PROYECTO DE INVESTIGACIÓN

“OBTENCIÓN DE GAS NATURAL (METANO) A PARTIR DE AGUAS RESIDUALES, RESIDUOS SÓLIDOS CASEROS Y ABONO (HECES DE RES)”

ESCUELA ACADÉMICA: Ingeniería Ambiental.

CURSO: Microbiología Ambiental.

AÑO Y SEMESTRE ACADÉMICO: 2013-II

CICLO: IV

DOCENTE: BLGA. POLO SALAZAR, Rosario Adriana

ESTUDIANTES: CASTILLO VELÁSQUEZ, Elmer VILLANUEVA ALEJOS, Juan Alonso

HUARAZ – PERÚ2014

UNIVERSIDAD NACIONAL“SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO”

FACULTAD DE CIENCIAS DEL AMBIENTE

ÍNDICE

1. OBJETIVOS………………………………………………………………………...4

2. MARCO TEÓRICO…………………………………………………………………4

2.1. ¿Qué es el biogás?........................................................................................42.2. Biogás y el ciclo global del carbón……………………………………………....42.3. Biología de la producción de metano…………………………………………..42.4. Substratos para la producción de biogás……………………………………….52.5. Composición y propiedades del biogás…………………………………………52.6. Beneficios de la tecnología del Biogás………………………………….62.7. Descripción del proceso anaerobio……………………………………...7

3. ANTECEDENTES………………………………………………………………….9

3.1. Características del proyecto para biogás de efluentes industriales de AGVE………83.2. Cambrian Innovation y el sistema ECOVOLT…………………………………9

4. MATERIALES Y MÉTODOS………………………………………………………………………...12

5. RESULTADOS E INTERPRETACIÓN…………………………………………14

6. DISCUSIÓN……………………………………………………………………….15

7. CONCLUSIONES…………………………………………………………………16

8. RECOMENDACIONES…………………………………………………………..17

9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS……………………………………….……18

10.ANEXOS………………………………………………………………………….20

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INTRODUCCIÓN

El biogás es una mezcla gaseosa formada principalmente por metano y

dióxido de carbono, y pequeñas porciones de otros gases, como H2S, H2, NH3,

entre otros. Además que la composición del biogás depende del material digerido

y del funcionamiento del tipo de proceso (Fonts, 2007).

La aplicación de digestión anaerobia, no sólo proporciona un importante

potencial de producción de energía renovable y un ahorro en combustible fósil,

sino que conlleva a buscar alternativas viables que mejoren el sistema de

aprovechamiento de residuos. Es así que la caracterización de las aguas

residuales, desechos domésticos y heces de animales son factores claves y

necesarios para la producción de biogás.

Finalmente en el estudio se utilizó un biodigestor de bidón, el cual es un

sistema heméticamente cerrado para la producción de biogás. Así mismo se

analizó el número de coliformes en el agua residual inicial y en el agua obtenida al

final del proceso.

3

OBJETIVOS.-

I.1. Objetivo General.- Obtener metano a partir de aguas residuales, residuos sólidos

caseros y abono (heces de res).

I.2. Objetivos Específicos.- Aprovechar el proceso de obtención de metano para disminuir

la concentración de coliformes en las aguas residuales

tomadas como muestra.

Brindar una opción de aprovechamiento para desechos como

aguas residuales y residuos sólidos caseros.

Demostrar que con un adecuado tratamiento a gran escala las

aguas residuales pueden ser una fuente potencial de energía

lo que arrastra consigo beneficios para el ambiente y la

economía.

II. MARCO TEÓRICO.-

¿Qué es el biogás?

El biogás es un gas producido por bacterias durante el proceso de

biodegradación de material orgánico en condiciones anaeróbicas (sin

aire). La generación natural de biogás es una parte importante del ciclo

biogeoquímico del carbono. El metano producido por bacterias es el

último eslabón en una cadena de microorganismos que degradan

material orgánico y devuelven los productos de la descomposición al

medio ambiente. Este proceso que genera biogás es una fuente de

energía renovable.

Biogás y el ciclo global del carbón

4

Cada año, la actividad microbiana libera entre 590 y 880 millones de

toneladas de metano a la atmósfera. Cerca del 90% del metano emitido

proviene de la descomposición de biomasa. El resto es de origen fósil, o

sea relacionado con proceso petroquímico. La concentración de metano

en la atmósfera en el hemisferio norte es cerca de 1.65 partes por millón.

Biología de la producción de metano

Para diseñar, construir y operar plantas de biogás (llamadas

biodigestores) es necesario conocer los procesos fundamentales

involucrados en la fermentación del metano. La fermentación anaeróbica

involucra la actividad de tres diferentes comunidades bacterianas. El

proceso de producción de biogás depende de varios parámetros que

afectan la actividad bacteriana, como por ejemplo la temperatura.

Substratos para la producción de biogás

El substrato es el material de partida en la producción de biogás. En

principio, todos los materiales orgánicos pueden fermentar o ser

digeridos. Sin embargo, sólo algunos pueden ser utilizados como

sustratos en plantas de producción sencillas. Excremento y orina de

vacas, cerdos y posiblemente aves de corral son algunos ejemplos. A

veces, también pueden usarse los desperdicios de las plantas de

producción de alimentos. Cuando se llena una planta de biogás, el

excremento sólido debe diluirse con aproximadamente la misma cantidad

de líquido, en lo posible orina. La máxima producción de gas que se

puede conseguir a partir de una cantidad dada de materia prima depende

del sustrato que se utilice.

Composición y propiedades del biogás

5

El biogás es una mezcla de gases compuesta principalmente de:

metano (CH4): 40-70% del volumen

dióxido de carbono (CO2): 30-60 vol.%

otros gases: 1-5 vol.%

incluyendo

hidrógeno (H2): 0-1 vol.%

sulfuro de hidrógeno (H2S): 0-3 vol.%

Como en cualquier otro gas, algunas de las propiedades

características del biogás dependen de la presión y la temperatura.

También son afectadas por el contenido de humedad. Los factores más

importantes para caracterizar el biogás son los siguientes:

cómo cambia el volumen cuando cambian la presión y la

temperatura,

cómo cambia el valor calorífico cuando cambian la temperatura,

presión y/o contenido de agua, y

cómo cambia el contenido de vapor de agua cuando cambian la

temperatura y/o la presión.

El valor calorífico del biogás es cerca de 6 kWh por metro cúbico. Es

decir que un metro cúbico de biogás es equivalente a aproximadamente

medio litro de combustible diésel.

Utilización

La historia de la utilización del biogás muestra desarrollos

independientes en varios países desarrollados e industrializados.

Normalmente, el biogás producido por un biodigestor puede utilizase

directamente como cualquier otro gas combustible. Sin embargo, es

posible que su utilización requiera a veces procesos que, por ejemplo,

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reduzcan el contenido de sulfuro de hidrógeno. Cuando el biogás se

mezcla con aire en una proporción 1 a 20, se forma una mezcla

altamente explosiva. Por lo tanto, las pérdidas de las cañerías en

espacios cerrados constituyen un peligro potencial.

Sistema típico de biogásFuente: OEKOTOP

Beneficios de la tecnología del Biogás

Los sistemas de biogás pueden proveer beneficios a sus usuarios, a la

sociedad y al medio ambiente en general:

producción de energía (calor, luz, electricidad) ;

transformación de desechos orgánicos en fertilizante de alta

calidad;

mejoramiento de las condiciones higiénicas a través de la

reducción de patógenos, huevos de gusanos y moscas;

reducción en la cantidad de trabajo relacionado con la recolección

de leña para cocinar (principalmente llevado a cabo por mujeres);

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ventajas ambientales a través de la protección del suelo, del agua,

del aire y la vegetación leñosa, reducción de la deforestación;

beneficios micro-económicos a través de la sustitución de energía

y fertilizantes, del aumento en los ingresos y del aumento en la

producción agrícola-ganadera;

beneficios macro-económicos a través de la generación

descentralizada de energía, reducción en los costos de

importación y protección ambiental.

Por lo tanto, la tecnología del biogás puede contribuir

sustancialmente a la conservación y el desarrollo. Sin embargo, el

monto de dinero requerido para la instalación de las plantas puede ser

en muchos casos prohibitivo para la población rural. Por ello, se deben

concentran los esfuerzos en desarrollar sistemas más baratos y en

proveer a los interesados de créditos u otras formas de financiación. El

financiamiento del gobierno podría verse como una inversión para

reducir gastos futuros relacionados con la importación de derivados del

petróleo y fertilizantes inorgánicos, con la degradación del medio

ambiente, y con la salud y la higiene.

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO ANAEROBIO QUE SE LLEVARÁ A CABO EN EL BIODIGESTOR CASERO

a. HIDRÓLISIS.-Se da la transformación de sustancias complejas a moléculas simples

formando compuestos y ácidos orgánicos como ácido propiónico,

succínico, butírico, pirúvico, etc.

b. FASE ACETOGÉNICA.-Las bacterias acetogénicas como: Clostridium sp, Desulfovibrio sp,

Lactobacillus y Actinomyces convierten las moléculas orgánicas de

8

pequeño tamaño y los ácidos grasos volátiles en ácido acético e

hidrógeno.

c. FASE METANOGÉNICA.-En esta última etapa, las bacterias metanogénicas como:

Methanobacillus, Methanobacterium, Methanosarcina, Methanococcus

(anaerobias estrictas), metabolizan anaeróbicamente el ácido acético e

hidrógeno para producir el metano y otros gases en menor concentración.

III. ANTECEDENTES.-El agua residual, también llamada negra o fecal, es la que usada por

el hombre ha quedado contaminada. Lleva en suspensión una

combinación de heces fecales y orina, de las aguas procedentes del

lavado con detergentes del cuerpo humano, de su vestimenta y de la

limpieza, de desperdicios de cocina y domésticos, etc.

También recibe ese nombre los residuos generados en la industria.

El crecimiento de las ciudades y las fábricas, ha contribuido a la

magnitud y complejidad del problema de la contaminación ambiental,

generando situaciones de costosa corrección, poniendo en peligro la

salud pública, encareciendo el proceso de potabilización y degradando el

ambiente.

En este contexto, existen proyectos a gran escala que usan una

tecnología avanzada que están dedicados al tratamiento de aguas

residuales para obtener metano y generar energía. Un ejemplo es el de

la empresa argentina AGVE:

a. Características del proyecto para biogás de efluentes industriales de AGVE.-

9

En primer lugar, el proceso del efluente  usa dos sistemas

separados. El primer tanque (que produce acido) adopta el proceso

anaeróbico, el barro de retorno en el segundo tanque (que produce

metano) es convertido en altas concentraciones de barro por una

separación solido-liquido. Esto aumenta la producción de ácido en la

primera etapa. Ante condiciones adecuadas, la producción de ácido se

ajusta al valor de pH del equipo, aumenta la descomposición del barro

al final de la actividad fermentativa. Esto no sólo aumenta la

producción de gas metano, sino también la eficiencia del reactor de

ácido, gracias también al efecto de mezclado.

El tanque secundario usa un reactor UASB de alta eficiencia,

reactor anaeróbico que se puede ajustar a las distintas viscosidades

del efluente. La reducción de COD y BOD puede llegar hasta un 70

por ciento.

La diferencia de altura entre el tanque primario y el secundario es

importante al momento de considerar su diseño. Luego de la

producción de ácido en el tanque primario, el líquido de alimentación

fluye al tanque secundario automáticamente por acción de la

gravedad. Dado que el final del tanque primario tiene “volumen

muerto”, garantiza la espesura del blanqueado del barro. De este

modo, la caída en la tasa de producción de gas o parada completa de

la producción de gas puede ser evitada cuando son agregados

materiales frescos.

En un segundo lugar, ambos tanques preservan el calor y el ciclo

de calentamiento del material manteniendo la temperatura del líquido

fermentado en ambos tanques entre  55°C y 35°C. Esto mantiene a la

bacteria que produce el ácido y a la metanogenia en una alta

eficiencia de fermentación. El agua que circula es calentada a altas

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temperaturas por el calor de los gases de escape del generador y esto

aumenta la tasa de utilidad del calor residual. Finalmente, usando el

mezclador hidráulico, ambos tanques no solo pueden superar las

dificultades durante la instalación debido a la recolección mecánica, 

sino que prolongan el tiempo de contacto del material activo y barro

en  el barro estacionado. Esto aumentara la producción de gas y la

reducción de BOD.

Por otro lado, un proyecto aún más interesante relacionado con

nuestro proyecto y con mayor proyección es el del Instituto

Tecnológico de Massachusetts: CAMBRIAN INNOVATION y su

sistema ECOVOLT.

b. Cambrian Innovation y el sistema ECOVOLT.-

Una iniciativa del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en

2006, La Innovación Cámbrian está comercializando un portafolio de

soluciones ambientales basados en recién descubiertos microbios

eléctricamente activos. Al aprovechar el poder de la bioelectricidad y

los avances en la electroquímica, los productos de La Innovación

Cambrian ayudan a clientes agrícolas e industriales del gobierno a

ahorrar dinero mientras se recupera el agua potable y se genera

energía a partir de corrientes de aguas residuales.

Con el apoyo de la National Science Foundation (NSF), los

ingenieros y los co-fundadores MattSilver y Justin Buck están trayendo

sus investigaciones desde el laboratorio al mercado. Un sistema,

llamado EcoVolt, genera gas metano de las aguas residuales

mediante el aprovechamiento de lo que se llama

"Electrometanogénesis." Es un proceso novedoso para la producción

de metano.

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"La financiación de la investigación demuestra el firme interés en

apoyar la innovación de la pequeña empresa que lleva las soluciones

tecnológicas más ecológicas a los problemas sociales", dice el director

del programa NSF Prakash Balan.

El sistema EcoVolt envía las aguas residuales a través de un

reactor bioelectroquímico. Como filtros de agua a través de ella,

bacterias especiales en el reactor se comen los residuos orgánicos en

el agua y liberan electrones como un subproducto. Esos electrones

viajan a través de un circuito para generar metano.

Una señal inalámbrica permite que el proceso se pueda controlar

de forma remota. Este metano de muy alta calidad se canaliza a un

motor, donde se quema con una pequeña cantidad de gas natural. A

continuación, genera calor y energía. Además, los sistemas de

sensores construidos por la Innovación Cambrian también pueden

monitorear contaminantes, como el escurrimiento de fertilizantes.

IV. MATERIALES Y MÉTODOS.-

IV.1. Materiales

i. Envases esterilizados

ii. Tubos de prueba

iii. Guantes quirúrgicos

iv. Pipetas

v. Propipetas

vi. Marcador

vii. Gradillas

viii. Frascos

ix. Papel Kraft

x. Bolsa plástica.

xi. Lapicero fuera de uso.

xii. Bidón de 5 galones

cerrado herméticamente

xiii. Tubos de plástico

xiv. Medios de cultivo

xv. Incubadora.

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IV.2. Métodos

Para llevar a cabo el proyecto y obtener el biogás se requirió la

elaboración de un biodigestor casero en el cual se colocan las aguas

residuales, heces de res y residuos orgánicos caseros como cáscaras de

frutas y viruta de fierro para evitar la formación de sulfuro, para lo cual, se

usó un bidón de 5 galones, tubos de plástico, la bolsa plástica y un

lapicero para controlar la salida del gas al ambiente.

La producción del biogás viene acompañada de una disminución del

número de coliformes presentes en las aguas residuales y se evalúa

haciendo una siembra de una muestra de aguas residuales usando el

método de diluciones sucesivas en “Lauril Sulfato Caldo” (caldo Lauril)

antes de colocar todos los sustratos en el bidón y otra siembra después

de la producción del biogás para hacer las comparaciones respectivas.

El método usado en la experimentación para determinar las

variaciones del número de coliformes fecales y totales al iniciar el

proyecto y luego de la producción del biogás es el método de Número Más Probable, y se procedió de la siguiente manera:

Técnica de siembra por diluciones sucesivas:

Para la muestra 1 (antes de colocar los sustratos en el bidón) se

realizaron 6 diluciones (-1,-2,-3,-4,-5,-6) tomando una cantidad de

10 ml. de agua residual y trasvasándolo en las botellas con 90 ml.

de agua de dilución, repitiendo la acción hasta completar las

diluciones requeridas.

Luego se prepararon 18 tubos con caldo Lauril provistos de

campanas.

13

Posteriormente se sembraron 3 tubos por cada dilución colocando

1 ml. de cada una de las 6 botellas con la ayuda de pipetas en

cada caso.

Finalmente se lleva a la incubadora a 37 °C por 24 hrs.

Para la muestra 2 (después de la producción del biogás) se

realizaron 4 diluciones (-1,-2,-3 y -4) y se usaron 12 tubos con

caldo Lauril llevando a cabo los mismos pasos que se hicieron

para la muestra 1.

Finalmente se hacen las lecturas para determinar el número más

probable de coliformes por cada 100ml. presentes en cada caso y

hacer las comparaciones e interpretaciones respectivas.

V. RESULTADOS E INTERPRETACIÓN.-

El bidón expuesto a los rayos solares hace que se infle la bolsa unida

a los tubos evidenciando la producción de gas, por otro lado, al no haber

rayos de sol la bolsa unida al biodigestor se comprime evidenciando la

disminución de la producción del gas.

En el laboratorio los resultados fueron:

Muestra 1: Para la lectura se toma una serie correspondiente a las 3

últimas diluciones.

DILUCIÓN -1 -2 -3 -4 -5 -6

CRECIMIENTO

s

í

s

í

s

í

s

í

s

í

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í

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s

í

s

í

s

í

n

o

SERIE 3 3 2

14

Interpretación: La serie de las 3 últimas diluciones (3-3-2) nos indica la

presencia de coliformes en la muestra 1, para ser más exactos existe un

número probable de 1100x105 coliformes por cada 100ml de muestra de

acuerdo a lo establecido en la tabla usada para hacer la lectura.

Muestra 2: Para la lectura se toman las 3 últimas diluciones.

DILUCIÓN -1 -2 -3 -4

CRECIMIENTO sí sí sí sí sí sí sí no no sí sí no

SERIE 3 1 2

Interpretación: La serie (3-1-2) indica el crecimiento y presencia de

coliformes pero la cantidad ha disminuido debido a la producción del

biogás, ahora el número más probable de coliformes es de 150x103

coliformes por cada 100ml. de muestra.

VI. DISCUSIÓN DE RESULTADOS.-

Se dio la producción de biogás dentro del biodigestor construido

el cual contenía aguas residuales, heces de res y cáscaras de

frutas, lo cual concuerda con la teoría. Por lo tanto, los resultados

y el proyecto son válidos

La disminución de coliformes se da porque el medio anaerobio

del biodigestor no es apropiado para el desarrollo de estas

bacterias que son aerobias o anaerobias facultativas.

Otra razón para la disminución de coliformes es la competencia

interespecífica que se da con otras poblaciones de

microorganismos (bacterias metanogénicas).

VII. CONCLUSIONES.-

15

Se obtuvo gas metano a partir de aguas residuales, heces de res

y residuos sólidos caseros como cáscaras de frutas.

Gracias al proceso metanogénico llevado a cabo por

microorganismos se hizo posible la disminución de la cantidad de

coliformes en muestras de aguas residuales.

El proyecto representa una alternativa para aprovechar residuos

sólidos caseros, aguas residuales e inclusive heces de res,

canalizando estos sustratos a la producción de biogás.

Las aguas residuales sometidas a tratamientos a gran escala y

con uso de alta tecnología representan una fuente potencial de

energía.

VIII. RECOMENDACIONES.-

16

El biodigestor debe ser expuesto a los rayos del sol para optimizar

el proceso de producción de gas.

El biodigestor no debe permanecer a la intemperie, de preferencia

debe almacenarse en un ambiente seco y cerrado cuando no esté

siendo expuesto a los rayos del sol.

Añadir residuos caseros como cáscaras de frutas y heces de res

al biodigestor para acelerar y favorecer el proceso metanogénico.

Añadir viruta de fierro al biodigestor para evitar la producción de

sulfuro.

En caso de ser necesario la producción del gas debe ser

controlada por medio de llaves de paso para evitar una

sobreacumulación en el biodigestor.

IX. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.-

17

X. AGVE

2013

Proyecto de Biogas a partir de aguas residuales.

Consultado en:

http://www.agve.com.ar/biogasaguasresiduales.php.

XI. REVISTA DE INGENIERÍA DYNA

2006

Limpieza de aguas residuales y obtención de metano

como subproducto. Consultado en:

http://www.dyna-energia.com/Canales/Ficha.aspx?

IdMenu=76aff108-241e-4fcb-9157-

425fa0bbf18f&Cod=a9e1df4b-fabc-4591-b290-

1789e9683ff4.

XII. SCIENCE NATION - ECOVOLT GENERATES ENERGY FROM

WASTEWATER

2013

Consultado en: http://www.youtube.com/watch?

v=ZdieLPQUpcw.

18

XIII. EDITORIAL DE LA UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL DE

ARGENTINA

2012

Energía a partir de las aguas residuales. [Archivo PDF].

Consultado en:

http://www.edutecne.utn.edu.ar/energia_aguas_residual

es/energia_aguas_residuales.pdf.

XIV. ANEXOS.-

19

Obtención de los sustratos para el biodigestor (Heces de res y

agua residual)

Realización del trabajo de siembra en el laboratorio

Colocación de todos los sustratos en el biodigestor.

Producción de biogás

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