Producción de biogás y bioabonos a partir de efluentes de biodigestores

¹ Estación Experimental de Pastos y Forrajes "Indio Hatuey", Central España Republicana,CP 44280, Matanzas, Cuba.
E-mail: luis.cepero@indio.atenas.inf.cu
² Dirección de Planificación Física, Sancti Spíritus, Cuba
³ Delegación CITMA, Las Tunas, Cuba
⁴UEB Construcción Civil, Organización Base Eléctrica, Santiago de Cuba

Uno de los procesos de investigación e innovación tecnológica que se desarrollan en el marco del proyecto "La biomasa como fuente renovable de energía para el medio rural" (BIOMAS-CUBA) está relacionado con la producción de biogás y bioabonos a partir de los efluentes de biodigestores, en fincas agroenergéticas, donde se producen alimentos y energía, de forma integrada. Las tecnologías seleccionadas para la construcción de biodigestores anaeróbicos han sido: la cúpula fija (modelo chino), el tubular plástico o de manga de polietileno con flujo continuo (tipo Taiwán) y la laguna anaeróbica cubierta con una geomembrana de polietileno de alta densidad. A partir de estas se construyeron o repararon en menor medida 69 biodigestores, en fincas campesinas de las provincias de Matanzas, Sancti Spíritus y Las Tunas, en la Estación Experimental "Indio Hatuey", en la comunidad de Montaña Magueyal (Santiago de Cuba), en un centro de producción porcina de Las Tunas y en una granja agropecuaria del Ministerio del Interior, en Jovellanos (provincia de Matanzas). Estos 69 biodigestores abarcaron una capacidad total de digestión de 1 665 m³ y generaron producciones de 600 060 m³ de biogás, que se utilizaron en la cocción de alimento humano y animal, la generación de electricidad y la cocción de ladrillos; así como 2 601 t de bioabonos, empleados en la mejora de la fertilidad de 1 830 ha de suelos; además permiten eliminar la contaminación provocada por excretas vacunas y porcinas en los escenarios productivos, lo cual genera un impacto ambiental positivo. Se instalaron 52 plantas de producción de bioproductos a partir de efluentes de biodigestores, enriquecidos con microorganismos nativos, los cuales se utilizan en la sanidad animal y vegetal, la nutrición de cultivos, la eliminación de malos olores en instalaciones pecuarias, la biorremediación de lagunas contaminadas con residuales orgánicos y en los filtros de biocerámicas.

Palabras clave: biogás, abonos orgánicos.

ABSTRACT

One of the research and technological innovation processes which are developed within the project «Biomass as renewable energy source for rural areas» (BIOMAS-CUBA) is related to biogas and biofertilizer production from biodigester effluents, in agroenergy farms, where food and energy are produced, in an integrated way. The technologies selected for constructing anaerobic biodigesters have been: fixed dome (Chinese model), plastic tube or polyethylene with continuous flow (Taiwan type) and anaerobic lagoon covered with a high density polyethylene geomembrane. From these technologies 69 biodigesters were constructed or repaired to a lesser extent-, in farms from the provinces Matanzas, Sancti Spiritus and Las Tunas, at the Experimental Station "Indio Hatuey", in the mountain community Magueyal (Santiago de Cuba), in a pig production facility from Las Tunas and a livestock production farm belonging to the Ministry of Interior, in Jovellanos (Matanzas province). These 69 biodigesters comprised a total digestion capacity of 1 665 m³ and generated productions of 600 060 m³ of biogas, which were used for cooking food and feedstuffs, electricity generation and brick firing; as well as 2 601 t of biofertilizers, used for improving the fertility of 1 830 ha of soils; in addition, they allow eliminating the contamination produced by cattle and pig dung in the productive scenarios, which generates a positive environmental impact. The installation was carried out of 52 bioproduct production plants from biodigester effluents, enriched with native microorganisms, which are used in animal and plant health, crop nutrition, elimination of bad odors in livestock production facilities, bioremediation of lagoons contaminated with organic residues and in bioceramic filters.

Key words: biogas, organic fertilizers.

Uno de los procesos de investigación e innovación tecnológica que se desarrollan en el marco del proyecto internacional BIOMAS-CUBA está relacionado con la producción de biogás y bioabonos, a partir de los efluentes de biodigestores en el contexto de las fincas donde se produce alimentos y energía, de forma integrada. ]]> El biogás es una mezcla de diferentes gases producidos por la descomposición anaeróbica de materia orgánica, como el estiércol y las basuras orgánicas. La composición química del biogás (tabla 1) indica que el componente más abundante es el metano (CH4); este es el primer hidrocarburo de la serie de los alcanos y un gas de efecto invernadero. La mezcla de CH4 con el aire es combustible y arde con llama azul.

El objetivo del trabajo fue socializar la experiencia del proyecto en lo referente a la producción de biogás y bioabonos, a partir de los efluentes de biodigestores.

Para el fomento de la producción integrada de biogás y bioabonos, así como para su uso, se utilizó un procedimiento, cuyos pasos son los siguientes:

1. Selección de la tecnología más apropiada para cada escenario productivo.

2. Diseño y construcción de los biodigestores.

3. Desarrollo y construcción de filtros para absorber el sulfuro de hidrógeno presente en el biogás.

4. Prueba de diversas aplicaciones de utilización del biogás. Uso de los bioabonos producidos a partir de los efluentes de los biodigestores.

5. Capacitación. ]]> Producción de biogás a partir de residuos animales y de bioabonos con los efluentes de biodigestores: la experiencia de BIOMAS-CUBA

Las tecnologías seleccionadas para la construcción de biodigestores anaeróbicos en el marco de BIOMAS-CUBA fueron: 1) la cúpula fija (modelo chino), 2) el tubular plástico o de manga de polietileno con flujo continuo (tipo Taiwán), y 3) la laguna anaeróbica cubierta con una geomembrana de polietileno de alta densidad (PAD), de Vietnam.

La forma del biodigestor de cúpula fija, de origen chino, se asemeja a una esfera y el gas se almacena dentro de la campana fija a presión variable, la cual se obtiene al desplazar el líquido en digestión hacia una cámara llamada de hidropresión; los materiales de construcción son bloques y/o ladrillos, cemento y acero. Estos digestores se cargan en forma semicontinua: se realiza una primera carga con material celulósico y estiércol, además del inóculo correspondiente, hasta un 70% de la capacidad (Hilbert, 2003); luego se sigue cargando como un digestor continuo; a los 120-180 días se descarga en forma total y se reinicia el ciclo. Fuera de China, generalmente, se manejan estos digestores en forma continua.

El biodigestor tubular plástico consiste en una especie de bolsa elongada de polietileno, con una relación longitud-ancho de aproximadamente 5:1, aunque por razones de construcción eficiente las dimensiones pueden diferir (Frederiks, 2011); dicha bolsa se coloca en un foso. Este biodigestor tiene un costo mucho menor que el anterior, pero posee una vida útil inferior (menos de un 25% de la vida del biodigestor de cúpula fija).

La laguna anaeróbica cubierta con polietileno de alta densidad es una tecnología desarrollada por el Centro de Tecnología de Biogás de Hanoi (CTBH, 2011) para grandes volúmenes de residuales y una cantidad de sólidos de alrededor del 3%, con bajos costos de construcción y operación. Esta resuelve las limitaciones de las lagunas anaeróbicas descubiertas, las cuales emiten metano a la atmósfera y olores desagradables, e impiden recuperar el biogás. Su fondo y paredes pueden ser de arcilla impermeable, de bloques, ladrillos u hormigón armado; mientras que la cubierta de PAD flota en la superficie de la laguna y es resistente a los rayos ultravioletas.

En el proyecto se construyeron o repararon en menor medida 69 biodigestores, de ellos: nueve son tubulares plásticos; uno, de cúpula móvil (modelo hindú); dos, de lagunas anaeróbicas cubiertas, de 300 m³ (tecnología vietnamita); y los 57 restantes son de cúpula fija (Cepero et al., 2011).

Los biodigestores tubulares plásticos se instalaron en fincas campesinas de las provincias de Matanzas y Sancti Spíritus, así como en la Estación Experimental "Indio Hatuey" (EEIH); los de cúpula fija se construyeron en estas dos provincias, además de en Las Tunas, la comunidad de montaña Magueyal de la Sierra Maestra, municipio San Luis (Santiago de Cuba) y en la EEIH, donde también se reparó un biodigestor de cúpula móvil. Las dos lagunas anaeróbicas cubiertas se construyeron en un centro de producción porcina de Las Tunas y en una granja agropecuaria del Ministerio del Interior, en Jovellanos (Matanzas).

Estos 69 biodigestores, entre 2009-2011, abarcaron una capacidad total de digestión de 1 665 m³ y generaron producciones de 600 060 m³ de biogás, que se utilizaron en la cocción de alimento humano y animal, en la generación de electricidad y en la cocción de ladrillos; así como de 2 601 t de bioabonos (equivalentes a 1 812 barriles de petróleo 100 USD/barril y 348 t de fertilizante completo NPK (12-10-10%) 650 USD/t, respectivamente), empleados en la mejora de la fertilidad de 1 830 hectáreas de suelos (tabla 2). ]]>

Los biodigestores, además de producir biogás cuyo contenido de energía en 1 m³ de biogás (60% CH4 y 40% CO2) es aproximadamente 6 kWh/m³ (Hilbert, 2003), permiten reducir la emisión descontrolada de metano proveniente de la ganadería y la concentración de CO2 en la atmósfera ambos, gases de efecto invernadero, la emisión de óxido nitroso y amoníaco al aplicar como bioabono los efluentes del biodigestor, y los contaminantes orgánicos presentes en los estiércoles, al ser descompuestos en la digestión anaerobia. Asimismo, cada 380 L de metano (CH4), formados en un digestor de biogás a presión de una atmósfera y 25ºC de temperatura, se reduce la carga contaminante en 1 kg de demanda química de oxigeno (DQO).

En este sentido, BIOMAS-CUBA permitió eliminar, mediante la construcción de biodigestores, la contaminación generada por excretas vacuna y porcina en 67 escenarios productivos, lo cual generó un impacto ambiental positivo, incrementado con la utilización de sus efluentes como bioabonos.

En este proceso contribuyó un software soportado en LabVIEW 7.1, desarrollado por especialistas de la delegación provincial del Ministerio de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente (CITMA) de Las Tunas vinculados al proyecto y un manual para diseñar biodigestores y sus lagunas de tratamiento secundario y terciario, en función de la disminución de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) del efluente líquido, lo cual posibilitó el diseño óptimo de biodigestores, con mayor eficiencia y menor gasto de materiales.

Como en el biogás hay trazas de sulfuro de hidrógeno (H2S) que le confieren un olor desagradable, a desagüe, es necesario eliminar este componente de su corriente antes de emplearlo como combustible; para ello se hace pasar el flujo de biogás a través de un filtro relleno con virutas de hierro tratadas, provenientes de los talleres de maquinado.

El tratamiento previo parte de un lavado de las virutas, con detergente, para eliminar la grasa y otras suciedades, y se dejan secar. Posteriormente las virutas se sumergen en una solución de HCl al 5,0% durante 5-10 minutos, se extraen y se secan al aire; por último, son sumergidas en una solución de NaOH al 5,0%, por 5 a 10 minutos, y de nuevo se dejan secar al aire. Como resultado, las virutas se convierten en Fe2O3, compuesto que reacciona rápidamente con el H2S, cuyo límite de absorción en Fe2O3 es 56% (Díaz Piñón, 2008). En este sentido, se han desarrollado diversas variantes de estos filtros por absorción.

Una de las razones por las que es necesaria la eliminación del H2S es el carácter corrosivo de los equipos de metal, especialmente en las condiciones de alta temperatura y presión (por ejemplo, con acero el nivel erosivo de H2S es 2,5 mm/año). El desgaste de H2S tiene su origen en esta reacción: Fe + H2S FexSy + 2H

La otra razón es que, cuando se quema, el H2S produce SO2, el cual también es un gas ácido fuerte con carácter corrosivo y tóxico para el sistema respiratorio; si tiene contacto con el agua forma el ácido H2SO3, responsable de producir la lluvia ácida, de gran impacto ambiental y generadora de cambios climáticos.

A finales de 2011, se organizaron dos cursos sobre biodigestores de laguna anaeróbica cubierta. El primero abordó la tecnología de cobertura con polietileno de alta densidad, desarrollada por el Centro de Tecnología de Biogás de Hanoi; mientras que el segundo se organizó con la empresa alemana Grupo AquaLimpia® y versó sobre el dimensionamiento, diseño y construcción de la laguna anaeróbica cubierta con geomembrana AQFlex®, para capacidades de digestión superiores a 300 m³ y generación de electricidad a partir del biogás (Moncayo, 2011), con el propósito de instalar siete lagunas a partir de 2012.

Las membranas AQFlex® de caucho monocapa son fabricadas con propileno, dieno, negro de humo, etileno y aceites agentes de vulcanización. Tienen 1,1 mm de espesor y pesan menos de 1,4 kg/m²; sin embargo, ofrecen una gran resistencia a la rotura, a las perforaciones y al desgarro. Estas tienen una capacidad de elongación de hasta un 400%, lo que permite un fácil acoplamiento a los movimientos por las presiones y acumulación de biogás; resisten grandes y bruscos cambios de temperatura y la exposición prolongada al ozono, con insignificantes o nulos signos de envejecimiento; también son estables a los rayos ultravioletas, incluso bajo una exposición permanente al sol, por lo que su esperanza de vida a la intemperie es de más de 30 años.

Asimismo, como parte del proceso de capacitación a los productores y especialistas para favorecer el proceso de difusión y adopción de los biodigestores anaeróbicos tanto plásticos como de cúpula fija se han elaborado dos manuales para su diseño, montaje y operación (Blanco et al., 2011; 2012).

Estos resultados se han generado mediante un amplio trabajo en red, causa principal del éxito que facilitó sinergias entre los actores a escala local, territorial y nacional, y también a través de un modelo de innovación orientado hacia el logro de resultados prácticos, que promovió la vinculación entre el sector académico y los productores, la implantación del concepto de finca agroenergética, el fomento de procesos de innovación agrícola local en los cuales se desarrollan y mejoran tecnologías e innovaciones con una amplia participación del beneficiario lo que genera mejoras y la sostenibilidad y el hecho de que se haya potenciado la participación y el papel protagónico de los productores/as y sus familias.

Este trabajo fue posible gracias al apoyo de la Agencia Suiza para el Desarrollo y la Cooperación (COSUDE) en el proyecto BIOMAS-CUBA y de la EEIH. Se agradece también la contribución del Centro de Tecnología del Biogás de Hanoi, la empresa AquaLimpia, el Dr. Thomas Preston, la Dra. Lyliam Rodríguez (UTA Foundation) y el Ing. Marcel Gauch (Grupo SUSTEC, Instituto Federal Suizo de Investigación y Prueba de Materiales, St. Gallen).

1. Blanco, D. et al. Manual para el diseño, montaje y operación de digestores plásticos de bajo costo. Una alternativa para Cuba. Estación Experimental "Indio Hatuey". Matanzas, Cuba. 38 p. 2011

2. Blanco, D. et al. Manual para el diseño, montaje y operación de digestores de cúpula fija. Una alternativa para Cuba. Estación Experimental "Indio Hatuey". Matanzas, Cuba. 35 p. 2012

3. Cepero, L. et al. Experiencias y resultados de BIOMAS-CUBA en la producción de biogás y de bioabonos a partir de efluentes de biodigestores. I Conferencia Científica Internacional de la UNISS "Yayabociencia 2011". Universidad de Sancti Spíritus, Cuba. 8 p. 2011

4. CTBH. Entrenamiento de la tecnología del biogás a gran escala para especialistas cubanos. Centro de Tecnología del Biogás de Hanói, Vietnam. 2011

5. Díaz Piñón, M.R. Eliminación de H2S en biogás. Caracterización, métodos y procedimientos. Grupo Provincial de Biogás, Las Tunas, Cuba. 12 p. 2008

6. Díaz Piñón, M.R. Energía y fertilizantes a partir de los residuos orgánicos. Presentación en Taller Nacional de Biogás, febrero, GRUPOR, Santiago de Cuba. 8 p. 2009

7. Frederiks, B. Biogas bag installation manual for small bag-type plug flow digesters. FACT Foundation, Eindhoven, Netherlands. http://www.fact-foundation.com [2/10/2011] 2011

8. Hilbert, J.A. Manual para la producción de biogás. Instituto de Ingeniería Rural, INTA Castelar, Morón, Argentina. 54 p. 2003

9. Moncayo, G. Dimensionamiento, diseño y construcción de biodigestores y plantas de biogás. AquaLimpia Beratende Ingenieure, Germany. 43 p. 2011

]]> 1 2011 38 2 2012 35 3 2011 8 4 CTBH 2011 5 2008 12 6 2009 8 7 8 2003 54 9 2011 43