de
lagunas de oxidación para los efluentes, funciones de operación y mantenimiento sencillas, costos
bajos y largo tiempo de vida útil. Habiéndose evaluado todos estos aspectos y realizados todos los
estudios y mediciones se construyeron los tres digestores cada uno de manera individual pero
conectados por el sistema de alimentación y por la tubería de recolección de biogás.
48
Figura 3. 10 Conjunto de biodigestores de Granja San José. [Fuente: SICA http://appext.sica.int/eepbiWEB/viewProject.jsf?projectId=23 – Julio 2010]
Cabe mencionar que el suelo donde se construyeron los digestores es rocoso y duro, lo que a su
vez permitió seguridad en el soporte del suelo respecto al peso de los tres biodigestores. Las
condiciones ambientales de la localidad son óptimas para la generación de las bacterias que inician
el proceso de descomposición de la materia orgánica. Los tres biodigestores se construyeron de
concreto reforzado.
3.3.1 Proceso de operación
Por cuestiones de diseño se asume que el tipo de flujo al interior del digestor es de tipo pistón, es
decir que la materia nueva, fresca y diluida que entra al digestor diariamente por medio de las pilas
de carga desplaza a la materia que ya se encuentra dentro, y que dicha materia se mantiene
dentro un tiempo de retención previamente calculado.
Cumplido este tiempo de retención, el material ya tratado sale diluido y en principio arrastra todo
tipo de material solido en suspensión, por lo que se puede observar en la pileta de descarga la
formación de natas no deseadas. Luego el efluente en forma líquida, sale por unas tuberías
instaladas a un constado de la pileta de descarga. El material solido sedimentado que se almacena
en el fondo del digestor es removido periódicamente de forma manual.
Cada uno de los biodigestores están diseñados con 7 piletas de carga simétricamente distribuidas,
un tanque de fermentación donde se da la metalogénesis y una pileta de descarga por donde sale
el efluente, cada uno con capacidad para almacenar 239.20 m3 de materia orgánica y con una
49
capacidad de carga total de la planta (los tres biodigestores) de 717.60 m3. El volumen útil para la
producción de biogás es de 160 m3.
3.3.2 Producción y utilización del biogás
La geometría del digestor permite el almacenamiento interno de biogás en su cúpula superior por
medio del principio de funcionamiento, llamado sistema de niveles basculantes. Esto significa que
la misma cantidad en volumen de biogás que se produce es igual a la cantidad de materia que se
desplaza en las piletas de carga y descarga. Esta diferencia de niveles es la que produce la
presión que ayuda a evacuar al biogás generado en el digestor. Al interior del digestor se puede
almacenar una cantidad de 24 m3 de biogás, a una presión máxima de 0.85 m de columna de agua
es decir 1.18 psi.
Esta presión es la suficiente para transportar el biogás a través de distancias que oscilan entre los
200 y 250 m, evitando caídas de presión causadas por tuberías y accesorios.
La cantidad total de biogás generado oscila entre 0.65 – 1.1 m3 de biogás / m
3 de digestor diario.
En toda la planta se genera un estimado de 240 m3 de biogás.
El biogás producido en los tres biodigestores se utiliza directamente en quemadores para
aprovechar su calor de combustión, o en otras aplicaciones con fines calóricos, tales como estufas
de cocinas, quemadores industriales y calentadores, así como en lámparas para iluminación.
En las granjas porcinas, como la Granja San José, se han planteado opciones viables para el uso
del biogás. Una de las principales es el aprovechamiento en el calentamiento de lechones en el
área de maternidad, lo cual consiste en mantener por medio del biogás, quemadores para calentar
el área en donde se encuentran los cerdos recién nacidos.
3.4 Biodigestor Hacienda Miravalle
El biodigestor Miravalle se encuentra ubicado en la Hacienda del mismo nombre, cantón El
Rosario, Municipio de El Porvenir, Santa Ana (Fig. 3.9). Fue construido en el año 2008, financiado
por el Gobierno de Finlandia en asociación con la Alianza en Energía y Ambiente para Centro
América, con una capacidad proyectada de15 kW, utilizando como materia prima estiércol de
ganado bovino. El biodigestor fue diseñado y construido en base a criterios de norma antisísmica.
Cuenta con una sección de 9.8 x 7.2 m, con 6 cámaras de carga a efecto que el material sea
distribuido uniformemente en el reactor. Posee una zona efectiva de reacción de 170 m3
aunque la
50
estructura original contaba con una zona de descarga aproximada de 61.6 m3 para la acumulación
del material previamente tratado en el digestor. El fondo del reactor posee una pendiente del 25%,
diseñado así para poder dar circulación al fluido.
Figura 3. 11 Vista general del digestor Hacienda Miravalle. [Fuente: Imagen propia, Planta Bioeléctrica Miravalle]
De los 170 m3 del reactor aproximadamente 130 m
3 son destinados a la mezcla de agua-estiércol,
mientras que los 40 m3 restantes es espacio destinado para la acumulación de biogás. Parte de la
estructura del biodigestor se encuentra enterrada, posee una sección de 2.40 m bajo el nivel del
terreno natural y 2.90 m sobre el nivel del suelo. Las paredes del digestor fueron construidas por
bloques de cemento de 20x20x40 cm, utilizando hierro normado para su construcción. La cúpula
del digestor es de losa armada, del cual en la parte superior está colocada la tubería de extracción
del biogás, la cual es de PVC de 3 pulgadas de diámetro. La hacienda Miravalle cuenta en
promedio con 120 cabezas de ganado lechero, las cuales producen aproximadamente 5.0 m3/día
de estiércol, el cual sirve de materia prima para la mezcla que se ingresa a diario al digestor.
Las dimensiones del digestor se muestran en la Fig. 3.10
3.4.1 Proceso de operación
Adicional al diseño previamente detallado, se construyeron cámaras de mezclado o piletas de
mezcla, las cuales sirven para fluidificar estiércol antes de ingresarlo a la cámara de carga. Se le
han instalado también tuberías para la agitación del fluido. A un costado del digestor se encuentra
51
ubicada la caseta de máquinas que consta de la bomba para la mezcla y llenado del digestor, el
generador, filtros de biogás, manómetros y tubería del biogás.
El estiércol es recogido y conducido hacia la cámara de mezclado o piletas de mezcla situadas a
un costado del digestor. Allí el estiércol es mezclado con agua, la cual es bombeada desde un
pozo a la pileta; la mezcla es pasada por 3 rejillas con el fin de evitar que basura, piedras o que el
estiércol pastoso pase de la cámara de bombeo hacia el digestor.
El diseño del digestor pretende crear dentro de él un ambiente anaeróbico (ausencia de oxígeno),
para la creación del biogás. En un principio el estiércol utilizado para la carga fue semi-sólido, de
consistencia pastosa, pero debido a problemas generados en el biodigestor, posteriormente se hizo
más líquida dicha mezcla.
La carga del digestor se realiza por medio de una motobomba con tubería de salida de diámetro
de 3 pulgadas con lo cual se bombea la mezcla hasta las cámaras de carga de forma que se
alternen las 6 existentes. Al interior del tanque la movilización de la materia orgánica se hace por
gravedad el cual, el material que va ingresando a diario va empujando al material que se encuentra
dentro del reactor, logrando así, su salida a la pileta de descarga ya cuando la materia orgánica ha
sido tratada y ha producido biogás. Dicho producto de salida se ocupa para riego en la zona. La
Fig. 3.11 muestra un esquema del funcionamiento del Biodigestor Miravalle.
52
Figura 3. 12 Dimensiones del Biodigestor Hacienda Miravalle [Fuente: imagen propia]
53
El biogás producido es extraído por las tuberías de PVC situadas sobre la losa superior del
digestor, el cual posteriormente es dirigido hacia los filtros instalados en el cuarto de máquina y
posteriormente el uso que se le pretende dar al biogás es para la generación eléctrica, para lo cual
ya se cuenta con el generador.
Figura 3. 13 Detalle del funcionamiento del digestor tipo Tai. [Fuente: Imagen propia]
3.4.2 Producción de biogás y utilización
En 2008 se realizó la primera carga de prueba, a efectos de verificar la producción del biogás,
constatando así filtraciones, fugas, problemas con la mezcla (ya que se introdujo demasiado
pastosa y formó una capa gruesa que impedía la liberación de biogás) así como producción de
biogás. Para el mes de Febrero del año 2009 se realizó una segunda carga de prueba para la cual
las paredes ya habían sido impermeabilizadas. Se introdujo la mezcla más fluida, sin embargo,
siempre se obtuvo el problema de formación de nata la cual impedía que el gas emanara hasta la
cúpula del digestor. La tercera carga de prueba fue realizada en Septiembre del año 2009, la cual
fue realizada únicamente con agua (sin estiércol) con el fin de verificar las presiones y fugas en el
tanque, comprobando así la pérdida rápida de las presiones alcanzadas dentro del digestor;
observando además que el nivel del agua bajaba y no se mantenía estable.
Con dichas observaciones se realizó el vaciado del biodigestor, constatando diversos problemas:
- En el lugar donde está construido el biodigestor, el nivel del manto freático se encuentra
cercana a la superficie, por lo que el digestor presentaba ingreso de agua proveniente del
manto debido a grietas localizadas en la losa del piso.
- Se determinaron puntos de goteos tanto en las paredes como en el piso.
54
A partir de esto se realizó una intervención total a la estructura del biodigestor, resanando los
diversos puntos donde se tenían problemas. Para sellar el ingreso de agua al interior del tanque, se
utilizó cemento especial de fraguado instantáneo. Además a todas las esquinas del tanque se les
hizo biseles. Todos estos cambios fueron tratados con impermeabilizante químico, lo cual después
de 3 semanas se le aplicó el mismo tratamiento químico garantizando así el sellado total del
tanque.
Se realizaron otras modificaciones aparte del resanando y la impermeabilización, las cuales fueron:
- Se redujo el tamaño de la cámara de descarga, a 1/3 del tamaño original. Dicha
modificación se realizó ya que se consideró que el tanque tenía un exceso en el tamaño, lo
cual tenía un efecto negativo en el tiempo de retención de la mezcla, ya que no se retenía
dentro del digestor.
- Otra modificación realizada fue la eliminación de dos de las tres ventanas de comunicación
entre el reactor y la cámara de descarga, debido a que se redujo la cámara de descarga
proporcionando un mayor tiempo de retención en el reactor.
En Enero de 2010 se realizó la cuarta carga de prueba del biodigestor, para la cual se utilizó agua
limpia para cargarlo, con esta prueba se constató que se eliminó la filtración del agua, así como el
goteo por las paredes. Sin embargo siempre se dio la pérdida rápida de presión en el interior del
tanque. Además en dicha prueba se constató la pérdida en el nivel de agua del reactor y fugas en
las tuberías de salida del gas del biodigestor, ubicadas en el techo del mismo.
3.4.3 Análisis químicos efectuados en Biodigestor Hacienda Miravalle
A continuación presentamos los resultados de los análisis de pH, DQO y sólidos grasos realizados
a las muestras de influente y efluente, los cuales se realizaron en las instalaciones de DIMMA S.A
de C.V.
Análisis del influente y efluente
Tabla 3. 1 Valores obtenidos en los análisis del día 14 de Mayo de 2010 en el Biodigestor Hacienda Miravalle. Influente [Fuente: DIMMA S.A. de C.V.]
PARÁMETRO VALOR UNIDAD RANGO DE
MEDICIÓN METODO UTILIZADO INCERTEZA
pH 7.22 - 1 - 14 Electrodo Selectivo ± 0.05
DQO 792.00 mg/l 500 – 10,000 MERCK SQ 112 ± 2 mg/l
Ácidos Grasos 73.01 mg/l - Método Kapp -
55
Tabla 3. 2 Valores obtenidos en los análisis del día 14 de Mayo de 2010 en el Biodigestor Hacienda Miravalle, Efluente [Fuente: DIMMA. S.A. de C.V.]
PARÁMETRO VALOR UNIDAD RANGO DE
MEDICIÓN METODO UTILIZADO INCERTEZA
pH 7.98 - 1 - 14 Electrodo Selectivo ± 0.05
DQO 4,234.00 mg/l 500 – 10,000 MERCK SQ 112 ± 2 mg/l
Ácidos Grasos 70.55 mg/l - Método Kapp -
De acuerdo a los resultados obtenidos en los análisis realizados en el Biodigestor Miravalle se
pueden inferir varias cuestiones. Los valores de pH obtenidos en Miravalle, muestran un
incremento en el valor del pH de un punto a otro del digestor (del influente al efluente), lo cual nos
da la idea de un leve incremento de la actividad biológica. Sin embargo, dicho incremento en la
actividad es aún insuficiente para poder decir que existe una significativa degradación de la
materia, que puede ser digerida por las bacterias metanogénicas y que por consiguiente se
convierte en biogás.
Los resultados de los valores de DQO muestran un descenso significativo, y lo cual indica la
presencia de biomasa activa que está removiendo carga orgánica estática, pero de una manera
esporádica cuando debería ser en flujo continuo.
Los resultados de ácidos grasos no muestran variaciones significativas, y confirman que el proceso
de hidrólisis-acidificación-metanogénesis no se logra completar, quedándose tan solo en la
acidificación, que es el paso intermedio entre la hidrólisis y la generación de biogás.
3.4.4 Mejoras realizadas en Biodigestor Hacienda Miravalle
Cuando se comenzó con el proceso de caracterización del digestor Miravalle, aun no se poseía
producción de biogás, pero se están haciendo los esfuerzos para lograr la generación de biogás,
ya que se considera que la granja tiene un gran potencial para la producción dado que posee
materia prima en abundancia. Además, la obra civil del digestor reúne las condiciones de
operación necesarias, debido a que se realizaron una serie de mejoras que se detallan a
continuación.
56
Monitoreo y análisis de parámetros Biodigestor Hacienda Miravalle
La primera medida que se implementó fue el monitoreo de parámetros de la materia orgánica a
descomponer, en este caso estiércol de vaca. Entre las pruebas realizadas fueron DQO, pH y
ácidos grasos, todo con la ayuda de la empresa DIMMA S.A de C.V, en donde se realizaron los
análisis de las muestras. Estos análisis ayudaron a determinar que se estaba ingresando
demasiada carga orgánica al digestor, debido a que la mezcla se encontraba demasiado sólida,
motivo por el cual probablemente el digestor no se encuentre produciendo biogás. Además del
resultado de la prueba del DQO, se observa que la materia orgánica que sale digestor no se
degrada. Motivo por el cual no se produce exitosamente biogás. Esta última puede estar
estrechamente ligada con el tiempo de retención hidráulico que se le dio al digestor.
Instalación de gasómetro Biodigestor Hacienda Miravalle
En el biodigestor de la Hacienda Miravalle se deseaba la estimación de la cantidad de biogás que
el digestor podría generar. Para tal motivo, la toma de biogás se realizó en la línea principal del
biogás, entre el digestor y el filtro de acido sulfhídrico. La tubería de donde se instaló la derivación
es tubería de PVC de ½” de diámetro. Para derivar el flujo de biogás se instaló una derivación en T
de ½”, de la cual sale la tubería que transporta el biogás al gasómetro. Luego en la línea principal
de donde se hizo el arreglo, se colocó una válvula de bola de ½” para obligar el paso del biogás al
gasómetro. Una vez almacenado el biogás, se utiliza cuando se desee y este se evacua del
gasómetro por el peso muerto el barril (Fig. 6.5)
57
Figura 3. 14 Gasómetro instalado en Hacienda Miravalle. [Fuente: Imagen propia, Planta Bioeléctrica Miravalle]
Manuales de operación y mantenimiento de Biodigestor Hacienda Miravalle
Los manuales se elaboraron con la finalidad de hacer sistemático y ordenado el proceso de
operación de la planta, en particular el proceso de precarga del digestor y así poder comenzar la
generación del biogás. Este proceso comienza desde la buena selección del estiércol, la mezcla o
proporción adecuada del influente, el tiempo de retención hidráulico hasta la utilización del biogás,
así como el proceso de mantenimiento de la planta para mantener su operatividad y alargar el
tiempo de vida útil. El manual de operación se encuentra detallado en la sección 4.3.
Metodología para el proceso de precarga de Biodigestor Hacienda Miravalle
Para lograr la generación de biogás, es necesario crear las condiciones óptimas de generación al
interior del digestor, lo cual lleva un procedimiento gradual orientado a lograr el equilibrio entre la
cantidad de materia que se ingresa al digestor, y lo necesario que la degradación de dicha materia
se realice de forma exitosa. Para esto se instauró un proceso de precarga del digestor de forma
sistemática y gradual. Este se comenzará a cargar con una proporción de 5 partes de agua por 1
de estiércol, por un período de 7 días. Luego, con una proporción de 4 partes de agua por 1 de
estiércol por los siguientes 7 días, hasta llegar a la proporción óptima de 3 partes de agua por 1 de
estiércol, la cual será la proporción de operación del digestor. También se recomendó utilizar el
agua del efluente para realizar la mezcla, ya que esta tiene propiedades que ayudan a la
58
degradación de la materia para generar el biogás, debido a que se encuentran inoculadas de
materias metanogénicas. La metodología que se implementó para este proceso es la siguiente:
Las piletas de carga del digestor se dividen en una de carga y otra de mezcla. Fue necesario medir
el volumen útil de la pileta de mezcla, de lo cual se obtuvo que el volumen es 3.83 m3. La altura
hasta donde se debe llenar de agua para lograr una mezcla bien proporcionada, es de 66 cm. De
ambos datos se partió para hacer la proporción en los tres casos.
o 5 partes de agua por 1 de estiércol
El volumen de estiércol a utilizar es de 0.766 m3. Luego es necesario determinar la altura necesaria
hasta donde se debe de llenar de estiércol la pileta de carga. Conocido ya el volumen, se
determina por medio de las dimensiones de la pileta de carga con la siguiente ecuación:
(Ec. 3.1)
Es decir para lograr una proporción de 5 partes de agua por una de estiércol, la pileta de carga
debe de estar llena de excretas hasta una altura de 0.3 m, mientras que la pileta de mezcla debe
de estar llena de agua a una altura de 0.66 m.
o 4 partes de agua por 1 de estiércol
El cálculo del volumen se realizó de la misma manera que en la sección anterior. Se sabe que el
volumen de estiércol equivale a 0.957 m3. Realizando el cálculo análogo
Es decir para lograr una proporción de 4 partes de agua por una de estiércol, la pileta de carga
debe de estar llena de excretas hasta una altura de 0.37 m, mientras que la pileta de mezcla debe
de estar llena de agua a una altura de 0.66 m.
59
o 3 partes de agua por 1 de estiércol
El cálculo del volumen se realizó de la misma manera que en la sección anterior. Se sabe que el
volumen de estiércol equivale a 1.27 m3. Realizando el cálculo análogo
Es decir para lograr una proporción de 3 partes de agua por una de estiércol, la pileta de carga
debe de estar llena de excretas hasta una altura de 0.49 m, mientras que la pileta de mezcla debe
de estar llena de agua a una altura de 0.66 m.
La Tabla 3.3 muestra los resultados para cada uno de los cálculos anteriores de forma resumida.
.
Tabla 3. 3 Alturas pileta de carga y mezcla correspondientes a cada proporción [Fuente: Elaboración propia]
Proporción
(Agua/Estiércol)
Altura pileta de carga (m)
“Estiércol”
Altura pileta de mezcla (m)
“Agua”
5/1 0.3m 0.66m
4/1 0.37m 0.66m
3/1 0.49m 0.66m
Capacitación del personal de operación y mantenimiento Biodigestor Hacienda
Miravalle
Luego de haber elaborado tanto los manuales de operación y de mantenimiento, y haber
establecido una metodología para el proceso de precarga y carga, se indicó a la persona que
estará a cargo de la operación del digestor el procedimiento para realizar cada una de las
operaciones según el manual de la planta. También se le indico que paralelo con el proceso de
precarga se debe llevar un control de variables tales como temperatura del digestor y pH, para lo
cual se elaboró una bitácora de monitoreo (Fig. 3.13), en la cual se indicará la fecha y la hora en
que se tomen los datos ya mencionados Esto lleva la finalidad de tener un historial del proceso de
estabilización del digestor en donde se busca la generación constante de biogás.
60
Figura 3. 15 Detalle de la bitácora de monitoreo de Biodigestor Hacienda Miravalle. [Fuente: Imagen propia]
3.5 Biodigestor ACASA – San Marcos Lempa
El proyecto nació como iniciativa de los habitantes del caserío Valle Nuevo, Cantón San Marcos
Lempa, Usulután, con el nombre de ACASA (Asociación Comunal Administradora del Sistema de
Agua de San Marcos Lempa), con la finalidad de mejorar las condiciones ambientales de los
lugareños por medio de la construcción de letrinas aboneras, sistemas de tratamientos de aguas
residuales e introducción de digestores plásticos. El proyecto fue financiado en mayor parte por
FIAES (Fondo de Iniciativa de Las Américas) y también por medio de aportaciones realizadas por
ACASA. (Fig. 3.12)
61
Figura 3. 16 Digestor artesanal ACASA - San Marcos Lempa. [Fuente: Imagen propia, ACASA, San Marcos Lempa]
El objetivo principal de la construcción de los digestores artesanales es evitar la contaminación
ambiental que generan las excretas de los cerdos así como también para evitar la tala de árboles
de donde se obtenía leña para utilizarla en la cocción de alimentos, esto debido a que la principal
aplicación del biogás generado es la cocción de alimentos.
3.5.1 Proceso de operación
La materia prima es el estiércol porcino. Los cerdos se encuentran en corrales individuales cada
uno y con piso de cemento para facilitar la recolección de las excretas y también para evitar que
estas se contaminen con tierra u otros agentes que puedan afectar el proceso de digestión
anaeróbica.
Una vez los cerdos defecan las excretas son removidas de los corrales hacia la pila de carga del
digestor con el uso de agua a través de una tubería subterránea y por medio de gravedad.
El proceso de digestión anaeróbico se da dentro de un digestor cilíndrico, elaborado de forma
artesanal por medio de una geomembrana plástica de color negro el cual mantiene la materia
orgánica a descomponer (Fig. 3.13). La materia orgánica que ingresa al digestor oscila entre las 4
a 5 lbs. de estiércol por día, más no se lleva un control del agua utilizada para el proceso. Tampoco
existe un tiempo de retención estipulado y no se lleva un control de la cantidad de biogás que se
genera ya que el proceso se da de manera artesanal.
62
Luego la materia orgánica que ya ha sufrido el proceso de descomposición anaeróbica es
desplazada dentro del digestor por la materia nueva que entra con la ayuda de una pendiente en el
piso del digestor la cual agudiza dicho efecto. Una vez desplazada pasa a la pila de descarga en
donde se acumula y se separan los lodos del agua. Por medio de una tubería subterránea, con
cierta inclinación, se evacua el agua de la pila de descarga hacia una laguna que se encuentra a
un lado del digestor, luego este efluente se utiliza como fertilizante.
Figura 3. 17 Digestor anaeróbico elaborado de geomembrana plástica. [Fuente: Imagen propia, ACASA, San
Marcos Lempa]
3.5.2 Producción y utilización del biogás
Una vez el biogás es generado este se transporta por tuberías tipo poliducto hacia el lugar en
donde se le da uso. El biogás generado no poseía ningún tipo de tratamiento para la eliminación
del dióxido de carbono (CO2) y el ácido sulfhídrico (H2S) por medio de filtros. El digestor cuenta con
un único dispositivo de seguridad, el cual consiste en una botella plástica llena con agua, la cual se
encuentra ubicada en la tubería de poliducto que transporta el biogás entre el digestor y el lugar de
uso del biogás. Esta funciona como válvula de alivio. En el momento que el digestor experimenta
una sobrepresión en el sistema ya que la generación del biogás es continua, el biogás en exceso
es liberado por medio de este arreglo.
Una vez el biogás es producido y transportado por tuberías de poliducto, este es utilizado para la
cocción de alimentos, la cual se realiza por medio de una hornilla elaborada de forma artesanal
(Fig. 3.14) y especial para la aplicación de biogás. Según los dueños del digestor, con el biogás
63
que se genera, se mantiene una llama encendida durante aproximadamente 20 minutos. Luego
que la reserva contenido en el biodigestor se ha agotado, deben esperar un promedio de una hora
para volver a hacer uso del biogás.
Figura 3. 18 Conjunto hornilla y válvula para el uso del biogás. [Fuente: Imagen propia, ACASA, San Marcos Lempa]
3.5.3 Análisis químicos efectuados en Biodigestor ACASA - San Marcos Lempa
Análisis del influente y efluente.
Tabla 3. 4 Valores obtenidos en los análisis realizados el día 12 de Junio de 2010 en San Marcos Lempa. [Fuente: DIMMA S.A. de C.V.]
PARÁMETRO VALOR UNIDAD RANGO DE
MEDICIÓN MÉTODO UTILIZADO INCERTEZA
pH 6.93 - 1 – 14 Electrodo Selectivo ± 0.05
DQO 4,179.00 mg/l 500 – 10,000 MERCK SQ 112 ± 2 mg/l
Ácidos Grasos 226.15 mg/l - Método Kapp -
Tabla 3. 5 Valores obtenidos en los análisis realizados el día 12 de Junio de 2010 en San Marcos Lempa. [Fuente: DIMMA. S.A. de C.V.]
PARÁMETRO VALOR UNIDAD RANGO DE
MEDICIÓN MÉTODO UTILIZADO INCERTEZA
pH 6.84 - 1 – 14 Electrodo Selectivo ± 0.05
DQO 431.00 mg/l 500 – 10,000 MERCK SQ 112 ± 2 mg/l
Ácidos Grasos 129.70 mg/l - Método Kapp -
64
Los valores de pH obtenidos en San Marcos Lempa muestran que el comportamiento del digestor
es constante y equilibrado, ya que el rango del mismo se encuentra en el valor neutro de la escala
de 0 a 14 que comúnmente se utiliza para medir la acidez o basicidad de una muestra. En este
caso en especial, se demuestra que la mezcla de salida de agua no es ácida, lo que se puede
inferir que el paso de la hidrólisis a la acidificación, así como a la posterior metanogénesis, se da
sin perturbación alguna.
Los valores de DQO son considerables en el influente, lo que demuestra que la mezcla que
alimenta el biodigestor es de muy buena calidad, pero hay que poner especial énfasis en el valor
de DQO en el efluente, ya que este demuestra una reducción porcentual de alrededor del 90% de
dicha materia degradable, lo que significa que las bacterias metanogénicas convierten en biogás la
mayoría de esta materia (4,179 unidades en el influente contra 431 unidades en la salida).
Los valores de ácidos grasos mostrados en el efluente, vienen a confirmar lo ya estipulado en los
resultados de pH obtenidos en San Marcos Lempa. No existe gran cantidad de ácidos grasos dado
que el valor del efluente es mucho menor que el del influente, lo que significa que la
metanogénesis se da en el biodigestor sin ningún tipo de perturbación.
Análisis del contenido de CH4 y CO2 del biogás en biodigestor ACASA – San
Marcos Lempa
Para analizar las cantidades respectivas de metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2) contenidas
en el biogás generado de la granja porcina de San Marcos Lempa (ACASA), se tomo una muestra
de biogás, la cual se obtuvo de la línea principal del biogás. Luego de haber tomado la muestra se
transportó al Laboratorio de Procesos del Departamento de Ing. Química de la UCA, en donde con
la colaboración de alumnos de dicha carrera se determinaron los porcentajes respectivos por
medio de la prueba BPM.
Primera Prueba:
Se tomó una muestra con la jeringa y se obtuvo un Volumen Inicial de 35 ml de biogás Se inyectó
el biogás en el recipiente sellado, el cual contiene una solución de Hidróxido de sodio (NaOH) la
cual actúa como filtro para la eliminación del CO2. Para lograr el proceso de filtrado, se agita el
recipiente por cuatro minutos y luego se extrae por medio de la misma jeringa un nuevo volumen
de biogás, el cual se encuentra filtrado y del cual se obtiene un volumen final de 27 mL de biogás.
Obtenidos estos resultados se calcularon los porcentajes de CH4 y de CO2 con la ecuación 3.3:
65
Luego por simple sustracción se obtiene el % de CO2 y otros contenidos:
Segunda prueba:
Se realizo el mismo procedimiento encontrando un Volumen Inicial de 44 ml de biogás y un
Volumen final de 34 ml de biogás. Luego se realizaron los cálculos respectivos y los resultados
obtenidos fueron los siguientes:
A continuación se presenta una tabla con dichos resultados:
Tabla 3. 6 Resultados del análisis de biogás Biodigestor ACASA – San Marcos Lempa. [Fuente: Elaboración propia]
Volumen Inicial(ml) Volumen final (ml) % de CH4 % de CO2 y otros
Prueba 1 35 27 77.15 22.85
Prueba 2 44 34 77.27 22.73
Con los resultados de dichas pruebas se puede decir que el biogás producido en la granja porcina
de San Marcos Lempa tiene un 77% de metano, de lo que se puede deducir que se trata de un
biogás de alta calidad.
Temperatura de llama
Para medir la temperatura de llama utilizamos un termómetro digital (Fig. 3.15), con un rango de
temperaturas de un rango de 0 a 2000°C y con el uso de una termocupla del mismo rango. Para
tomar la lectura de temperatura, simplemente se acerca la termocupla a la llama y en la pantalla
del termómetro digital se toma directamente el valor. Dicho valor fue de 581.0 °C y debido a las
condiciones de la localidad este valor difiere al ideal. (Condiciones ambientales al momento de la
toma de temperatura: 31°C, viento 2.1 m/s, humedad relativa 77.8%, Presión atmosférica 29.85 in
Hg). [SNET - http://www.snet.gob.sv/ver/meteorologia/monitoreo/tiempo+actual/ - Julio 2010]
66
Esto puede deberse en gran medida a la enorme humedad relativa que impera en la zona donde
se tomó la medición, además de que el biogás también contiene una cantidad considerable de
vapor de agua. Todo esto afecta el valor ideal de la temperatura de la llama obtenida en la
medición realizada, y que se puede esperar para un biogás con las cualidades que se han
encontrado en el biodigestor de San Marcos Lempa.
Figura 3. 19 Medición de temperatura de llama. [Fuente: Imagen propia, ACASA, San Marcos Lempa, El Salvador]
3.5.4 Mejoras realizadas en el Biodigestor ACASA - San Marcos Lempa
Cuando se comenzó el proceso de caracterización del digestor en el biodigestor San Marcos
Lempa, el digestor ya tenía alrededor de un año de estar operando y produciendo biogás de
manera constante y exitosa, pero identificamos ciertas mejoras que se podrían implementar ya que
no se contaba con ningún tipo de tratamiento para el biogás. Además, la generación de biogás era
abundante y el biogás que no se utilizaba por lo general se dejaba escapar al ambiente por medio
de la válvula de alivio. Así también se identifico que el proceso de carga no se realizaba bajo
ninguna metodología. Por lo cual se realizaron las siguientes mejoras:
67
Instalación de gasómetro en biodigestor ACASA - San Marcos Lempa
El gasómetro para San Marcos Lempa se instaló con la finalidad de estimar la cantidad de biogás
que este tipo de digestor (Digestor de geomembrana) puede producir y así llevar un control del
biogás producido. Dicho biogás se utiliza para la cocción de alimentos.
La instalación se realizó desde la línea principal del biogás, la cual es una tubería de poliducto de
¾”. Se colocó una bifurcación en T de PVC con un reductor a ½” para desviar el biogás hacia el
gasómetro. Para lograr esto, se colocó una válvula de bola de ¾” en la línea principal, la cual se
cerró para obligar el sentido del flujo. Una vez el biogás es almacenado en el gasómetro, se
conecta nuevamente a la línea principal de biogás para su utilización (Fig. 6.1)
Figura 3. 20 Gasómetro instalado en ACASA - San Marcos Lempa. [Fuente: Imagen propia, ACASA, San Marcos Lempa, El Salvador]
Con la instalación del gasómetro se obtuvo el almacenamiento extra de aproximadamente 0.71 m3
de biogás, con lo que se estimó un tiempo de cocción de alimentos de aproximadamente una hora.
Dicho tiempo se duplicó con la implementación del gasómetro.
68
Instalación del filtro para la eliminación del H2S
Una de las inquietudes que nos expresó la dueña del digestor en nuestras primeras visitas, fue la
incomodidad que causaba el olor a azufre que emanaba la llama al momento de cocinar los
alimentos, el cual al mezclarse con el olor de la comida les causaba malestar. Esto se debía al
contenido de H2S en el biogás el cual se busco disminuir con la implementación de un filtro de
virutas de hierro. El ANEXO B muestra los planos del referido filtro.
Para la instalación del filtro se hizo la toma desde la línea principal del biogás (Fig. 3.19), en donde
por medio de unos reductores de PVC se logró acoplar la tubería de PVC de 2 ¼” de diámetro, en
la que en su interior se rellenó con viruta de hierro (Fig. 3.20), la cual reaccionaria con el H2S. El
contenido de H2S podría haber estado generando corrosión en la válvula de accionamiento del
quemador y en el quemador mismo.
Figura 3. 21 Filtro para la eliminación del H2S instalado en ACASA - San Marcos Lempa. [Fuente: Imagen propia, ACASA, San Marcos Lempa, El Salvador]
69
Figura 3. 22 Proceso de ensamble de filtro de H2S. [Fuente: Imagen propia, ACASA, San Marcos Lempa, El Salvador]
Luego de haber instalado el filtro se observó rápidamente el cambio del color en la llama, la cual
sin filtro era de color amarillo, cambiando a una llama de color azul (Fig. 3.21). También se pudo
notar la diferencia debido a que se redujo considerablemente el olor característico del azufre en la
llama del quemador.
a) b)
Figura 3. 23 a) Color de llama antes de la instalación del filtro y b) Color de llama después de la instalación del filtro. [Fuente: Imagen propia, ACASA, San Marcos Lempa, El Salvador]
70
Manuales de operación y mantenimiento de la planta generadora de biogás ACASA –
San Marcos Lempa
Los manuales se elaboraron con la finalidad de hacer sistemático y ordenado el proceso de
generación de biogás, desde el proceso de selección del estiércol, pasando por la adecuada
mezcla en el influente, al tiempo de retención hidráulico y la utilización del biogás. También se
sistematizó el proceso de mantenimiento de la planta para mantener su operatividad y alargar el
tiempo de vida útil. Los manuales están detallados en la sección 4.3
En la tabla 3.7, se muestran las comparaciones entre los diferentes biodigestores estudiados que
operan en territorio nacional. En dicha tabla se detallan las características más importantes así
como las diferencias entre cada uno de ellos.
71
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72
73
CAPÍTULO 4: ESTUDIO DE FACTIBILIDAD TÉCNICO - ECONÓMICO Y PROCESO DE
OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE UNA PLANTA GENERADORA DE BIOGÁS
4.1 Estudio de factibilidad técnico - económico de una planta generadora de biogás
El alcance del presente estudio de factibilidad económica es la de brindar una visión de los costos
relacionados a cada una de las etapas asignadas a la construcción y puesta en marcha de la
planta de biogás. También se desea determinar con este apartado, la viabilidad financiera del
proyecto, utilizando como fuentes de información, muestreos, mediciones realizadas, cotizaciones
de proveedores de servicios así como estimaciones de costos de mantenimiento, personal y
equipos a nivel local. A dicho estudio serán sometidos los biodigestores de Hacienda Miravalle y
San Marcos Lempa únicamente.
4.1.1 Prefactibilidad
Con el estudio de prefactibilidad se persigue determinar si un negocio proyectado generará
ganancias o no, y en qué condiciones se debe dar para que este sea exitoso.
Previo a la construcción de una planta de generación de biogás, deben tomarse en cuenta
aspectos tales como la ubicación, estudios del suelo, análisis de la materia prima, condiciones
meteorológicas y ambientales del lugar donde se piensa construir el biodigestor, etc. Además debe
realizarse un sondeo de mercado, orientado a ver si los ingresos que se obtengan de la
construcción del biodigestor proyectado cubran los gastos que se pueden dar en materia de
operación y mantenimiento. El estudio de prefactibilidad escapa del alcance del presente trabajo
por el motivo de que ambos biodigestores en estudio, ya se encontraban construidos y operando
bajo ciertas condiciones.
4.1.2 Factibilidad técnica
Un estudio de factibilidad técnica se refiere a los recursos necesarios tales como herramientas,
instalaciones, adecuaciones, conocimientos, habilidades y experiencia necesarios para efectuar las
actividades o procesos que requiere el proyecto.
En ambos digestores, ya existen las instalaciones adecuadas, debido a que son proyectos que ya
se encontraban construidos. Así también se poseen los equipos y herramientas necesarios por la
misma razón.
74
La factibilidad técnica entonces, estará orientada al mejoramiento de los diferentes aspectos que
dentro del funcionamiento del Biodigestor Miravalle, así como el de San Marcos Lempa, han
llamado nuestra atención y se nos presentan como verdaderas oportunidades de mejora:
Biodigestor Hacienda Miravalle
Recarga gradual de la materia prima: La cual está orientada a generar de manera ordenada,
mediante la estabilización microbiana y la alimentación a determinadas horas del día, la producción
de biogás dentro del reactor, de tal forma que dentro del lapso de retención, se obtenga una
producción eficiente de gas metano. La implementación de la recarga gradual permitirá lograr que
se produzca biogás al final del período de retención, algo que no se había podido conseguir en el
biodigestor Miravalle.
Realización de análisis de monitoreos: Los cuales están orientados a controlar cada uno de los
parámetros requeridos para garantizar un funcionamiento óptimo del digestor. Estos se piensan
realizar mediante recolección de muestras de gas así como muestras de agua de influente y
efluente, y luego analizar dichas muestras en un laboratorio especializado.
Agua de recirculación: El agua de recirculación se piensa utilizar para generar la mezcla de
alimentación del reactor. Además de generar ahorros de agua, el líquido efluente servirá para
inocular nuevamente la mezcla de alimentación del reactor, lo cual garantiza el equilibrio de las
bacterias metanogénicas dentro del reactor.
Optimización del proceso: La optimización del proceso se alcanza mediante mejoras propuestas en
este trabajo de graduación. Entre estas se mencionan el uso de gasómetros, colocación de filtros
para la limpieza del gas, sistemas de trampeo, entre otros.
Entrenamiento de personal: El personal debe ser entrenado para poder llevar una óptima
operación del biodigestor, lo cual se logra mediante capacitaciones acerca de la forma correcta de
llenado, operación, entre otros.
Biodigestor ACASA - San Marcos Lempa
Realización de análisis de monitoreos: Los cuales están orientados a controlar cada uno de los
parámetros requeridos para garantizar un funcionamiento óptimo del digestor. Estos se piensan
realizar mediante recolección de muestras de gas así como muestras de agua de influente y
efluente, y luego analizar dichas muestras en un laboratorio especializado.
Optimización del proceso: La optimización del proceso se alcanza mediante mejoras propuestas en
este trabajo de graduación. Entre estas se mencionan el uso de gasómetros, colocación de filtros
para la limpieza del gas, sistemas de trampeo, entre otros.
75
Entrenamiento de personal: El personal debe ser entrenado para poder llevar una óptima
operación del biodigestor, lo cual se logra mediante capacitaciones acerca de la forma correcta de
llenado, operación, entre otros.
4.1.3 Evaluación económica
La finalidad de la evaluación económica es la de inferir si el proyecto en cuestión es una alternativa
viable o no. Para esto, se identificarán los costos e ingresos que se obtienen y se analizarán los
costos/beneficios para ver si el proyecto generará ganancias o no.
A continuación se presenta una breve descripción de cada uno de los costos e ingresos que se han
tomado en cuenta al realizar el análisis económico del Biodigestor Miravalle así como del
Biodigestor de San Marcos Lempa:
Costos de análisis, diseño y asesoría técnica
En caso de no contar con el capital para realizar un análisis de prefactibilidad extenso y bien
elaborado, la realización de ciertos análisis previos, pueden suplantar un estudio de factiblidad y
dar una idea de qué tan viable puede ser la elaboración de un proyecto. Teniendo estos análisis,
se puede al menos poseer una idea global de bajo qué condiciones el biodigestor operará, y así
saber de antemano qué se puede esperar de él. Por citar ejemplos, ubicar un biodigestor en una
zona montañosa crearía gastos adicionales a los que normalmente se tienen, ya que dependiendo
de la temperatura con la que se quiera trabajar, tal vez éste requiera calentamiento en la parte
interna (termofílico) o de la materia prima entrante, lo cual podría convertir el proyecto en uno
“poco viable”, si los costos y gastos que se tienen exceden los ingresos. Así también, haciendo la
analogía inversa, un biodigestor (termofílico) ubicado al nivel del mar, en un ambiente cálido, no
requiere dicho calentamiento ya que el ambiente mismo se lo brinda, las temperaturas son muy
constantes, y la productividad se puede acrecentar por este hecho en concreto, lo cual puede
traducirse en mayores ingresos y menores costos.
Costos de construcción, adecuación, accesorios y equipamiento
Dentro de los costos de construcción se incluyen la obra civil, estructuras físicas adicionales y
mejoras que se puedan requerir. Con la actual introducción de la Ley de Medio Ambiente en la
legislación salvadoreña, se convierte en una obligación por parte de los dueños de granjas o
establecimientos donde se vierten excretas de animales a los ríos o quebradas, brindarle a estos
efluentes un tratamiento que disminuya el impacto negativo que esta actividad puede ocasionar. Es
por esta razón que la construcción de la obra física no se tomará en cuenta como inversión inicial,
ya que por igual los dueños de establos vacunos o porquerizas están en la obligación de construir
plantas de tratamiento de aguas, aún si de estos no se obtiene algún tipo de ingreso una vez estos
76
se encuentre construidos. Los biodigestores, dado que sirven para ambos propósitos (tratamiento
de aguas servidas y extracción de biogás mediante el uso de dichas aguas), son una alternativa
viable para generar ingresos, al mismo tiempo que sirven para tratar los desechos y aguas
servidas, y así minimizar el impacto sobre el medio ambiente. Dicho de manera simple, la inversión
que se haga en la construcción de un sistema de tratamiento para aguas servidas, es un gasto que
el dueño no podrá evitar debido a la legislación de medio ambiente salvadoreña, pero del cual, con
una inversión extra (en accesorios y equipamiento), podrá sacar ganancias en forma de ahorros
energéticos gracias a la generación y extracción de biogás.
Los accesorios se refieren a todos aquellos objetos necesarios para la seguridad, conducción y
almacenamiento del biogás. El equipamiento representa la maquinaria envuelta en el proceso de
producción de la planta, o en la conversión de energía dentro de la misma, si estos están
presentes.
Puesta en marcha
La puesta en marcha comprende una serie de pruebas, análisis, instalaciones adicionales y
monitoreos para asegurar el buen funcionamiento futuro del biodigestor.
Costos de operación y mantenimiento
Tal como su nombre lo dice, son costos asociados a la operación diaria del biodigestor, así como
del mantenimiento periódico que este reciba.
Ingresos
Los ingresos serán aquellas ganancias que se obtengan, y las cuales se darán en forma de
ahorros energéticos debido a la utilización del biogás. En el del biodigestor Miravalle, serán ahorros
de energía eléctrica, según tarifa vigente para Julio 2010, suministrada por CLESA en la zona
occidental, y obtenidos del listado de precios de la SIGET, para un consumo entre a 100 kWh y
199 kWh, siendo la tarifa de 0.132109 US$ por energía eléctrica y 0.058928 US$ por distribución.
[http://www.siget.gob.sv/attachments/1359_TERMINOS%20_Y_CONDICIONES_GENERALES0-
01-2010.pdf]
En el caso del biodigestor de San Marcos Lempa, los ahorros serán por el equivalente en uso de
gas propano y leña.
77
4.2 Evaluación económica
4.2.1 Supuestos empleados en la evaluación económica de digestores en estudio
Para realizar la evaluación económica de la planta Miravalle, se tomaron en cuenta los siguientes
supuestos:
La inversión inicial fue realizada a principios de 2010 (Enero 2010)
Ciclo de vida del proyecto igual a 20 años. No hay reemplazo de equipos.
Tasa de descuento de 7.3%
Préstamo que se realizó para la inversión inicial no posee interés.
Proyecciones de ingresos y gastos ejecutados a precios constantes.
Depreciación en línea recta.
Para la realización de la evaluación económica de la planta de San Marcos Lempa, se tomaron en
cuenta los siguientes supuestos:
La inversión inicial fue realizada a principios de 2010 (Enero 2010)
Ciclo de vida del proyecto igual a 10 años. Reemplazo de equipo cada 3 años.
Tasa de descuento de 7.3%
Préstamo que se realizó para la inversión inicial fue una donación.
Proyecciones de ingresos y gastos ejecutados a precios constantes.
4.2.2 Biodigestor Hacienda Miravalle. Resultados de evaluación
Costos por asesoría técnica
La tabla 4.1 muestra un estimado de los costos que se obtendrían por Asesoría técnica, previa
construcción del biodigestor Miravalle.
Cabe mencionarse que dentro de los costos de asesoría se agregan dos apartados que son
“Investigación sobre las condiciones ambientales en la zona de futura construcción” y “Estudio de
78
suelos”. Al principio de la investigación, se habían estipulado estos dos tipos de pruebas debido a
las condiciones en las cuales el biodigestor Miravalle había sido construido. Sin embargo se ha
consultado a expertos en el tema, y los estudios de suelos solo son necesarios cuando son obras
civiles que pongan en riesgo la seguridad de personas (tales como casas, edificios). El problema
con el manto freático se puede evitar mediante un buen encofrado en la base de construcción del
biodigestor, sin necesidad de un análisis de suelos que supondría un gasto mayor en la inversión
inicial de lo que crearía el encofrado. Por otra parte, la investigación de las condiciones
ambientales también se menciona, pues este debe tenerse en cuenta cuando se proyecta construir
un biodigestor, debido mayormente a la temperatura con la que se piensa trabajar, pero dicha
investigación no acarrea costo alguno debido a que datos sobre las condiciones climáticas de la
zona se encuentran disponibles en la página del SNET de manera gratuita.
Tabla 4. 1 Costos por asesoría técnica Biodigestor Hacienda Miravalle [Fuente: Elaboración propia]
ASESORÍA TÉCNICA
Biodigestor Miravalle
Investigación sobre las condiciones ambientales en la zona de la futura
construcción*
Sin costo
Estudio de suelos**
Se aconseja no realizarse debido a su
alto costo
Realización de análisis químicos de los sustratos***
Personal Operativo $200.00
pH $20.00
Análisis ácidos grasos $20.00
Análisis DQO $25.00
SUBTOTAL $245.00
Gastos administrativos menores
$5.00
SUBTOTAL $5.00
TOTAL $250.00
79
Costos de construcción y equipamiento
Los costos de construcción y equipamiento se muestran en la tabla 4.2, y se detallan aspectos
concernientes a la construcción y equipamiento del biodigestor Miravalle.
Estos precios han sido proporcionados por el constructor del biodigestor, Ing. Oscar Valle y que
fueron documentados por su persona durante la ejecución de la obra.
Tabla 4. 2 Costos de construcción y equipamiento [Fuente: elaboración propia]
CONSTRUCCIÓN/EQUIPAMIENTO
Biodigestor Miravalle
OBRA CIVIL: CONSTRUCCIÓN Y ADECUACIÓN
Diseño --
Cerca perimetral --
Pileta de mezclado --
Canales --
Casa de máquinas --
Mejoras (repellos, sellos herméticos) --
Mano de obra --
Varios --
SUB-TOTAL $26,668.33
CASA DE MÁQUINAS EQUIPAMIENTO
Compra de generador $10,000.00
Gastos de importación $1,500.00
Varios $1,490.33
SUB-TOTAL $12,990.33
ACCESORIOS
Gasómetros $57.00
Red de tuberías $20.00
Bombas y Filtros (2 unidades) $1,200.00
Equipos de medición $30.00
Instalación de accesorios varios $10.00
SUB-TOTAL $1,317.00
80
Costos de puesta en marcha
La tabla 4.3 muestra los costos obtenidos en los procesos de puesta en marcha de la Planta
Miravalle. Dichos precios también han sido proporcionados en su mayoría por el Ing. Oscar Valle,
durante la ejecución de la puesta en marcha de la Planta.
Tabla 4. 3 Costos de puesta en marcha [Fuente: elaboración propia]
HERRAMIENTAS PARA OPERACIÓN/MANTENIMIENTO
Herramientas para operación $10.00
Herramientas para mantenimiento $10.00
SUB TOTAL $20.00
Gastos administrativos menores $5.00
SUB-TOTAL $5.00
TOTAL $41,000.66
PUESTA EN MARCHA
Biodigestor Miravalle
Cargas de biodigestor y pruebas de producción $250.00
Instalación de motor generador y pruebas $350.00
Adecuación de instalaciones eléctricas $350.00
Análisis y medición de gases $200.00
Combustible y supervisión $140.00
Gastos adicionales $350.00
Inoculación $50.00
Monitoreo $25.00
Personal operativo* $0.00
Precio consumo de agua** $0.00
Costos de entrenamiento de personal operativo $5.00
Gastos administrativos menores $5.00
TOTAL $1,725.00
81
Costos de operación
Los costos de operación son un estimado de los gastos que se tendrán durante la operación del
biodigestor Miravalle y se presentan en la tabla 4.4. No se agregan los sueldos de personal
operativo debido a que las personas encargadas de la operación son empleados de la Granja
Miravalle, y sus sueldos no salen del préstamo obtenido para la fabricación de la planta, ni
tampoco es desembolso del dueño, sino que se les paga por el trabajo que realizan en la granja,
más las labores adicionales en el biodigestor. Tampoco se toma en cuenta el consumo de agua
debido a que se piensa reutilizar el agua del efluente para generar la mezcla de alimentación del
reactor.
Tabla 4. 4 Costos de operación (mensuales) [Fuente: elaboración propia]
Costos de mantenimiento
Los estimados de los costos de mantenimiento se presentan en las tablas 4.5 y 4.6. Los datos
fueron proporcionados por el Ing. Oscar Valle y se dividen en mantenimientos mensuales, y
mantenimientos anuales.
COSTOS DE OPERACIÓN (mensual)
Biodigestor Miravalle
Personal Operativo* --
Precio consumo de agua/mes** --
Compra de insumos varios (guantes, mascarillas) $15.00
Análisis mensuales $25.00
Gastos administrativos menores $5.00
TOTAL $45.00
82
Tabla 4. 5 Costos de mantenimiento (mensual) [Fuente: elaboración propia]
Tabla 4. 6 Costos de mantenimiento (anual) [Fuente: elaboración propia]
COSTOS DE MANTENIMIENTO (mensual)
Biodigestor Miravalle
Personal Operativo* *
Compra de repuestos (para la planta) $5.00
Mtto. de equipo de medición (Mtto. Preventivo) $5.00
Mantenimiento del generador (Mtto. Preventivo) $10.00
Mantenimiento de la bomba (Mtto. Preventivo) $10.00
Mantenimiento de la planta en general (Mtto. Preventivo/Corectivo) $5.00
Mantenimiento de otros equipos/instalaciones variados $5.00
Fondo para Mantenimientos Correctivos de Emergencia $10.00
Gastos administrativos menores $5.00
TOTAL $55.00
COSTOS DE MANTENIMIENTO (anual)
Biodigestor Miravalle
Personal Operativo (Persona contratada para supervisión y mantenimiento)* $150.00
Insumos -aceites, aditivos, filtros etc.- (Stock para un año) $50.00
Mantenimiento del generador $50.00
Compra de repuestos y partes (Stock para un año) $50.00
Gastos de envío e introducción al país $20.00
Mantenimiento de la bomba $50.00
Compra de repuestos y partes (Stock para un año) $40.00
Gastos de envío e introducción al país $18.00
Mantenimiento de gasómetros $5.00
Mantenimiento de filtros $5.00
Gastos administrativos menores $5.00
TOTAL $443.00
83
Gastos mensuales anualizados e Inversión inicial
La tabla 4.7 muestra el monto de la inversión inicial para la construcción, equipamiento y puesta
en marcha del biodigestor Miravalle. La tabla 4.8 muestra los gastos de operaciones y
mantenimiento por mes, y el sub-total de ambos que se obtiene por año. Así también se agregan
los costos de mantenimiento anual para obtener los costos totales anuales, que nos servirán
posteriormente en la evaluación económica.
Flujos de Efectivo. Costo/Beneficio. Resultados
La tabla 4.9 presenta los flujos de efectivo que se obtendrán cada año en el biodigestor Hacienda
Miravalle, así como los respectivos valores anuales. De este flujo se puede ver que los gastos de
operación en el primer año ascienden a $540.00 dólares, mientras los gastos de mantenimiento
ascienden a $1,103.00 dólares. El costo asociado al pago del préstamo asciende a $815.37
dólares (no se paga interés por dicho préstamo) los cuales, como se mencionó antes, se refieren a
la inversión realizada en la compra de equipos y accesorios para la planta, dado que el valor por
obra civil es un gasto que el dueño de la granja no puede evitar dada la legislación salvadoreña
que obliga a que el agua servida de granjas y/o porquerizas se tratada para disminuir el impacto
ambiental. Asimismo se presentan los valores de la depreciación en equipos, asumiendo una
depreciación en línea recta.
Los ingresos derivados del ahorro de energía eléctrica para las labores agrícolas en la granja
Miravalle ascienden $8,367.42 dólares en el primer año. La tabla 4.7 muestra los cálculos
realizados para obtener dicho valor.
Tabla 4. 7 Cálculo del precio de los ahorros energéticos e inversión inicial en Biodigestor Miravalle (fuente: elaboración propia)
Unidades
Potencia Generador 15 kWh
Horas de trabajo 8 H
Producción de energía 120 kWh/día
Precio de la energía (CLESA) 0.191037 US$
Ahorros de energía (diarios) $22.92 US$/día
Ahorros de energía (anuales) $8,367.42 US$/año
Costos por asesoría -$250.00
Costos de Construcción -$41,000,66
Costos por Puesta en Marcha -$1,725.00
INVERSIÓN INICIAL -$42,975.66
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El valor de las 8 horas de trabajo se obtiene de la gráfica presentada en la figura 4.1, la cual
muestra la relación entre consumo del generador por horas con la generación de biogás por parte
del reactor. Esto significa que por cada hora de funcionamiento del generador, las horas restantes
servirán para que el reactor forme una cantidad determinada de biogás. Así por ejemplo, si el
generador eléctrico funciona una hora al día, consume 3.7 m³ por esa hora, y en el reactor se
generarán aproximadamente 41.4 m³ de biogás durante las 23 horas restantes en las cuales el
generador eléctrico no funcione. Para dos horas de funcionamiento del generador eléctrico, este
consumirá 7.4 m³ de biogás, y en las restantes 22 horas que no se utilice, el reactor generará 39.6
m³ de biogás aproximadamente., y así sucesivamente. En la intersección de las dos gráficas, la
cual se da aproximadamente a las 8 horas de funcionamiento del generador eléctrico, se ve que se
garantiza la producción de una cantidad aproximadamente igual de biogás para las labores del
siguiente día. Dicho valor asciende aproximadamente a 28 ó 29 m³ de biogás
La tabla 4.9 muestra además los valores anuales de costos e ingresos, así como el valor presente
neto de cada una de las anualidades. En valor presente, los costos anuales de operación durante
el ciclo de 20 años, ascienden a $5,457.82 dólares, así como los costos asociados al
mantenimiento ascienden a $11,148.10 dólares durante todo el ciclo de vida.
El total de ingresos es de $5,909.05 dólares por año, lo cual equivale a $84,570.16 dólares en valor
presente neto.
Partiendo de estos valores, y utilizando una razón Beneficio/Costo modificada, podemos obtener el
valor para el análisis B/C:
inversión
Operacion&ntoMantenimieBeneficiosCosto/Beneficio ificadamod
(Ec. 4.1)
33.307,16$
)10.148,11$82.457,5($16.570,84$Costo/Beneficio ificadamod
17.4Costo/Beneficio ificadamod
El valor de 4.17 viene a comprobar que el proyecto es económicamente ventajoso. El Valor Actual
Neto y la tasa interna de retorno se muestran calculados en la tabla 5.10, y los cuales
corresponden, respectivamente a $44,859.78 dólares y a un 36%. El período de recuperación de
capital es de 2.76 años.
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4.2.3 Biodigestor ACASA - San Marcos Lempa. Resultados de evaluación
Costos de construcción y equipamiento
La tabla 4.10 muestra los gastos realizados en la construcción del Biodigestor de San Marcos
Lempa. Datos proporcionados por ACASA.
Tabla 4. 10 Costos de construcción y equipamiento [Fuente: elaboración propia]
CONSTRUCCIÓN/EQUIPAMIENTO
Biodigestor San Marcos Lempa
OBRA CIVIL: CONSTRUCCIÓN Y ADECUACIÓN
Diseño --
Cerca perimetral --
Canales --
Mejoras (repellos, sellos herméticos) --
Bolsa Polietileno
Mano de obra --
Varios --
SUB-TOTAL $300.00
ACCESORIOS
Gasómetros $57.00
Red de tuberías $20.00
Filtros $5.00
Instalación de accesorios varios $5.00
SUB-TOTAL $87.00
HERRAMIENTAS PARA OPERACIÓN/MANTENIMIENTO
Herramientas para operación $5.00
Herramientas para mantenimiento $5.00
SUB TOTAL $10.00
Gastos administrativos menores $1.00
SUB-TOTAL $1.00
TOTAL $398.00
89
Costos de mantenimiento
La tabla 4.11 muestra los estimados del mantenimiento anual requerido en la planta de San
Marcos Lempa.
Tabla 4. 11 Costos de mantenimientos anuales requeridos en ACASA - San Marcos Lempa [Fuente: elaboración propia]
Flujos de Efectivo. Costo/Beneficio. Resultados
Las tablas 4.12 y 4.13 presentan, los flujos de efectivo anualizados en el biodigestor de San
Marcos Lempa. De este flujo se puede ver que los gastos de operación en el primer año ascienden
a 15.00 dólares, y los cuales comprenden el uso de agua potable para lavar las porquerizas y crear
la mezcla para el biodigestor. Los gastos de mantenimiento ascienden a 9 dólares por año, y en su
mayoría comprende contingencias, ya que los accesorios instalados en San Marcos Lempa
requieren muy poco mantenimiento. La recuperación de capital en el dado caso que no haya que
pagarse anualidad (que la inversión provenga de una donación, tal cual es el caso del biodigestor
de San Marcos Lempa) se da en poco más de dos años si proviene de donación, y
aproximadamente en 5 años si proviene de un préstamo de la banca local (al 11% de interés) Los
ingresos derivados del ahorro de energía para labores de cocina en San Marcos Lempa promedian
$174.33 anuales.
Asimismo se presentan los valores presentes equivalentes de cada uno de los flujos. En valor
presente, los costos anuales de operación durante el ciclo de 9 años, ascienden a $96.35 dólares
así como los costos asociados al mantenimiento ascienden a $57.81 dólares. El total de ingresos
COSTOS DE MANTENIMIENTO (anual)
Biodigestor ACASA
Mantenimiento de gasómetros $3.50
Mantenimiento de filtros $3.50
Gastos menores $2.00
TOTAL $9.00
90
es de $1,316.78 dólares para los nueve años de funcionamiento. Partiendo de esto, y utilizando
una razón Beneficio/Costo modificada, podemos obtener el valor para el análisis B/C:
inversión
Operacion&ntoMantenimieBeneficiosCosto/Beneficio ificadamod
(Ec. 4.2)
398
)81.5735.96(78.316,1Costos/Beneficio ificadamod
92.2Costos/Beneficios ificadamod
El valor de 2,92 viene a comprobar que el proyecto es económicamente ventajoso, lo cual también
se puede corroborar al observar los valores de ganancias que se van obteniendo año con año. El
capital invertido se recupera al tercer año de funcionamiento mediante un préstamo otorgado por la
banca local, y en 2.19 años mediante donación.
El valor actual neto y la tasa interna de retorno se muestran calculados en la tabla 4.12 y 4.13 para
cada caso, y los cuales ascienden a $204.06 y 22% mediante préstamo de la banca local, y
$726.45 y 43% mediante donación.
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93
4.3 Manuales de operación y mantenimiento
4.3.1 Manual de operación de una planta generadora de biogás
Para el buen funcionamiento de una planta de producción, almacenamiento y aprovechamiento del
biogás es importante desarrollar un manual de operación, lo cual nos garantizaría que sea cual sea
la persona o personas que estén operando la planta de biogás, lo hagan de una manera metódica,
adecuada y ordenada, lo que aseguraría el desenvolvimiento normal en la producción del biogás.
Cabe destacar que para cada biodigestor en específico es importante desarrollar un plan de
operación específico de acuerdo a los parámetros en los que se desarrolla, sin embargo en dicho
manual se destacan las labores generales que se deben de realizar.
A continuación se encuentra desarrollada una metodología a seguir de una manera clara, sencilla y
legible para que cualquier persona que se desenvuelva en el campo operando una planta de
biogás, no tenga contratiempos a la hora de interpretar la información del manual.
Proceso de limpieza y verificación
Para iniciar la carga del biodigestor es importante revisarlo en su interior que no tenga ningún
residuo o sedimento, o cualquier otro objeto que se encuentre dentro de él y que pueda obstruir el
paso de la materia prima utilizada en el digestor. Cuando el biodigestor se encuentre en
funcionamiento normal será siempre importante mantenerlo limpio y despejado, lo que va a ser
tarea de la persona encargada de la operación realizar dichas tareas.
Proceso de inoculación
El proceso de inoculación se realiza cuando el biodigestor está recibiendo las primeras cargas de
mezcla agua-estiércol. Dicho proceso consiste en introducir inicialmente un cultivo de bacterias
procedente de otro biodigestor en funcionamiento, las cuales su función es activar el proceso
anaeróbico del digestor recién cargado. Las bacterias inoculadas inician el proceso de generación
del biogás al igual que fomentan la reproducción de nuevas bacterias dentro de él. No en todos los
digestores es necesario realizar dicho proceso.
Selección de la materia prima
El estiércol que se utilizará debe ser seleccionado de una manera rigurosa, cerciorándose que el
mismo proceda de los corrales que se encuentran cementados. Se debe tener cuidado de no
incluir el estiércol de algún animal que esté bajo tratamiento con antibióticos.
94
Ya teniendo el estiércol seleccionado el siguiente paso es la preparación de la mezcla que se
introducirá al digestor, la cual se realizará en la pileta de mezcla y de la siguiente manera:
Mezcla 5 a 1: La mezcla 5 a 1 quiere decir que por cada porción de estiércol se agregarán 5
porciones de agua. La mezcla de 5 a 1 es la primera mezcla utilizada en la carga inicial del
biogestor. Una vez el digestor se encuentre listo se procederá a cargarlo con la misma.
Mezcla 4 a 1: La mezcla 4 a 1 significa que por cada porción de estiércol se agregarán 4 porciones
de agua. Después de 1 semana cargando el digestor con una mezcla de 5 a 1 se cambiará la
mezcla y se cargará con una de proporción 4 a 1.
Mezcla 3 a 1: Dicha proporción significa que por cada porción de estiércol se le agregarán 3
porciones de agua. La mezcla 3 a 1 es la mezcla con mayor cantidad de estiércol que se le
suministrará al reactor. Después de 1 semana cargando el digestor con la mezcla de 4 a 1 se
procederá a cambiar la mezcla por la de 3 a 1 hasta lograr estabilizar el digestor y así aplicar una
cantidad constante de dicha mezcla obteniendo por consiguiente una producción óptima y estable
de biogás.
Vale aclarar que la mezcla de 5 a 1 y de 4 a 1 únicamente se utilizará en el proceso de carga inicial
del digestor, hasta llegar a su estabilización. En el proceso de carga regular se utilizará una mezcla
de 3 a 1 que es la máxima carga que se ingresará al reactor, todo esto para evitar en la medida de
lo posible la formación de lodos en la cámara de descarga.
Proceso de carga
Una vez realizada la mezcla el siguiente paso es el proceso de carga. Es muy importante que el
proceso de carga se realice en la medida de lo posible a la misma hora del día y así acostumbrar a
las bacterias presentes en el reactor para no alterar el proceso de degradación que llevan a cabo.
Dicho proceso se puede realizar de forma directa o por medio de dispositivos mecánicos como una
bomba.
Proceso de recirculación
El proceso de recirculación del material dentro del digestor es muy importante, ya que la agitación
de la materia hace que se homogenice la mezcla dentro del reactor. No en todos los reactores se
podrá realizar el proceso de recirculación, ya que dependerá del diseño y aplicación del mismo.
Revisión de parámetros (temperatura, pH, DQO.)
En el proceso de carga inicial es importante hacer revisiones periódicas de los parámetros:
temperatura, pH, DQO, los cuales se deben de realizar constantemente llevando una bitácora de
los datos obtenidos. Los datos de temperatura y pH deberán ser tomados por el operador en el
95
momento de realizar la carga diaria. Para el análisis de DQO el operador únicamente deberá tomar
muestras de la entrada y salida del reactor las cuales serán enviadas a un laboratorio
especializado para su interpretación.
Cuando el reactor se encuentre funcionando regularmente siempre será necesario llevar un control
de los dichos parámetros de funcionamiento, pero con una menor frecuencia, que en la carga
inicial, únicamente para verificar que se encuentre en su correcto funcionamiento.
Utilización del efluente y lodos
A medida se va cargando el biodigestor se va a ir obteniendo agua de efluente, la cual esta agua
ya tratada se deberá reutilizar en el proceso de preparación de la mezcla en la medida sea lo
posible. Muy importante no botar dicho efluente sino reutilizarlo. Los lodos resultantes son ricos en
nutrientes y se puede utilizar como abono.
4.3.2 Manual de mantenimiento de una planta generadora de biogás
Cuando la planta de producción y aprovechamiento del biogás se encuentre funcionando
establemente con una producción constante, es muy importante tener los cuidados necesarios
para que se mantenga en dicha dirección. Es por ello que se debe de desarrollar y aplicar un plan
de mantenimiento que mantenga las condiciones estables de operación de la planta. Dichos planes
de mantenimiento garantizará una producción constante de biogás, verificando diversos puntos
como lo son: chequeos de tuberías, chequeos de válvulas, chequeo de fugas, verificación y
cambios de filtros, verificación del funcionamiento de la bomba y el generador, limpieza de maleza
en los alrededores, remoción de lodos, entre otros puntos que se desarrollarán detenidamente en
los manuales de mantenimiento.
A continuación se detalla un plan de mantenimiento general para cualquier tipo de biodigestor, sin
embargo es necesario desarrollar un plan específico tomando en cuenta los parámetros de
funcionamiento propio de cada lugar.
El manual de mantenimiento está comprendido de dos partes esenciales:
- Plan de Mantenimiento
- Programa de Mantenimiento
En el Plan de Mantenimiento se desarrollará y se explicará las diferentes actividades de
mantenimiento que se realizarán, lo cual se hará de forma tal que se expondrá detalladamente el
mantenimiento a ejecutar parte por parte de las plantas de biogás. Otro punto detallado y explicado
96
en el Plan de Mantenimiento es la finalidad que se pretende con las actividades de mantenimiento
propuestas, así como su importancia.
En el Programa de Mantenimiento se elaborará un calendario de las actividades de mantenimiento
a realizar, en las cuales se especificará:
- Frecuencia de mantenimiento.
- Labor o actividad de mantenimiento.
- Parte específica de la planta de biogás en que se realizará la labor o actividad de
mantenimiento.
En el Programa de Mantenimiento será responsabilidad del operador consultar diariamente el
programa de mantenimiento, verificando así, la actividad a realizar en la planta y a su vez llevarla a
cabo de acuerdo a las fechas establecidas.
Plan de Mantenimiento
Las diferentes actividades de mantenimiento aplicables para un biodigestor en general se detallan
a continuación:
o Monitoreo de la planta en general
Obra física del biodigestor.
Verificación de formación de lodos.
o Limpieza del biodigestor y sus alrededores
o Revisión del biodigestor
o Revisión de tuberías
Chequeo de fugas y estado de tuberías.
Revisión de uniones.
o Revisión y cambios de filtros
Filtro de dióxido de carbono.
Filtro de ácido sulfhídrico.
97
Purgas de agua.
Válvula de alivio.
o Revisión de gasómetros
Revisión del nivel del agua
Cambio del agua
Revisión de mangueras
Chapeo de los contornos
o Aplicación final
Chequeo de los diferentes dispositivos donde se utilizará el biogás como
generadores, calderas, estufas, etc.
Programa de mantenimiento
Se desarrolló un programa de mantenimiento en el que se detalla la frecuencia y tipo de
mantenimiento que se le desarrollará a la plata.
La programación del plan de mantenimiento se detalla a continuación:
o Mantenimiento diario
Revisión del nivel del agua del gasómetro
Revisión de mangueras del gasómetro
Verificación de formación de lodos
o Mantenimiento cada 3 días
Chequeo de fugas y estado de tuberías
Revisión de uniones de tuberías
Revisión válvulas de alivio
o Mantenimiento semanal
Obra física del biodigestor
98
Revisión y evacuación de la purga de agua
Revisión filtro de dióxido de carbono
o Mantenimiento quincenal
Revisión filtro de ácido sulfhídrico
Revisión general del biodigestor
Limpieza de contornos y accesos
o Mantenimiento Mensual
Cambio del agua del gasómetro
Chapeo de los contornos
99
CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 Conclusiones
5.1.1 Digestor Hacienda Miravalle
La producción de biogás ha sido poca o nula debido a:
1) El diseño del digestor no es el más adecuado para el tipo de materia prima es decir estiércol de
ganado y también debido al tipo de terreno de la localidad en donde el manto freático se encuentra
a dos metros de profundidad de la superficie del suelo.
2) La falta de sistematización y continuidad en el proceso de carga inicial y en sus cargas
posteriores.
3) Desde la operación inicial no se llevo a cabo un monitoreo adecuado de pH, temperatura en
conjunto con los análisis de DQO, ácidos grasos, los cuales son de suma importancia para lograr
un equilibrio dentro del digestor con su monitoreo y mediciones continuas.
4) El proceso de carga inicial se debió realizar de manera gradual, es decir comenzando con una
mezcla diluida con una relación de 5 a 1 aumentando paulatinamente hasta llegar a la proporción
que teóricamente se maneja como la adecuada 3 a 1, claro respetando los tiempos de retención
hidráulica de cada etapa los cuales varían según el digestor.
5) La falta del personal capacitado para la operación del digestor antes de la persona actualmente
capacitada.
6) Uno de los problemas para la puesta en marcha y operación del digestor Miravalle fue la falta de
un manual de operación el cual debió ser brindado por el diseñador del digestor.
5.1.2 Digestor ACASA – San Marcos Lempa
1) Sin realizarse ningún tipo de proceso de carga inicial de manera sistemática, el digestor
comenzó a generar biogás después de 15 días de su puesta en marcha, esto debido al tipo de
digestor el cual permite con facilidad el desplazamiento de la materia orgánica y también por el tipo
de materia orgánica que se considera bondadosa para la generación de biogás.
100
2) Se ha logrado una reducción considerable en la utilización de leña para la cocción de alimentos
por parte de los dueños del digestor, lo cual también ayuda a disminuir de forma directa la tala de
árboles en la zona.
3) Con la implementación de este tipo de digestores se puede corroborar que con bajo presupuesto
se puede construir un digestor que funcionando con excretas de cerdo genera biogás de calidad
con alto contenido en metano CH4 de alrededor del 74%, con un bajo costo de operación y
mantenimiento y que ayuda al medio ambiente mediante la reducción de contaminación de suelo y
ríos por las excretas de cerdo, proliferación de moscas, etc.
4) La presencia del H2S se reduce de manera considerable por medio de la aplicación de filtros con
virutas de hierro en su interior de fácil elaboración, con lo que se reduce el riesgo de la corrosión
en dispositivos como válvulas de acero y motores de combustión accionados con biogás.
5.1.3 Generales
1) En digestores en los cuales se produce biogás por medio de las excretas de ganado se requiere
un monitoreo más riguroso en comparación con los digestores que operan con excretas de cerdo,
esto debido a que las excretas de vacas es un tipo de materia orgánica muy sensible a cambios
externos como temperatura y humedad, así como un preparamiento de la materia orgánica a
ingresar al digestor, es decir que se debe hacer una correcta selección de la misma.
2) Las excretas de cerdo y de vaca poseen diferencias intrínsecas, es decir que el excremento de
la vaca sufre un proceso más complejo de digestión ya que la mayor parte de la materia está
compuesta de fibra difícil de descomponer ya que se ha sometido a una larga digestión dentro del
animal. En cambio las excretas de los cerdos son producto de un proceso de digestión rápido con
lo que se obtiene materia orgánica más homogénea y menos degradada. Tomando en cuenta
además que la excreta de cerdo contiene más carga de DQO por volumen que la de vacas.
3) Aunque no se maneje bajo un régimen de operación un digestor operado con excretas de cerdo
puede generar biogás con más facilidad que uno operando con excretas de vaca.
4) Las condiciones ambientales pueden hacer variar el funcionamiento de un digestor, ya que
pueden favorecer o impedir la generación de bacterias dentro del reactor.
5) Para cualquier digestor es importante realizar una bitácora de monitoreo de las diferentes
variables que están involucradas en la generación del biogás así como procesos de muestreo del
influente para sus análisis químicos respectivos ya que por medio de estos se puede determinar y
monitorear el funcionamiento del digestor.
101
6) En el proceso de carga inicial y estabilización de un digestor es importante llevar en paralelo el
monitoreo de variables como pH, temperatura, DQO y ácidos grasos para generar un registro de
operación del digestor el cual puede ser de mucha ayuda en procesos de reactivación en el futuro.
7) Los resultados de los análisis de DQO realizados en un digestor son el indicativo de que tan
bien la materia orgánica que entra al digestor se está degradando adentro del mismo, lo cual nos
da una idea de que tan bien las bacterias están consumiendo toda la carga orgánica que está
entrando al digestor lo cual se ve reflejado en la cantidad de biogás producido.
8) No todos los diseños de digestores funcionan de la mima manera en cualquier localidad ya que
pueden verse afectados por las condiciones ambientales de cada ubicación.
9) Por la experiencia que recogimos concluimos que este tipo de tecnologías renovables y que son
amigables con el ambiente, no han podido ser difundidas como se debería por un simple obstáculo
la ignorancia y la falta de información adecuada hacia la población sobre dichas tecnologías que
son rentables y de las cuales se obtiene un gran beneficio en la obtención y utilización del biogás.
5.2 Recomendaciones
5.2.1 Digestor Hacienda Miravalle
1) Realizar monitoreo continuo de las variables: pH, temperatura, DQO y ácidos grasos.
2) En el proceso de carga inicial se recomienda seguir la metodología de carga gradual expuesta
en el apartado 3.4.4.
3) Hacer un proceso de selección más riguroso en la elección de las excretas de vaca a ingresar al
digestor para lo cual recomendamos utilizar únicamente materia fresca la cual no debe exceder de
dos días, la cual debe poseer la humedad necesaria para crear las condiciones optimas para la
generación de las bacterias. También se recomiendo no utilizar estiércol de ganado que este en
tratamiento médico o con antibióticos.
4) Se recomiendo utilizar el agua del efluente del digestor para realizar el proceso de mezcla con
la materia orgánica nueva a ingresar al digesto la cual se realiza en la pileta de mezcla.
5) Para acelerar el proceso de obtención de biogás se recomiendo inocular el digestor mediante
lodos ya activados de otro digestor que ya este generando biogás.
102
6) Se recomienda seguir las instrucciones tanto del manual de operación y de mantenimiento que
se encuentran en el apartado 4.3.1 y 4.3.2 de este documento.
5.2.2 Digestor ACASA - San Marcos Lempa
1) Se recomienda la instalación de otro gasómetro adicional al ya existente ya que la capacidad de
generación del digestor excede la capacidad de almacenamiento del ya instalado.
2) El proceso de carga del digestor debe realizarse de forma sistemática, para lo cual se
recomienda que se realice en una proporción de 3 partes de agua por una de estiércol la cual se
considera ideal para la óptima generación de biogás.
3) Se recomienda un reemplazo de la válvula de alivio existente en el sistema de tuberías por el
diseño planteado en este documento el cual se encuentra en el apartado 2.2.3 y los planos en el
ANEXO B
4) La viruta de hierro contenida en el filtro para la eliminación del H2S debe reemplazarse al
momento en que el color de la llama del quemador cambie de color azul a amarillo.
5) Se recomienda seguir las instrucciones tanto del manual de operación y de mantenimiento que
se encuentran en el apartado 4.3.1 y 4.3.2 de este documento.
103
GLOSARIO
Ácidos grasos: Es un conjunto de ácidos que son generados mediante la fermentación anaerobia
de biomasa, y los cuales son liberados por las bacterias para producir biogás.
Aerobio: Se aplica al proceso que se desarrolla con presencia de oxígeno.
Anaerobia: Se aplica al proceso que se desarrolla en ausencia de oxígeno libre.
Bacterias acetogénicas: Son las bacterias productoras del ácido acético.
Bacterias anaeróbicas: Son los organismos que no utilizan oxígeno en su metabolismo, y que
probablemente pueda reaccionar negativamente o incluso morir en la presencia de oxígeno.
Biodigestor: Es un contenedor cerrado, hermético e impermeable, dentro del cual se deposita
material orgánico a fermentar en determinada dilución de agua para que a través de la
fermentación anaerobia se produzca biogás.
Bio-filtro: Es un conjunto de arreglos elaborados de materias inorgánicas y plantas con la
finalidad de proveer el filtrado de aguas residuales al hacerlos pasar por dicho arreglo.
Biogás: Típicamente se refiere a un gas producido por la descomposición biológica de la materia
orgánica en la ausencia de oxígeno. Es un tipo de gas que es producido por la digestión
anaeróbica debido a la fermentación de materiales biodegradables tales como biomasa, estiércol,
aguas negras y materiales vegetales.
Biomasa: Materia orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado, utilizable
como fuente de energía.
Caída de presión: Es la pérdida de presión entre dos puntos de una tubería.
Calorímetro: es un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o
recibidas por los cuerpos.
Captación: Se refiere a la obtención de muestras de una sustancia cualquiera para su posterior
análisis.
Carboxílico (Ácido): Constituye un grupo de compuestos que se caracterizan porque poseen un
grupo funcional llamado grupo carboxilo. Se produce cuando coincide sobre el mismo carbono un
grupo hidroxilo (-OH) y carbonilo (C=O).
Caudal: Es la cantidad de fluido que pasa en un punto determinado por unidad de tiempo.
104
Cerdaza: Es el estiércol de cerdo preparado para ser utilizado para la producción de biogás.
Cogeneración: Es el procedimiento mediante el cual se obtiene simultáneamente energía eléctrica
y energía térmica útil.
Combustión: Es una reacción química exotérmica de una sustancia llamada combustible, en el
cual se desprende una gran cantidad de energía en forma de calor y luz.
Condensado: Es el producto resultado de la condensación de un vapor dentro de una tubería.
Corrosión: Es el deterioro de un material a consecuencia de un ataque electroquímico por su
entorno.
Criba: Dispositivo utilizado para separar partículas de diferentes tamaños.
Demanda química de oxígeno (DQO): Es una medida, en unidades de oxígeno, de la porción de
materia orgánica que es biodegradable dentro de una muestra que es susceptible a la oxidación.
Despulpado: Es el proceso en el que se logra la separación de la pulpa de los demás residuos
como semillas y cáscaras de cualquier fruto.
Digestión anaeróbica: Es el proceso en el cual microorganismos descomponen material
biodegradable en ausencia de oxígeno.
Disociación: Es un proceso en el cual complejos, moléculas o sales se separan en moléculas más
pequeñas, iones o radicales, usualmente de manera reversible.
Efecto invernadero: Es el fenómeno por el cual determinados gases, que son componentes de
una atmósfera planetaria, retienen parte de la energía que el suelo emite por haber sido calentado
por radiación solar.
Efluente: Caudal de salida de un biodigestor. En general, se utiliza este término para definir un
caudal de líquido que sale de un tanque o algún lugar de almacenamiento.
Estequiometría: Es el cálculo de las relaciones cuantitativas entre reactivos y productos en el
transcurso de una reacción química.
Estrangulación: Es la obstrucción causada por la reducción del área de paso del flujo de un fluido.
Excreta: Son el conjunto de los desechos de la nutrición expulsados fuera del organismo por
medio de heces, orina, sudor, esputos, etc.
Fraguado: Es el proceso de endurecimiento de diferentes mezclas utilizadas en la construcción.
105
Gallinaza: Es el estiércol de gallina preparado para ser utilizado en la industria ganadera o en la
industria agropecuaria.
Gasómetro: Contenedor donde se almacenan gases en general.
Geomembrana: Es el nombre que recibe la lámina impermeable hecha a partir de diferentes
resinas plásticas y muy utilizada en la construcción de biodigestores.
Hidrólisis: Descomposición de sustancias orgánicas e inorgánicas complejas en otras más
sencillas por acción del agua.
High Heating Value (HHV): También conocido como el poder calorífico o la energía bruta de un
combustible, se define como la cantidad de calor liberado por una cantidad determinada
(inicialmente a 25 ° C) una vez que se quema y los productos han vuelto a una temperatura de 25 °
C.
Homogenizar: Volver homogénea una mezcla o un compuesto.
Humedad relativa: Es la humedad que contiene una masa de aire, en relación con la máxima
humedad absoluta que podría admitir sin producirse condensación, conservando las mismas
condiciones de temperatura y presión atmosférica.
Inflamabilidad: Es la facilidad con la cual una sustancia encenderá, causando fuego o
combustión.
Influente: Caudal de entrada o alimentación de un biodigestor. En general, se utiliza este término
para definir un caudal de líquido que entra a un tanque o algún lugar de almacenamiento.
Inoculación: Proceso mediante el cual se realiza una introducción de microorganismos no
presentes en una mezcla o recinto.
Lower Heating Value (LHV): También llamado poder calorífico inferior, definido como el valor
calorífico neto de un combustible liberado por la combustión de una cantidad especificada.
Manto freático: Es el nivel en el cual se encuentra o discurre el nivel de agua en el subsuelo.
Metanogénesis: Es la formación de metano por microbios. Es una forma de metabolismo
microbiano cuyo paso final es la descomposición de la biomasa. Los organismos capaces de
producir metano viven usualmente en asociación directa con bacterias anaeróbicas.
Mezcla ácida: Se refiere a la concentración, dentro de una solución determinada, de un gran
número de iones hidrógeno presentes en dicha solución.
106
Mezcla básica: Se refiere a la concentración, dentro de una solución determinada, de un bajo
número de iones hidrógeno presentes en dicha solución.
pH: Se refiere a la medida de la acidificación o de una solución. Se aproxima pero nunca es igual
a p[H], el logaritmo negativo de la concentración molar de iones hidrógeno disueltos. Un bajo pH
indica una alta concentración de iones hidrógeno, mientras que un pH alto indica una baja
concentración.
pH-ímetro: Aparato que consta de un electrodo que mide el diferencial de potencial dentro de una
muestra y que se utiliza para medir la cantidad de iones hidrógeno en el agua.
Poder calorífico: es la cantidad de energía que la unidad de masa de materia puede desprender
al producirse una reacción química de oxidación.
Polietileno: Es un polímero de cadena lineal no ramificada. Químicamente es el polímero más
simple.
Pulpado: Es el proceso de convertir la madera en pulpa separada para la industria papelera.
Purgar: Es la evacuación de sustancias indeseables dentro de un fluido.
Reactor: Es un confinamiento donde se lleva a cabo la descomposición de forma anaeróbica de la
biomasa, produciendo así el biogás.
Recurso renovable: Son aquellos recursos cuya existencia no se agota con su utilización, debido
a que vuelven a su estado original o se regeneran.
Soda cáustica (Hidróxido de sodio): es un hidróxido cáustico usado en la industria como base
química en la fabricación de papel, tejidos y detergentes.
Sopladores (Blowers): Elementos mecánicos utilizados transportar el biogás de un lugar a otro.
Tamizado: Es un método físico para separar mezclas, el cual consiste en hacer pasar una mezcla
de partículas sólidas de diferentes tamaños por un tamiz o colador separándolas.
Tanque clarificador: En las plantas de tratamiento de agua se refiere a los tanques en los que se
da la sedimentación de los lodos del agua tratada de manera aerobia, con el fin de que el agua
superficial sea utilizada para un posterior proceso.
Temperatura de flama adiabática: Es la temperatura que alcanzan los productos en una reacción
de combustión.
107
Termocupla: Consiste de un par de conductores de diferentes metales o aleaciones, que nos
proporcionan la temperatura de diversas sustancias.
Termofílico: Se dice que un biodigestor es tipo termofílico, cuando dentro de su reactor se
alcanzan temperaturas entre el rango de los 35ºC y 60ºC.
Tiempo de retención: Es el tiempo calculado de permanencia de materia útil adentro de un
reactor para que este pueda ser degradado mediante la acción de las bacterias anaerobias.
Válvula de alivio: Son válvulas diseñadas para liberar fluido cuando la presión interna supera el
umbral establecido.
108
109
REFERENCIAS
ACASA. Asociación Comunal Administradora del Sistema de Agua de San Marcos Lempa, Caserío
Valle Nuevo, Cantón San Marcos Lempa, Dpto. de Usulután, El Salvador.
Tel. 2632 – 2823.
CAFECO.
Edificio Adebien II, Boulevard Merliot No. 5 Antiguo Cuscatlán, La Libertad, El Salvador .
Tel. 2289 - 6665; 2289 – 2692; 2289 - 2703
DIMMA S.A. de C.V. Laboratorio de análisis de aguas. El Salvador.
Ing. Graciela Cortez.
Ing. Tadeo Ramírez.
e-mail: [email protected]
Tel. 2284 – 8430.
ILC. Industrias La Constancia. Wastewater Treatment Plant, Beer Division, El Salvador.
Ing. Ricardo Colorado.
Ing. Rony Cárcamo.
Tel. 2231 – 5172.
110
111
BIBLIOGRAFÍA
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Standards.ASTM Publishing.
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beneficio de cuatro proyectos hidroeléctricos en la cuenca Changuinola-Teribe. Alianza
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biomásica. Comisión Ejecutiva del Ro Lempa - Universidad Centroamericana “José Simeón
Cañas” UCA. San Salvador, El Salvador.
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Tratamiento y Reuso en Regadío de las Aguas Servidas del Sector Oriente de Santiago.
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Leña y Fuentes Alternas de Energía. El Salvador.
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Cattle Farm in Indonesia. Indonesian Center for Agricultural Engineering Research and
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http://www.bioagricoladelllano.com.co/website/documentos/ANEXO%207%20Prefactibilida
d%20Don%20Juanito%20(DOC%20NO%20ACTUALIZADO%20SEGUN%20NUEVA%20C
APACIDAD%20TECNICA%20DEL%20R.S..pdf, Julio 2010.
Elektrotechnik Michael Grüttner, http://www.elektrotechnik-gruettner.de/40608/40828.html,
Julio 2010.
Gerry Baron Site, http://www.habmigern2003.info/language/German/Baron-
biogasanlage.html, Julio 2010.
IBC Perú, http://www.ibcperu.org/doc/isis/7450.pdf, Julio 2010.
Methane to Markets, http://www.methanetomarkets.org/Data/PichacayPFstudySpanish.pdf,
Julio 2010.
Methane to Markets,
http://www.methanetomarkets.org/documents/events_land_20090428_landfills-28apr09-
prefactibilidad_rd_villa_karina_y_el_tejar_moises_lino.pdf, Julio 2010.
Pontificia Universidad Javeriana,
http://www.javeriana.edu.co/biblos/tesis/ingenieria/tesis15.pdf, Julio 2010
SIGET,
http://www.siget.gob.sv/attachments/1359_TERMINOS%20_Y_CONDICIONES_GENERAL
ES0-01-2010.pdf, Julio 2010.
Tierra Tropical, http://usi.earth.ac.cr/tierratropical/archivos-de-usuario/Edicion/51_v3.2-
02_QuesadaSalas.pdf, Julio 2010.
SICA, http://appext.sica.int/eepbiWEB/viewProject.jsf?projectId=23, Julio 2010.
ANEXO A RESULTADOS DE ANÁLISIS
A-1
ANEXO A. RESULTADOS DE ANÁLISIS
San Salvador 21 de Mayo del 2010.
Atención
Ing. Ismael Sánchez
Presente
Estimado Ingeniero:
Por este medio me permito remitirle el informe del estado y de la visita realizada el día 20 de Mayo
del presente año a las instalaciones del biodigestor ubicado en la ganadería ubicada en San
Sebastián Salitrillo, jurisdicción de Chalchuapa, Departamento de Santa Ana:
1. Se efectuaron los análisis químicos de la entrada y salida del biodigestor, determinando
que no está trabajando, ya que no existe actividad microbiológica en el sistema, por lo
tanto no se genera biogás, véase datos de DQO (se adjuntan análisis a este documento)
2. También se determinó que el lodo de la alimentación no se digiere y la salida es lodo no
digerido y ya seco por la exposición al sol.
3. En la visita se nos informó que el sistema tenía más de una semana de no estar operando,
debido a que el encargado de operarlo había renunciado.
4. Se nos informó que la alimentación del sistema se hace de forma irregular.
5. Se observó el sistema de tamices instalado en la pila de carga del biodigestor, y se notó
actividad anaeróbica generada probablemente por el lodo que se está descomponiendo en
el fondo de la misma, además se observó en algunas secciones de la pila un burbujeo
intenso, debido posiblemente a la presencia de bióxido de carbono como resultado de la
primera etapa de la metanogénesis.
6. El mismo comportamiento observado en la pila, se da en las cajas de alimentación del
biodigestor, esto se debe a que en esta sección si existe descomposición de lodo ya que
es la parte más profunda del biodigestor y el lodo esta estable, debido a que no ha habido
alimentación.
7. La capa seca de lodo presente en la descarga del biodigestor, debido a que no se ha
alimentado se está desprendiendo y regresando al fondo del biodigestor y hay que esperar
que se digiera antes de alimentarlo nuevamente.
DIMMA S.A. DE C.V. LABORATORIO DE ANÁLISIS DE AGUAS [email protected] Teléfono: 2284-8430
A-2
Sobre la base de estas observaciones se establecen el siguiente análisis:
1. El hecho de que en la pila y en la entrada del biodigestor ya comience a generarse
actividad anaerobia, (burbujeo debido a la generación de bióxido de carbono), después de
una semana de no alimentarlo implica que el sistema necesita tiempo para reaccionar, lo
que nos hace concluir que el caudal de alimentación que se le ha estado alimentando no
es el adecuado.
2. El hecho de que el lodo no digerido se halla separado del mismo indica, que el sistema ha
comenzado su proceso anaerobio, de forma lenta en relación a la alimentación que se le
ha estado suministrando.
3. La carga de diseño del biodigestor es el máximo flujo de alimentación para la cual ha sido
diseñado no implica que a este sistema se le debe de alimentar desde su arranque con
toda la carga orgánica para la que fue diseñado, esta carga debe ser definida en base a
concentración y tiempo de alimentación, de manera programada de acuerdo a los efectos
generados por esta alimentación, para esto se deberá tomar muestra representativa del
lodo del reactor y analizar sólidos suspendidos volátiles.
4. El volumen de biomasa necesario para degradar la carga que se encuentra concentrada en
el flujo de alimentación no se ha desarrollado, por lo que es necesario desarrollarla poco a
poco, para esto no se deberá alimentar el biodigestor en una semana y luego comenzar
con los análisis de sólidos suspendidos volátiles. Esto es debido a que no se inoculó el bio-
reactor con una cepa específica para esta materia orgánica y esta carga servirá para eso.
De acuerdo a nuestro análisis hacemos la siguiente recomendación:
De forma inmediata se recomienda, remover manualmente la capa de lodo seco presente en la
descarga, y esperar una semana para tomar una muestra del líquido remanente de la descarga, sin
alimentar el biodigestor, lo anterior es para verificar el grado de descomposición del interior del
biodigestor.
Nota: Revisar la fundación del tanque para determinar posible hundimiento de la estructura.
DIMMA S.A. DE C.V. LABORATORIO DE ANÁLISIS DE AGUAS [email protected] Teléfono: 2284-8430
A-3
San Salvador, 21 de Mayo de 2010
Señores
BBIIOODDIIGGEESSTTOORR CCHHAALLCCHHUUAAPPAA
Presente
At´n: Ismael Sánchez
Estimados Señores:
Por este medio les presentamos los resultados obtenidos en los análisis realizados a su muestra.
PROCEDENCIA: Entrada al Reactor
RESULTADOS DE LOS ANÁLISIS FÍSICO QUÍMICOS
PARÁMETRO VALOR UNIDAD RANGO DE
MEDICIÓN
METODO
UTILIZADO INCERTEZA
pH 7.22 - 1 - 14 Electrodo
Selectivo ± 0.05
DQO 792.00 mg/l 500 – 10,000 MERCK SQ
112 ± 2 mg/l
Ácidos
Grasos 73.01 mg/l - Método Kapp -
Esta muestra fue tomada por nuestro equipo técnico, e ingreso al Laboratorio el día 14 de Mayo
de 2010.
Atentamente
Rodolfo Tadeo Ramírez
Jefe de Laboratorio
DIMMA S.A. DE C.V. LABORATORIO DE ANÁLISIS DE AGUAS [email protected] Teléfono: 2284-8430
A-4
San Salvador, 21 de Mayo de 2010
Señores
BBIIOODDIIGGEESSTTOORR CCHHAALLCCHHUUAAPPAA
Presente
At´n: Ismael Sánchez
Estimados Señores:
Por este medio les presentamos los resultados obtenidos en los análisis realizados a su muestra.
PROCEDENCIA: Salida del Reactor
RESULTADOS DE LOS ANÁLISIS FÍSICO QUÍMICOS
PARÁMETRO VALOR UNIDAD RANGO DE
MEDICIÓN
METODO
UTILIZADO INCERTEZA
pH 7.98 - 1 - 14 Electrodo
Selectivo ± 0.05
DQO 4,234.00 mg/l 500 – 10,000 MERCK SQ 112 ± 2 mg/l
Ácidos
Grasos 70.55 mg/l - Método Kapp -
Esta muestra fue tomada por nuestro equipo técnico, e ingreso al Laboratorio el día 14 de Mayo
de 2010.
Atentamente
Rodolfo Tadeo Ramírez
Jefe de Laboratorio
DIMMA S.A. DE C.V. LABORATORIO DE ANÁLISIS DE AGUAS [email protected] Teléfono: 2284-8430
A-5
San Salvador 1 de Junio del 2010.
Atención
Ing. Ismael Sánchez
Presente
Estimado Ingeniero:
Por este medio me permito remitirle el informe de evaluación de los últimos resultados de análisis
de laboratorio del agua del efluente del biodigestor que está operando actualmente en la granja
bovina de de Chalchuapa.
Resultado del análisis:
Se compara el último análisis con el anterior
Parámetro Unidad Resultado de la muestra
del 21 de Mayo
Resultado de la muestra del 31
de Mayo
pH mg/l 7.98 6.62
DQO mg/l 4,234.00 719.00
Ácidos Grasos mg/l 70.55 88.18
De acuerdo a estos resultados se puede concluir:
8. El descenso drástico del pH de un punto y el leve incremento observado en la
concentración de ácidos grasos, indican el inicio de la actividad biológica dentro del
sistema.
9. La DQO ha descendido en dos semanas, en un 83 %, lo cual indica la presencia de
biomasa activa que esta removiendo carga orgánica estática y no en flujo continuo.
Sobre la base de estas observaciones se establece el siguiente análisis:
DIMMA S.A. DE C.V. LABORATORIO DE ANÁLISIS DE AGUAS [email protected] Teléfono: 2284-8430
A-6
1. El hecho de que exista material biológico capas de remover carga orgánica, en flujo
estático o batch y no lo haga en flujo continuo, implica que no existe suficiente nivel de
biomasa en el manto que remueve la carga orgánica dentro del biodigestor.
2. Este comportamiento indica dos posibles causas:
2.1. La influencia de material ajeno que inhibe el desarrollo de la biomasa, como otra sepa
de bacterias creciendo en el mismo medio que compite con las metanogénicas.
2.2. La influencia de un agente fisicoquímico que contamine el medio como trazas de algún
medicamento para el control de enfermedades del ganado o un agente desinfectante.
2.3. Que el tamaño del biodigestor no sea capaz de procesar la carga que se le está
dosificando, por ejemplo se debería de comenzar a alimentar este reactor en una
relación de inicial durante la primera semana de 5 a 1, es decir que 1 kg de excreta
diluido en 5 de agua, en la siguiente semana pasar a 4 a 1 y en la próxima 3 a 1 y
hasta ahí realizar un análisis de entrada y salida.
De acuerdo a nuestro análisis hacemos la siguiente recomendación:
Comenzar a alimentar el biodigestor con una carga donde la relación agua/excreta sea de 5/1,
durante 5 días, luego reposar 2 días y comenzar otros 5 días con una relación 4/1, se descansa 2
días, hasta llegar a la tercera semana con una relación 3 a 1, donde se recomienda observar el
comportamiento del sistema; es recomendable que la dilución de las excretas se realice con el
efluente de descarga del biodigestor (el agua de salida del tanque).
ANEXO B PLANOS
B-1
ANEXO B. PLANOS
B-2
B-3
B-4
B-5
B-6
B-7
ANEXO C BITÁCORA DE MONITOREO BIODIGESTOR HACIENDA
MIRAVALLE
C-1
ANEXO C. BITÁCORA DE MONITOREO BIODIGESTOR MIRAVALLE
Bitácora de monitoreo
Día (Fecha) Hora pH Temperatura