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ESTACIÓN EXPERIMENTAL DE PASTOS Y FORRAJES “INDIO HATUEY”

2012

Manual de diseño, montaje y operación de digestores plásticos

de bajo costo. Una alternativa

para CubaLa experiencia del proyecto internacional

“La biomasa como fuente renovable de energía para el medio rural cubano” (BIOMAS-CUBA)

Dairom Blanco Betancourt Luis Cepero Casas

Jesús Suárez Hernández Giraldo J. Martín Martín

Revisión técnica: Dr.C. Jesús Suárez Hernández y Dr.C. Félix Ojeda García

Revisión de estilo: M.Sc. Alicia Ojeda González y Lic. Evelín Perdomo Sánchez

Diseño y diagramación: Lic. Israel de Jesús Zaldívar Pedroso

© De los autores: este libro ha sido elaborado por un colectivo de autores de la Estación Experimental de Pastos y Forrajes “Indio Hatuey” y editado por su editora, en 2012. Estación Experimental de Pastos y Forrajes “Indio Hatuey”. Central España Republicana, CP 44280, Matanzas, Cuba. Teléfono (53) 45-571225. E-mail: [email protected]

ISBN 978-959-7138-13-6

Todos los derechos reservados. Se autoriza el uso y la reproducción parcial de esta obra con fines no comerciales siempre y cuando se cite la fuente.

La edición e impresión de este libro ha sido posible gracias al apoyo financiero de la Agencia Suiza para el Desarrollo y la Cooperación (COSUDE).

Mirisleidys

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978-959-7138-16-7

Índice 3

ÍNDICE

Introducción ................................................................................................................................................. 5

I. Cálculo y diseño de digestores de biogás (metodología vietnamita) .................................................... 6

1.1 Procedimiento para la colecta de datos ...................................................................................... 6

1.1.1 Cantidad de residual por día ..............................................................................................6

1.1.2 Tasa de disolución de la mezcla de alimentación, N (L/kg)..................................................7

1.1.3 Productividad de biogás, Y (L/día) ...................................................................................7

1.1.4 Tiempo de retención, RT (día) ...........................................................................................7

1.1.5 Coeficiente de contención de gas, K .................................................................................8

1.2 Cálculo de los datos para dimensionar el digestor ..................................................................... 8

1.2.1 Cantidad de material de entrada (estiércol y agua) por día, Sd (L/día) ............................8

1.2.2 Capacidad de planta, G (m3/día) ........................................................................................9

1.2.3 Volumen de contención del gas, Vg (m3) ...........................................................................9

1.3 Ajuste del volumen calculado a las mangas del material .................................................................................................................................. 9

II. Montaje del digestor ............................................................................................................................ 11

2.1 Localización del digestor .......................................................................................................... 11

2.2 Recubrimiento de la excavación ............................................................................................... 12

2.2.1 Despliegue de material ....................................................................................................13

2.3 Preparación de las ligas sostenes .............................................................................................. 15

2.4 Fijado de la tubería de entrada y salida del digestor ................................................................ 16

2.5 Sistemas de salida del biogás .................................................................................................... 17

2.6 Posicionamiento del digestor .................................................................................................... 18

2.6.1 Sistema de tubos recolectores del biogás ........................................................................21

2.7 Reservorio del gas ..................................................................................................................... 22

III. Sistema de filtrado del biogás ............................................................................................................. 24

3.1 Absorción del H2S a partir de óxido de hierro .......................................................................... 24

IV. Consideraciones finales ...................................................................................................................... 26

Bibliografía consultada .............................................................................................................................. 27

Sobre los autores ........................................................................................................................................ 28

Introducción 5

INTRODUCCIÓN

La tecnología de producción de biogás mediante la fermentación anaerobia es ampliamente co-nocida. Existen muchos sistemas de tratamiento de residuales que permiten capturar los gases que emanan. Su importancia radica no solo en la capacidad de estos como combustible, sino en que dichos sistemas evitan la liberación a la atmósfera de gases como el metano, que generan veintitrés veces más efecto invernadero que el CO

2.

En Cuba, a principios de los años 80, esta tecnología cobró gran auge entre las entidades pro-ductivas, sobre todo en vaquerías y centros porcinos. Luego, con el paso del tiempo, un elevado número de estos sistemas fueron desatendidos, hasta que dejaron de funcionar la mayoría de las plantas montadas. Esto se debió, principalmente, a los bajos precios de la corriente eléctrica en ese momento y a la poca motivación de las entidades hacia la utilización de las energías reno-vables.

Hoy el escenario en Cuba es muy diferente, pero no menos complejo. Con la creciente entrega de tierras a pequeños propietarios y los elevados precios que ha alcanzado la energía en el país, la utilización del biogás se muestra como una alternativa interesante. Los nuevos propietarios están motivados y la demanda de digestores es muy alta, con tendencia al aumento. Esto, unido al incremento de las pequeñas y medianas producciones de cerdos, ha creado un ambiente favo-rable para el desarrollo del biogás.

Sin embargo, la principal limitación es el alto costo y la carencia de materiales (cemento, áridos, ladrillos) para la construcción de las plantas de cúpula fija que tradicionalmente se han utilizado. Una posible estrategia para dar solución a este problema es el empleo de los digestores de mate-riales alternativos, más baratos y menos trabajosos en su montaje. La tecnología de los digestores plásticos en la actualidad se muestra como una posible solución a la elevada demanda, siempre que las materias primas estén disponibles en el mercado y que se eliminen las indisciplinas tec-nológicas, lo cual limita su extensión.

Este manual puede constituir una herramienta para los especialistas y/o productores que se pro-pongan el montaje de digestores plásticos. No pretende ser absoluto, y se mantiene abierto a ac-tualizaciones a partir de las experiencias de técnicos y productores, ya que la práctica es mucho más rica que cualquier documento teórico y muchas veces hay detalles específicos de algunas regiones que quizás no estén recogidos en este material.

6 Manual de diseño, montaje y operación de digestores plásticos de bajo costo. Una alternativa para Cuba

I. CáLCULO Y DISEñO DE DIgESTORES DE bIOgáS (METODOLOgÍA vIETNAMITA)

Para el diseño de digestores de biogás hay algunos datos necesarios que pueden ser obtenidos en el lugar donde se va a montar la planta, y otros que deberán ser calculados por los especialistas. Los datos que deben ser colectados son:

• Cantidad de material de entrada diario, Md (kg/día)• Tasa de disolución del residual, N (L/día)

A partir de estos se pueden inferir otros datos necesarios:

• Productividad de biogás, Y (litro/día)• Tiempo de retención, RT (día)• Coeficiente de contención de gas (K)

Los datos que tendrán que ser calculados son:

• Cantidad de mezcla (estiércol y agua) de entrada por día, Sd (L/día)• Volumen descompuesto, Vd (m3)• Capacidad de equipo, G (m3/día)• Volumen de contención, Vg (m3)• Volumen del contenedor de gas, Vc (m3)• Volumen del espacio muerto, Vc (m3)• Volumen real del digestor

1.1 Procedimiento para la colecta de datos

1.1.1 Cantidad de residual por día

La cantidad de estiércol diario depende de la especie animal que esté presente en la explotación. Para estimar el volumen de material que se producirá se debe considerar la cantidad máxima a obtener y también el posible desarrollo del sistema de crianza y la familia en el futuro. La cantidad de estiércol por especie que se genera diariamente podrá ser estimada a partir de los datos de la tabla 1.

Tabla 1. Cantidad de estiércol y productividad de biogás, por día, de diferentes sustratos

Origen del estiércol Cantidad diaria (kg/cabeza)

Productividad diaria de gas (L/kg estiércol)

Vacuno 15-20 15-32Búfalo 18-25 15-32Cerdo 1,2-4,0 40-60Gallinera 0,02-0,05 50-60Humano 0,18-0,34 60-70

I. Cálculo y diseño de digestores de biogás (metodología vietnamita) 7

1.1.2 Tasa de disolución de la mezcla de alimentación, N (L/kg)

En el caso del estiércol de cerdo y el vacuno, normalmente se aplica la tasa de 2 litros por kilo-gramo de estiércol, aunque la decisión está determinada por el porcentaje de sólidos que tiene el residual a tratar.

La cantidad de elemento sólido (CK) óptimo en el estanque de descomposición es de 7 a 9%. En el momento de calcular el volumen de agua para preparar la mezcla, se puede determinar la cantidad de agua a adicionar por cada uno de los tipos de excreta (tabla 2).

Tabla 2. Porcentaje de sólidos por tipo de residual

Tipo de estiércol Elementos sólidos (%)

Cerdo 18Vacuno 16Búfalo 14Cabra 30Avícola 25Humano 20

1.1.3 Productividad de biogás, Y (L/día)

Para determinar la productividad de biogás en los diferentes sustratos se pueden emplear fórmu-las teóricas que calculan, a partir de la composición del sustrato en cuanto a proteínas, carbohi-dratos y grasas, la productividad teórica de biogás; o utilizar la diferencia entre la entrada y la salida de la demanda química de oxígeno (DQO) del digestor. A partir de estos conocimientos teóricos se han creado tablas tipo para facilitar el trabajo de los técnicos y especialistas. En la tabla 3 se muestran los rangos de productividad de biogás que tienen algunos de los residuales más comunes en los sistemas productivos.

Tabla 3. Productividad de biogás por tipo de sustrato

Tipo de estiércol Y (L/kg/día)Vacuno 30Búfalo 30Cabra 30Avícola 60Humano 60Cerdo 50

1.1.4 Tiempo de retención, RT (día)

El tiempo de retención es el período que se debe mantener un residual en un ambiente de di-gestión anaerobia para lograr una disminución de no menos del 80% de la DQO; es decir, es el tiempo que se debe dejar el residual en el interior del digestor para disminuir su carga contami-nante y extraer todo su potencial en producción de biogás. Depende del clima de cada zona; con la temperatura baja, el tiempo de retención es mayor, ya que disminuye la actividad metabólica de las bacterias (tabla 4).


Tabla 4. Tiempo de retención según la temperatura ambiente

Temperatura ambiente (ºC)

Tiempo de retención (días)

12-15 60

15-20 50

> 20 40

1.1.5 Coeficiente de contención de gas, K

El coeficiente de contención de gas se selecciona de acuerdo con la necesidad de uso de gas y se calcula según el propósito de utilización: cuando el gas se utiliza para la cocina e iluminación diaria de la vivienda, solo es necesario almacenarlo por la noche para el uso en 12 horas de día, por ello, K = 12/24 = 0,5.

Cuando el uso es para generar electricidad e iluminación en la noche, el máximo tiempo para almacenar el gas es 20 horas/día, o sea, K = 20/24 = casi 0,8.

1.2 Cálculo de los datos para dimensionar el digestor

1.2.1 Cantidad de material de entrada (estiércol y agua) por día, Sd (L/día)

Al tener el estiércol, con una densidad aproximada a uno, su volumen se puede estimar igual que su peso, es decir, 1 L de estiércol = 1 kg. La cantidad de material de entrada por día (suma del estiér-col y el agua) se puede calcular mediante la fórmula 1.

Sd = (1+N) x Md (1)

N: Tasa de disolución de la mezcla de alimentaciónMd: Cantidad de material de entrada diario

Por ejemplo, para el estiércol de cerdo y de ganado se aplica la tasa de disolución de N = 2, ya que por cada litro de excreta se deben adicionar dos litros de agua, para garantizar menos del 8% de sólidos. La fórmula 2 quedaría entonces de la forma siguiente:

Sd = (1+2) x Md (2)

volumen descompuesto, vd (m3)

El volumen descompuesto se calcula considerando el tiempo de retención y la cantidad de ma-terial de entrada por día.

(3)

En la fórmula anterior, hay una división entre 1 000 ya que la Sd se valora por litros y el Vd, usualmente, se muestra en metros cúbicos.

I. Cálculo y diseño de digestores de biogás (metodología vietnamita) 9

1.2.2 Capacidad de planta, g (m3/día)

La capacidad de planta se calcula a partir de la cantidad de material de entrada por día (Md) y la productividad de gas de equipo (Y):

(4)

1.2.3 volumen de contención del gas, vg (m3)

Se calcula con la capacidad (G) de equipo y el coeficiente de contención de gas (K), para lo cual se utiliza la fórmula 5.

Vg = K x G (5)

volumen del digestor o planta de biogás

Con todos estos datos se puede proceder a dimensionar el digestor. Para ello, el volumen real de equipo será:

V = Vd + Vg + Vc (m3) (6)

V: volumen real del digestorVd: volumen de contenedor de material y aguaVg: volumen de contención del gasVc: volumen de espacio muerto (Vc = 5-6% de Vd + Vg)

Un ejemplo de este procedimiento se describe a continuación. Una familia cría 15 cerdos, con el peso medio de 60 kg/cada uno. Cada día se recogen 50 kg de estiércol (3,3 kg/animal). Esta familia debe construir un equipo de la dimensión siguiente:

Vd = (50 x 4) L/día (tasa de disolución) x 50 días (tiempo de retención) = 10 000 L o 10 m3

Cantidad de gas recogida al día = 50 L/kg x 50 kg = 2 500 L o 2,5 m3

Vg = 0,5 (coeficiente de contención del gas) x 2,5 m3 = 1,25 m3

Vc = (Vd + Vg) x 5% = 0,563 m3

El volumen real de planta será: V = 10 + 1,25 + 0,563 = 11,81 m3

1.3 Ajuste del volumen calculado a las mangas del material

El volumen de un digestor de biogás siempre está subordinado a la cantidad de residuales que se generan en el sistema productivo. En el acápite anterior se ilustra la forma de calcular esta varia-ble, imprescindible para el diseño de una planta de biogás. En el caso de los digestores plásticos es similar, solo que se debe ajustar al material del que se disponga.

Las mangas de material usualmente vienen en rollos de 50-100 m, por lo que el especialista debe calcular a qué longitud debe dar el corte para obtener el volumen deseado. Para esto se utilizan


fórmulas de geometría básica, en este caso el volumen del cilindro, ya que una manga –una vez inflada– se comporta como un cilindro.

Lo primero es medir el diámetro de la circunferencia que se forma cuando se abre la manga (fi-gura 1). Con el diámetro se puede calcular el radio de dicha circunferencia (fórmula 7) y, a partir de este dato, se utiliza la fórmula 8 para el cálculo del volumen del cilindro del digestor, basado en el conocimiento del volumen que se necesita. Mediante el despeje de la fórmula es posible determinar el largo al que se debe cortar la manga.

Fig. 1. Datos para el cálculo del cilindro.

Cálculo del radio

(7)

Despeje para el cálculo del largo al que se corta la manga

V = π x r2 x L (8)

(9)

II. Montaje del digestor 11

II. MONTAJE DEL DIgESTOR

2.1 Localización del digestor

La localización para la construcción de un digestor de biogás es, sin duda, uno de los puntos críticos de la obra, y determina, en gran medida, el éxito de la tecnología. Una ubicación ideal es aquella que se encuentra cerca de donde se generan los residuales, a un nivel inferior del punto de desagüe de las instalaciones. Esto garantiza que el acopio de los residuos sea sin gasto de energía ni la intervención directa del hombre. La inclusión de esta tarea dentro de las labores de los obreros, lejos de una solución, puede tornarse un problema para el sistema productivo, ya que se tiende a priorizar otras acciones con la consecuente desatención del digestor. Para el montaje se realiza un hoyo en forma de zanja, con los bordes inclinados, para evitar derrumbes (figura 2).

Para la dimensión de esta zanja se debe considerar el volumen del digestor que se va a montar, así como el ancho del rollo de plástico que se utilizará. En la tabla 5 se exponen algunos ejemplos; nótese que los lados referidos en la tabla son los señalados en el esquema del corte transversal de la zanja (figura 3).

Tabla 5. Dimensiones de la hoyo según el ancho del plástico

Dimensiones Ancho del rollo (m)1,0 2,5 5,0

A 0,3 0,75 1,5B 0,5 1,25 2,5C 0,6 1,5 5,0

Otro elemento importante que se debe tener en cuenta es que, una vez excavada la zanja, el digestor se debe montar lo antes posible, para evitar que la erosión natural o mecánica debido a la actividad del hombre y los animales genere deterioros en los bordes de esta. Por otro lado, se debe considerar la forma de los laterales de la excavación, a los cuales se les debe dejar una longitud de talud (inclinación de la pared de la zanja) de alrededor de 0,6 m por cada metro de profundidad (figura 4).

Fig. 2. Foso para el montaje del digestor.


Fig. 3. Esquema de zanja para biogás.

Fig. 4. Cálculo del talud.

2.2 Recubrimiento de la excavación

Una vez dimensionada y excavada la zanja es preciso trabajar en el acabado. Lo más importante es evitar que salientes de piedra o raíces puedan quedar expuestos y atenten contra la vida útil del digestor, al rasgar sus paredes.

También de acuerdo con el tipo de suelo, en algunos casos, es necesario hacer una compactación adicional, para la cual se pueden utilizar compactadores mecánicos o alguna pieza pesada con mango, que sirva como pisón artesanal.

Comprobada la calidad de la obra se debe recubrir el hoyo con una manta plástica (figura 5), preferentemente de HDPE, de más de 0,3 mm de espesor. Esta debe cubrir en su totalidad las paredes del hoyo para evitar que se dañe el plástico del digestor, que en general, es de un material menos resistente.

Fig. 5. Forrado del hoyo para la protección del digestor.


Para determinar la cantidad de material necesario para cubrir el hoyo, lo primero es calcular el largo del talud, el cual se puede obtener mediante el Teorema de Pitágoras (fórmula 10 y figura 6), donde c es la distancia del talud.

(10). Teorema de Pitágoras.

Después de calcular el largo del talud, se procede a obtener el área total del material necesario. Para esto se utiliza la fórmula 11, la cual contempla también el largo de la zanja.

D = (2c + d + 2e) x L (11)

Fig. 6. Datos para dimensionar la zanja del digestor.

D: Área del material a utilizarL: Largo del hoyo en forma de zanjae: Longitud del sobrante de material para fijar por fuera de la zanja (usualmente se utiliza 1 m)d: Longitud del fondo del digestorc: Longitud del talud (se calcula por Pitágoras)

2.2.1 Despliegue de material

El material que se utiliza en el montaje de los digestores plásticos tubulares tiene, usualmente, un espesor de menos de 1 mm, lo que lo hace vulnerable a objetos punzantes y cuerpos extraños. Un punto crítico en el montaje de este tipo de digestores se presenta en el momento de desplegarlo del rollo donde viene embalado de fábrica. Para este procedimiento se debe elegir una superficie preferiblemente cementada, y previamente barrida, para cerciorarse de que no queden cuerpos extraños que puedan dañar el material.

Es común que en condiciones de producción, en Cuba, no se encuentre una superficie de este tipo; de ser así se debe buscar un césped, el cual se debe recorrer y revisar que no haya ningún saliente de piedra u otro elemento que pueda dañar la lámina de plástico (figura 7). Es impor-tante que no se subestime este proceso, ya que durante él, en la mayoría de los casos, se daña el digestor.


Fig. 7. Inspección del terreno.

Una vez seguros de que no hay cuerpos extraños en el área de despliegue, se procede a desenvol-ver el material del embalaje (figura 8). Es importante señalar que a pesar de tener esa seguridad, nunca se debe rodar el rollo por el suelo. Una pequeña piedra, normalmente no peligrosa, poncha la lámina del digestor, debido a la presión del peso del rollo.

Fig. 8. Despliegue del material.

Para esta tarea, lo más práctico es utilizar dos varas de madera que se introducen por los agujeros salientes del centro del rollo y, con cuidado, desenrollar la lámina hasta la distancia calculada con anterioridad. Es importante recordar que la manga de polietileno se debe poner doble, para tratar de impedir que si hay una rotura en alguna parte del plástico, no coincida con una rotura en este mismo punto en la otra membrana y, de esta forma, evitar que se pro-duzca un escape de gas (figura 9).


Fig. 9. Despliegue de la segunda lámina.

Después de desplegadas las dos porciones de la lámina, se utiliza a una persona poco pesada que, sin zapatos, tome uno de los extremos de la manga y camine por dentro de la otra porción, logrando dejar dobles las membranas del material. Este procedimiento se realiza cuando el diá-metro del digestor sea de más de 2 m, o que el espesor de la lámina sea superior a 0,5 mm. Si estos parámetros son inferiores, se puede acumular en el antebrazo del técnico de montaje una parte de la manga, hasta que se alcance el otro extremo, y tirar de este dejando siempre la doble membrana deseada. Un elemento importante es que no deben quedar pliegues en el interior de estas dos membranas.

2.3 Preparación de las ligas sostenes

Una vez lista la manga de doble lámina de plástico, se debe proceder a fijar la entrada y la salida de los residuales. Para esto se utilizarán ligas de cámara usada de automóvil o bicicleta, que deben ser cortadas –como máximo– a 2,5 cm de ancho, para que sean fácilmente manipulables (figura 10). Otro elemento al que se le debe prestar atención es que los bordes de la liga queden sin cortes que apunten al centro, para evitar que se parta con facilidad al aplicarle presión en el amarre.

Fig. 10. Preparación de las ligas.


2.4 Fijado de la tubería de entrada y salida del digestor

Las tuberías para la entrada y la salida de los residuales del digestor deben ser de más de 110 mm de diámetro, para evitar tupiciones. Pueden ser de cerámica, HPDE, PVC u otro ma-terial resistente que permita el flujo de los residuales.

El largo del tubo depende del volumen del digestor; es importante que tenga un largo suficiente que le permita estar siempre sumergido en el material en digestión (agua y excretas), pero no demasiado como para lesionar el fondo del digestor. Este tubo se coloca en uno de los extremos, y se debe dejar no menos de 50 cm para el amarre con las ligas de goma.

Un elemento importante es el plegado del material del digestor alrededor del cuerpo del tubo que se está fijando, para garantizar que, una vez lleno el digestor y que comience a ejercer presión sobre este empalme, la fuerza de tensión sea lo más homogénea posible. Ello se logra poniendo la tubería en el centro del diámetro de la manga y haciendo pliegues consecutivos que son sujetados junto al cuerpo del tubo. Este procedimiento se efectúa primero en uno de los lados del tubo y luego en el otro (figura 11). Cuando se termina el plegado, se acomodan los pliegues alrededor del cuerpo del tubo y con esto se obtiene una uniformidad en la distri-bución del material.

Fig. 11. Plegado del material alrededor del tubo colector.

Posteriormente, se amarra el tubo con las ligas de goma, previamente preparadas. Es importan-te hacer este trabajo sin apresuramiento, para que se logre cubrir con cada vuelta de la liga el extremo inferior de la anterior; el empalme se extiende hasta que se cubra por completo la lámi-na, sobrepasándola en no menos de 10 cm (figura 12).

Fig. 12. Fijado del material.


Si se realiza el empalme correctamente, debe quedar como se muestra en la figura 13. Este pro-cedimiento es similar para el tubo de entrada y el de salida del digestor.

Fig. 13. Empalme correcto.

2.5 Sistemas de salida del biogás

Antes de colocar el extremo de salida del digestor, se debe proceder a fijar la pieza por donde saldrán los gases. Para este fin se pueden utilizar varias piezas de plomería, pero todas cumplen con un principio similar: un receptor tubular con rosca externa o interna que permita el flujo entre las dos membranas, sin escape. Lo más común es utilizar un adaptador hembra de PVC y un adaptador macho con juntas de goma y plástico, como se observa en la figura 14.

Fig. 14. Sistema de colección de gas.


Estos adaptadores pueden ser unidos en forma de rosca o pegados. En caso de ser pegados, se debe tener especial cuidado de que no caiga el pegamento sobre la lámina del digestor, ya que la dañaría.

En el momento de la colocación de este implemento en el digestor debe asegurarse que quede hacia arriba, lo más perpendicular posible al terreno. Sobre el punto de inserción, hay algunas discrepancias entre los autores que publican sobre el tema: algunos plantean que debe ser en el primer tercio de la manga del digestor, mientras otros refieren que su instalación da mejores re-sultados al ser colocada hacia el final del digestor, donde se produce con mayor fuerza el proceso de metanogénesis.

2.6 Posicionamiento del digestor

Para el posicionamiento y la mejor manipulación del digestor es preciso su inflado. Luego de fijados los tubos de entrada y salida de los residuales, se tapa uno de estos con una bolsa plástica y tiras de goma, con lo que se logra que por este punto no salga aire. Al otro tubo se le fija con tiras de goma una manga de no menos de 4 m del mismo material con que ha sido fabricado el digestor. Esta manga servirá de bomba para impulsar el aire necesario al interior. Se toma la parte inferior de la manga de plástico y se sujeta con las rodillas, y con la parte superior se hacen movimientos enérgicos que, mediante su oscilación hacia arriba y hacia abajo, desplacen volú-menes de aire al interior de esta sección de plástico. Una vez llenos los 4 m de material se le hace presión y el aire entrará en el digestor (figura 15). La repetición de este proceso culminará en el completo y rápido llenado.

Fig. 15. Inflado del digestor.

Normalmente esto se realiza antes de ser transportado el digestor al lugar definitivo donde se montará, pero puede ocurrir que este sea de gran volumen, lo cual dificulta el transporte del lugar donde se ensambla hasta el hoyo. En estos casos se transporta la manga de plástico desin-flada. En esta actividad se debe contar con la cantidad de personas necesarias, que permitan que el material nunca se arrastre o roce con objetos extraños (figura 16).


Una vez en el lugar donde previamente se ha excavado y cubierto el hoyo con plástico, se intro-duce con cuidado el cuerpo del digestor, considerando que la salida de los gases siempre debe quedar en la parte superior (figura 17). Si se lleva inflado es mucho más sencillo, pero en el caso de un digestor grande (que se lleva desinflado), después de colocado, se debe estirar el material en el interior del hoyo para evitar que los pliegues afecten el volumen final.

Fig. 16. Transporte de la manga de plástico.

Fig. 17. Acomodo del digestor.

Para fijar los puntos de entrada y salida de los residuales, el cuerpo del digestor debe estar infla-do, independientemente del tamaño.

En caso de que se infle el digestor dentro del hoyo, se aplica el mismo procedimiento, el cual utiliza una porción de plástico.

Es importante que durante el proceso de inflado se mantenga, al menos, una persona en el interior del hoyo, para acomodar las paredes del digestor y eliminar los pliegues que puedan aparecer durante este proceso.


Ya inflado el digestor, lo antes posible se debe fijar la entrada y la salida. Es importante tener en cuenta los niveles de entrada y salida de los residuales al digestor. Para su correcto funciona-miento es preciso que la entrada se fije a 10 cm por encima del nivel de salida (figura 18); esta diferencia garantiza el flujo del material en forma de pistón dentro del digestor, desde el punto de alimentación hacia el de evacuación. Durante esta manipulación, el punto de salida de los gases se mantiene cerrado con un plástico y una liga de goma, para que no se escape el aire.

Fig. 18. Ajuste de niveles.

Después de fijados los niveles, los tubos conductores de los residuales deben ser fijados con arcilla o cemento, en dependencia de las condiciones del terreno.

La obra civil en el punto de salida no es compleja, ya que consiste solo en hacer una zanja con-ductora de los residuales hasta la laguna de estabilización; mientras que en el punto de entrada se debe prestar especial atención. Lo más común es realizar un registro a donde lleguen o se depositen los residuales a tratar; este registro debe tener una pendiente inversa hacia la entrada del digestor, que permita el efecto de desarenador del residual.

Este último elemento es muy importante, ya que si entra de forma directa el residual orgánico arrastrando partículas de tierra, piedras y otros elementos no fermentables, con el paso del tiem-po el fondo del digestor se saturará y su vida útil se verá afectada.

Después de fijado, lo más adecuado es llenarlo de agua ese mismo día, tratando que los extre-mos de los tubos interiores queden sumergidos, de forma que no se escape el aire que contiene dentro. Para esto se introduce por el registro de entrada la conductora (que hasta ese momento se encontraba tapada con un nailon) y se echa agua en su interior hasta que el líquido sobrepase las tuberías de entrada y de salida del digestor (figura 19). En ese momento el reactor está listo para ser cargado y se puede comenzar con la entrada de los residuales (figura 20).

Fig. 19. Trampa de agua.


2.6.1 Sistema de tubos recolectores del biogás

No es fácil el cálculo exacto de la superficie tangente de los tubos recolectores de gas, porque la velocidad de la corriente de este depende de múltiples factores: temperatura, presión, componen-tes y características del gas, entre otros.

La selección del tamaño de los tubos se basa mayormente en experiencias prácticas. No obstante, mediante el cálculo del volumen de gas que tiene el digestor en su interior es posible estimar el diámetro del tubo que se necesita.

A partir de este indicador se han desarrollado tablas tipo por las que el diseñador se puede guiar para seleccionar la tubería a utilizar (tabla 6).

Fig. 20. Terminación del digestor.

Tabla 6. Diámetro de la tubería para el gas según el volumen del reactor

No. Volumen de fermentación del reactor (m3)

Diámetro de la tubería principal (mm)

1 ≤ 49 102 > 50 203 > 75 204 > 100 255 > 150 326 > 200 327 > 250 42


Una vez seleccionado el diámetro del tubo que se utilizará, el montaje de la línea de conducción del biogás es rápido y sencillo.

Se inicia con un tubo vertical, desde el punto de salida de los gases, el cual debe estar previamen-te fijado en el digestor y que hasta ese momento se mantuvo cerrado. Este primer tubo debe tener una altura suficiente que permita, a partir de un codo que se le instalará en el extremo, desviar el flujo a la posición horizontal y permitir que este se dirija al punto de consumo del biogás.

Es importante que una vez que el tubo tome posición horizontal se le instale una trampa de agua. Este mecanismo se construye con una T, cuya salida inferior se extiende mediante un niple hasta el fondo de un recipiente que contenga agua. La altura de la columna de agua en el recipiente fijará la presión interna del digestor. Lo más común es fijar la altura de dicha columna entre 3 y 5 cm.

Este volumen permitirá que, en caso de un aumento excesivo de la presión interna del digestor, el extremo inferior de la trampa se comporte como fusible y no permita que se dañe el material. Para asegurar que este recipiente mantenga la altura de agua deseada, se perfora la pared en el punto señalado. Esto garantiza que el volumen de agua en su interior nunca sea superior al cal-culado por el diseñador. El recipiente se debe colocar en un punto con cierto declive, para que el agua que se genera por la condensación del vapor que acompaña el biogás corra por gravedad y se evacue por el recipiente. Este elemento es importante, ya que un problema frecuente en los digestores es la saturación de las conductoras con agua.

A continuación de la trampa de agua se debe instalar una llave de seguridad. Esta nunca debe ser instalada antes de la trampa de agua, la cual funciona como fusible, ya que si por un error se deja cerrada esta llave, podría generar un daño irreparable en el digestor.

Las tuberías que se utilicen en las conductoras deben ser, preferiblemente, de plástico PVC o de acero cubierto de zinc (TTK). En algunos lugares se han usado mangueras, pero es importante tener presente que estas deben quedar lo más lineales posible, ya que un punto bajo puede acu-mular agua e impedir el flujo correcto del gas.

Este tipo de digestor, a pesar de que funciona con baja presión, puede impulsar el gas a una dis-tancia de hasta 100 m. Cuando se necesite lograr distancias superiores, es recomendable utilizar un soplador del gas.

2.7 Reservorio del gas

Como ya se ha explicado, este tipo de digestores trabaja con una baja presión. Dicha característi-ca puede ser una limitación a la hora de mantener una presión constante en el punto de consumo, lo que se manifiesta en una llama inestable en el fogón, lámpara o quemador de un refrigerador por absorción, así como fallos en la combustión dentro de un motor.

Con el fin de evitar estos inconvenientes se utiliza un reservorio, el cual consiste en una bolsa que se coloca entre el digestor de biogás y el punto de consumo. En caso de una cocina es reco-mendable colocarlo lo más cerca posible (figura 21), siempre que no corra peligro con las llamas. La función principal de este reservorio es realizar el efecto pulmón.


Fig. 21. Localización del reservorio.

Para la instalación del reservorio se utilizará una porción del mismo material que se usó para el montaje del digestor (manga de polietileno). El volumen de esta estructura debe ser proporcional al calculado para el almacenamiento del gas (Vc).

Una vez determinada la cantidad de material a utilizar para lograr el volumen deseado –de forma similar a la mostrada al inicio de este manual–, se corta la manga y se procede a tomar uno de los extremos y cerrarlo. El otro extremo se debe conectar a la línea de biogás para que este, al pasar por la línea y estar cerrado el punto de consumo, infle el reservorio (figura 22). Es clave señalar que el reservorio debe conectarse desinflado para, una vez lleno, estar seguros de que el contenido sea exclusivamente biogás.

Fig. 22. Modo de instalación.

A la hora de utilizar el biogás es importante colocar un peso sobre el reservorio, o una cinta elástica (una liga de cámara de automóvil funciona muy bien) que le genere fuerza elástica cons-tante, para de esta forma mantener una presión adecuada en el punto de consumo (figura 23). El reservorio garantiza una reserva de gas fuera del digestor y estabilidad en el suministro de gas al punto de consumo.

Fig. 23. Reservorio instalado.


III. SISTEMA DE FILTRADO DEL bIOgáS

3.1 Absorción del H2S a partir de óxido de hierro

El método más empleado en Cuba ha sido el de absorción, por ser el más adecuado para las condiciones del país. Pueden utilizarse varias formas del óxido de hierro. Sin embargo, según la literatura, solo se describe el a-Fe

2O

3.H

2O y el gFe

2O

3.H

2O como los más efectivos para la eliminación del H

2S. El

a-Fe2O

3.H

2O y el gFe

2O

3.H

2O actúan sobre el H

2S rápidamente y este se transforma en un compuesto

de sulfuro de hierro del tipo 3, que es muy fácil de revertir al estado de Fe2O

3 mediante el oxígeno del

ambiente. El compuesto Fe2O

3 no se disuelve, por lo que se puede separar y extraer, e inmediatamente

se oxida con el oxígeno del ambiente, y el Fe2S

3 vuelve a dar la vuelta al ciclo tecnológico para

convertirse en un nuevo Fe2O

3.

Para optimizar el proceso, se lavan las virutas con detergente para eliminar la grasa y otras su-ciedades que puedan traer, y se dejan secar. Se sumergen las virutas limpias en una solución de HCl al 5% por 5-10 minutos, se extraen y se secan al aire. Posteriormente, se sumergen en una solución de NaOH al 5% durante 5-10 minutos y se dejan secar al aire.

2 Fe + 6 HCl 2 FeCl3 + 3 H

2

FeCl3 + NaOH----------Fe (OH)

3 -------------------- Fe

2O

3

El resultado de este proceder es que las virutas se convierten en Fe2O

3, compuesto que reacciona

rápidamente con el H2S en comparación con el Fe.

2 Fe + 3 H2S Fe

2S

3 (reacción lenta)

Fe2O

3 + 3 H

2S Fe

2S

3 + 3 H

2O (reacción rápida)

Una de las virtudes de este material es que después de utilizado se seca al aire, reaccionando el Fe

2S

3 con el oxígeno y recuperando Fe

2O

3. Al respecto, es importante señalar que el límite de

absorción del H2S en Fe

2O

3 es de, aproximadamente, un 56%. Para una mejor comprensión se

ilustra con un ejemplo práctico.

Una instalación produce un volumen de gas de 15 m³ en un día.

Concentración de H2S -----------------200 partes por millón (ppm)

Densidad del H2S ----------------------1,19 kg/m³

La cantidad de H2S en la corriente de gas en el día es de 0,003 m³.

El peso de H2S en la corriente es de: 30 x 1,19 = 0,0035 kg/día.

0,0035 -------------------56%x--------------------------100%

0,0063 kg = cantidad de Fe2O

3 teórico que se necesita; en la práctica se incrementa en un 20%

esta cantidad, y queda como:

0,0063 x 1,20 = 0,0075 kg/día de Fe2O

3

Por lo general, el filtro (figura 24) se construye para una operación de 30 a 50 días, por lo que la cantidad de virutas tratadas que se debe tener para una operación de 50 días en este ejemplo es de:

50 x 0,0075 = 0,37 kg

III. Sistema de filtrado del biogás 25

Fig. 24. Filtro de biogás.

El procedimiento de colocar Fe2O

3 en el camino del gas para capturar el H

2S se complementa con

la aplicación, al digestor de biogás, de tres capas interiores de una pintura compuesta por 100 g de Fe

2O

3 y 3 kg de cemento, con un tiempo de 12 horas entre ellas; la adición de agua a esta

mezcla debe ser la menor posible, para que permita su aplicación con brocha.

Otro elemento es el diseño del filtro que se utilizará. Por lo general, debe ser un cilindro con capacidad para el volumen del peso calculado de Fe

2O

3 necesario para neutralizar todo el H

2S

contenido en el flujo de gas. La entrada del biogás al filtro debe ser por la parte inferior, con lo que se asegura de esta forma un flujo ascendente dentro de este. Asimismo es imprescindible una llave en el fondo para evacuar periódicamente el agua que se condensa en el interior.


Iv. CONSIDERACIONES FINALES

Se espera que este manual resulte útil para instalar sistemas de digestión con alternativas de bajo costo. Adicionalmente, se han incluido algunos métodos para el diseño de las plantas, el filtrado del biogás y otras herramientas que pueden ser extrapoladas a instalaciones de este tipo.

En la actualidad, ya se desarrollan otros sistemas con la utilización de materiales similares. Se destacan, dentro de esta nueva generación de digestores, las lagunas tapadas, que son capaces de tratar los residuales producidos por miles de animales a un costo que, por la escala, resulta muy económico. No obstante, los digestores tubulares continúan siendo eficientes en el tratamiento de residuales de pequeñas instalaciones productivas y una importante solución a los problemas energéticos de las familias campesinas.

Bibliografía consultada 27

bIbLIOgRAFÍA CONSULTADA

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Bui Xuan, An.; Rodríguez, Lylian; Sarwatt, S.V.; Preston, T.R. & Dolberg, F. 1997. Installation and performance of low-cost polyethylene biodigesters on small-scale farms. World Animal Review. 88 (1): 38

Chernicharo, C.A.L. 2007. Princípios do tratamento biológico de águas residuais. 2da ed. Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, Universidade Federal de Minas Gerais. Belo Horizonte, Brasil. vol. 5, p. 155

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2S y CO

2 en el biogás. Documento

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Science 55 (12): 2185

Viguez Arias, J. 2009. Biogás, energía recuperable. Análisis económico de su potencial en fincas leche-ras. ECAG. 50: 24


SObRE LOS AUTORES

Dairom blanco betancourt

Médico Veterinario (Universidad Agraria de La Habana). Maestrante en Pastos y Forrajes. Investigador de la Estación Experimental de Pastos y Forrajes “Indio Hatuey”, Matanzas, Cuba. Especialista del pro-yecto internacional BIOMAS-CUBA en biogás, ganadería, bioabonos y bioproductos.

Luis Cepero Casas

Licenciado en Física (Universidad de La Habana) y M.Sc. en Administración de Empresas (Universidad de Matanzas). Doctorante en Ingeniería Industrial. Investigador de la Estación Experimental de Pastos y Forrajes “Indio Hatuey”, Matanzas, Cuba. Coordinador del proyecto internacional BIOMAS-CUBA en la provincia de Matanzas, y especialista en biogás y gasificación. Miembro de los Grupos Gubernamentales de Biogás y Biomasa Forestal, que asesoran al Estado cubano.

Jesús Suárez Hernández

Ingeniero Industrial (Universidad de Matanzas), M.Sc. en Gestión de la Producción (Universidad de Matanzas) y Doctor en Ciencia Técnicas, especialidad Ingeniería Industrial (Universidad Central de Las Villas). Investigador de la Estación Experimental de Pastos y Forrajes “Indio Hatuey”, Matanzas, Cuba. Director Ejecutivo del proyecto internacional BIOMAS-CUBA. Miembro del Grupo Gubernamental de Biocombustibles Líquidos, que asesora al Estado cubano.

giraldo Jesús Martín Martín

Ingeniero Agrónomo (Universidad de Matanzas), Diplomado Europeo en Administración y Dirección de Empresas (ESADE Barcelona) y Doctor en Ciencias Agrícolas (Universidad de Matanzas). Investigador y Director de la Estación Experimental de Pastos y Forrajes “Indio Hatuey”, Matanzas, Cuba. Director General del proyecto internacional BIOMAS-CUBA. Miembro del Grupo Gubernamental de Biocom-bustibles Líquidos y Biomasa Forestal, que asesoran al Estado cubano.

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