TESIS BD_FORMATO UAP-13-02-14 (1)

8/17/2019 TESIS BD_FORMATO UAP-13-02-14 (1)

1/66

UNIVERSIDAD ALAS PERUANASFACULTAD DE INGENIERÍAS Y ARQUITECTURA

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL

TESIS

DISEÑO DE UN BIODIGESTOR TIPO MANGAPARA EL XXXXXXXXXXX

PRESENTADA POR EL BACHILLERXXXXXXXXXX

PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DEINGENIERO AMBIENTAL

LIMA – PERÚ

2014


2/66

i

AGRADECIMIENTOS

A mi xxxxxxxxxxxxxx

Xxxxx xxxxxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxx

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxxxxx

xxxxxx xxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxx

xxxxxx xxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxxxxx xxxx xxxxxxx


3/66

ii

DEDICATORIA

El presente trabajo está dedicado a xxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxx

xxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxxx xxxxx xxxxxxxxxx

xxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxx

xxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxx


4/66

iii

DISEÑO DE UN BIODIGESTOR TIPO MANGA PARA EL XXXXXXXXXXX

TABLA DE CONTENIDOS

AGRADECIMIENTOS .................................................................................................... i

DEDICATORIA ............................................................................................................. ii

TABLA DE CONTENIDOS ............................................................................................ iii

ÍNDICE DE GRÁFICOS ................................................................................................ v

ÍNDICE DE TABLAS .................................................................................................... vi

ÍNDICE DE IMAGENES ............................................................................................... vii

RESUMEN .................................................................................................................. viii

ABSTRACT ................................................................................................................. ix

INTRODUCCIÒN .......................................................................................................... x

CAPÍTULO I: PLANTEAMIENTO METODOLÓGICO .................................................. 11

1.1 Descripción de la Realidad Problemática 11

1.2 Delimitaciones y Definición del Problema 12

1.2.1 Delimitaciones 12

A. Delimitación Espacial. 12

B. Delimitación Temporal. 13

C. Delimitación Conceptual. 13

1.2.2 Definición del Problema. 18

1.3 Formulación del Problema. 18

1.3.1 Problema principal. 18

1.4 Objetivo de la Investigación 18

1.4.1 Objetivo principal. 18

1.5 Hipótesis de la investigación. 18

1.6 Variables e Indicadores 19

1.6.1 Variable Independiente 19

1.7 Viabilidad de la investigación. 19

1.7.1 Viabilidad técnica 19

1.7.2 Viabilidad operativa. 19

1.7.3 Viabilidad económica. 20

1.8 Justificación e Importancia de la Investigación. 20

1.8.1 Justificación 20

1.8.2

Importancia. 20


5/66

iv

1.9 Limitaciones de la Investigación 21

1.10 Tipo y Nivel de la Investigación 21

1.10.1 Tipo de investigación. 21

1.10.2 Nivel de investigación. 21 1.11 Método y Diseño de la investigación 21

1.11.1 Método de la investigación. 21

1.11.2 Diseño de la investigación. 21

1.12 Técnicas e Instrumentos de Recolección de Información 22

1.12.1 Técnicas. 22

1.12.2 Instrumentos. 22

1.13 Cobertura de Estudio 22

1.13.1 Universo. 22

1.13.2 Muestra 22

CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO .............................................................................. 23

2.1 Antecedentes de la Investigación 23

2.2 Marco Conceptual 23

2.2.1 La digestión anaeróbica 23

2.2.2 Factores a considerar en el proceso metanogénico 25

A. Material de carga para la fermentación. 25

B. Relación Carbono-Nitrógeno (C/N). 25

C. Concentración de la carga. 28

D. La temperatura y tiempo de retención 28

E. Valor del pH 29

F. Promotores e inhibidores de la fermentación. 30

2.2.3 Procesos de digestión para tratar los residuos orgánicos 31

A. Por la forma de alimentación 32

B. Por la temperatura. 34

C. Por el número de Etapas 35

2.2.4 Tipos de digestores 35

A. Digestor de mezcla completa. 36

B. Reactores de filtro anaeróbico, lechos expandidos y

fluidizados y las unidades U.A.S.B. (Upflow Anaerobio

Sludge Blanket) 36

2.2.5 Componentes y clasificación de los digestores 38

A. Componentes de un Biodigestor 38


6/66

v

B. Clasificación de los Digestores Rurales. 39

C. Modelo de digestores. 43

2.2.6 Diseño de biodigestores de manga 48

A. Recolección de información 49 B. Selección del tipo de digestor 49

C. Especificaciones para el diseño de Biodigestores. 50

CAPÍTULO III: ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS.................. 58

4.1 Nivel de confianza y grado de significancia 58

4.2 Análisis de resultados 58

4.3 Prueba de Hipótesis 58

4.4 Prueba estadística utilizada 58

CAPÍTULO IV: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................... 60

5.1 Conclusiones 60

5.2 Recomendaciones 60

FUENTES DE INFORMACIÓN ................................................................................... 61

ANEXOS .................................................................................................................... 63

ANEXO I MATRIZ DE CONSISTENCIA 64

ANEXO II XXXXXXXXXXXXX 65

ANEXO III XXXXXXXXXXXXXX 65

GLOSARIO DE TÉRMINOS ....................................................................................... 65

ÍNDICE DE GRÁFICOS

GRÁFICO Nº 1 SECUENCIA METABÓLICA Y GRUPOS MICROBIANOS QUE

INTERVIENEN EN LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA 24

GRÁFICO Nº 2 ESQUEMA DE UN PROCESO CONTINUO 32

GRÁFICO Nº 3 ESQUEMA DE UN PROCESO POR LOTES 34

GRÁFICO Nº 4 UNIDADES DE TRATAMIENTO ANAERÓBICO 37

GRÁFICO Nº 5 ESQUEMA OPERATIVO DEL SISTEMA BIODIGESTOR -

GASÓMETRO 39

GRÁFICO Nº 6 DIGESTOR DE CÚPULA FIJA 40

GRÁFICO Nº 7 DIGESTOR DE CÚPULA MÓVIL 40

GRÁFICO Nº 8 DIGESTOR CON DEPÓSITO FLOTANTE DE GAS 40


7/66

vi

GRÁFICO Nº 9 DIGESTOR CON GASÓMETRO DE PLÁSTICO O CAUCHO EN

FORMA DE BOLSA 41

GRÁFICO Nº 10 DIGESTOR CILÍNDRICO 41

GRÁFICO Nº 11 DIGESTOR ESFÉRICO 42 GRÁFICO Nº 12 DIGESTOR OVALADO 42

GRÁFICO Nº 13 DIGESTOR RECTANGULAR 43

GRÁFICO Nº 14 DIGESTOR CUADRADO 43

GRÁFICO Nº 15 BIODIGESTOR MODELO CHINO CAPACIDAD 150m3 44

GRÁFICO Nº 16 BIODIGESTOR MODELO INDIO CAPACIDAD 150m3 45

GRÁFICO Nº 17 BIODIGESTOR MODELO HORIZONTAL 46

GRÁFICO Nº 18 BIODIGESTOR MODELO BATCH 47

GRÁFICO Nº 19 SECUENCIA DE PASOS PARA EL DISEÑO DE

BIODIGESTORES 49

GRÁFICO Nº 20 ESQUEMA DEL SISTEMA DE BIODIGESTIÓN CUYA

ENTRADA ES A LA IZQUIERDA Y LA SALIDA A LA DERECHA 56

ÍNDICE DE TABLAS

TABLA Nº 1 CANTIDAD DE ANIMALES (CONSTANTES) CON QUE CUENTAN

LAS FAMILIAS DE XXX 12

TABLA Nº 2 COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL BIOL 14

TABLA Nº 3 COMPOSICIÓN BIOQUÍMICA DEL BIOL 16

TABLA Nº 4 CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL BIOSOL FRESCO

(FERTILIZANTE SÓLIDO) DESPUÉS LA FERMENTACIÓN DE

ESTIÉRCOL DE VACUNO 17

TABLA Nº 5 RELACIÓN CARBONO A NITRÓGENO DE LAS MATERIAS

PRIMAS EMPLEADAS CORRIENTEMENTE (APROXIMACIÓN) 26

TABLA Nº 6 TIEMPO DE RETENCIÓN SEGÚN TEMPERATURA 29

TABLA Nº 7 TIEMPO DE RETENCIÓN SEGÚN TEMPERATURA PARA MEJOR

FERTILIZANTE 29

TABLA Nº 8 CONCENTRACIÓN INHIBIDORA DE INHIBIDORES COMUNES 31

TABLA Nº 9 PRODUCCIÓN DE RESIDUOS HUMANOS Y ANIMALES

(ESTIMADO) 50

TABLA Nº 10 DEMANDA DE BIOGÁS PARA DIFERENTES USOS 52


8/66

vii

ÍNDICE DE IMAGENES


9/66

viii

RESUMEN


10/66

ix

ABSTRACT


11/66

x

INTRODUCCIÒN


12/66

11

CAPÍTULO I: PLANTEAMIENTO METODOLÓGICO

1.1 Descripción de la Realidad Problemática

El XXX es un XXXX ubicado en el

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX.

La temperatura media mensual promedio en Huacho es de 18.9 ºC, con una

temperatura promedio máxima mensual de 21.4 ºC. La humedad relativa

mensual promedio es de 82 %, con una máxima de 93 % en junio y una

mínima de 75 % en febrero. Su clima es cálido templado (MPH, 2013, p. 59).

Actualmente dicho XXX alberga a XX familias las cuales se dedican

básicamente a la agricultura y crianza de animales (ganado vacuno, cerdos y

cuyes).

Dichas familias poseen una cantidad constante de XX cuyes, XX cerdos y XX

bovinos, tal como se muestra en la Tabla Nº 1.

Actualmente los pobladores de XXX utilizan parte del estiércol producido para

sus cultivos y el resto XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXX.


13/66

12

TABLA Nº 1 CANTIDAD DE ANIMALES (CONSTANTES) CON QUE CUENTAN LAS

FAMILIAS DE XXX

Ítem FamiliaCantidad de animales

Cuyes Cerdos Bovinos1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

…

n

Total

Dichas familias consumen abonos sintéticos para sus cultivos, gas para lacocción de sus alimentos; energía eléctrica para la iluminación de sus

viviendas, calles y algunos artefactos eléctricos con los que cuentan las

familias; además se abastecen de agua de XXX para su consumo y para el

riego de sus cultivos de XXXXX. (CORROBORAR DICHA INFORMACIÓN)

1.2 Delimitaciones y Definición del Problema

1.2.1 Delimitaciones

A. Delimitación Espacial.

La investigación se desarrolla en XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXX X XXXX XX XX

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX


14/66

13

B. Delimitación Temporal.

El desarrollo de la investigación tuvo una duración de XX meses, loscuales fueron distribuidos en las siguientes etapas: Elaboración del

plan de tesis y desarrollo de la tesis.

C. Delimitación Conceptual.

1. Digestión anaeróbica

La digestión anaerobia es un proceso bioquímico en el cual un

grupo de diferentes tipos de microorganismos, en ausencia de

oxígeno molecular, promueve la transformación de compuestos

orgánicos complejos (carbohidratos, proteínas y lípidos) en

productos más simples, como metano, gas carbónico, gas

sulfhídrico y amonio. Los microorganismos que participan en la

digestión anaerobia actúan por medio de reacciones específicas

secuenciales, las cuales cuentan con bacterias especializadas

en cada una de ellas (Torres, Patricia y Pérez, Andrea, 2010).

2. Biodigestor

Los biodigestores son reactores donde se provoca de manera

controlada la digestión anaerobia para la obtención de biogás y

biol (Ruiz, Albina; 2010, p. 63).

3. Biogás

Se llama biogás a la mezcla de gases productos de la digestión

anaeróbica, compuesto fundamentalmente de metano (CH4)

entre 60 y 65% y dióxido de carbono (CO2) entre 35 a 40% del

total, estos son los principales gases de efecto invernadero

(Marin, Mariella; 2011, p. 6).


15/66

14

Conjuntamente, debido a las reacciones bioquímicas, llevadas a

cabo en condiciones de anaerobiosis, pueden estar presentes

otros gases como nitrógeno (N2), hidrógeno (H2),vapor de agua

(H2O), amoniaco (NH3), ácido sulfhídrico (H2S) y gases trazaque, regularmente, constituyen menos del 1% del volumen total

(Marin, Mariella; 2011, p. 7).

4. Biol

Llamado también “fertilizante foliar líquido”, es la fracción líquida

resultante del fango proveniente del fermentador o biodigestor.

Este “fango” es decantado o sedimentado obteniéndose una

parte líquida a la cual se le llama “Biol”. Aproximadamente el

90% del material que ingresa al Biodigestor se transforma a Biol.

Esto depende naturalmente del tipo de material a fermentar y de

las condiciones de fermentación (Aparcana, Sandra y Jansen,

Andreas; 2008, p. 3).

TABLA Nº 2 COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL BIOL

Compo-

nente Fuente 1 Fuente 2 Fuente 3 Fuente 4

pH 7.96 8.1 --- 6.7 - 7.9

Materia 4.18 % 4.2 --- 1.4%Nitrógen

2.63 g/Kg. 2.4 g/Kg 0.2 g/kg 0.9 g/KgNH4 1.27 g/Kg. 1.08 g/Kg. --- ---Fósforo 0.43 g/Kg. 1.01 g/Kg 0.076 g/kg 0.048 mg/KgPotasio 2.66 g/Kg. 2.94 g/Kg 4.2 g/kg 0.29 mg/KgCalcio 1.05 g/Kg. 0.50 g/Kg 0.056 g/Kg 2.1 g/KgMg 0.38 g/Kg. --- 0.131 g/kg 0.135%

Sodio 0.404 g./Kg. --- 2.1 g/kg --- Azufre --- --- 6.4 mg/Kg 0.33 mg/l

Carbono --- --- 1.1 g/Kg 0.23 - 0.30

Aluminio --- --- 0.04 mg/kg ---

Boro --- --- 0.56 mg/Kg ---

Zinc --- --- --- 0.05 mg/l


16/66

15

Fuente 1: Biol de estiércol de vacuno.

Fuente 2: Biol de mezcla de sustratos: estiércol de vacunos y restos

de comida casera.

Fuente 3: Biol de banano promedio hojas, tallos y frutos.

Fuente 4: Biol de Estiércol de vacuno.Fuente: Aparcana, Sandra y Jansen, Andreas. Estudio sobre el Valor

Fertilizante de los Productos del Proceso “Fermentación Anaeróbica”

para Producción de Biogás. (2008, pp. 3-4)

Como se puede observar, la composición depende mucho del

tipo de residuos que entran en el Biodigestor. Se puede decir

que cada Biol es “único”. Para el caso de la fermentación de

desechos agrícolas se puede tomar como referencia más

cercana la composición reportada por la fuente 3 (residuos de

hojas, tallos y frutos del banano) (Aparcana, Sandra y Jansen,

Andreas; 2008, p. 4).

De los datos reportados en la tabla anterior se puede observar

que el Biol presenta en lo común, una baja presencia de materia

seca (sólidos totales) que van entre 1 - 5% Respecto a la

cantidad de sus nutrientes (Nitrógeno, Fósforo, Potasio,

Magnesio etc) estos varían según la materia prima que haya

sido fermentada. El ratio de N-P- K-Mg etc. del material saliente

(ya fermentado entonces Biol & Biosol) sería casi 1:1 con

respecto al material entrante (materia prima ingresada al

biodigestor). También la disponibilidad de estos nutrientes para

la planta mejora notablemente (ejemplo: aumenta el nitrógeno

del Amonio) (Aparcana, Sandra y Jansen, Andreas; 2008, p. 4).

El uso del Biol es principalmente como promotor y fortalecedor

del crecimiento de la planta, raíces y frutos, gracias a la

producción de hormonas vegetales (ver tabla 3 sobre la

presencia de hormonas vegetales de crecimiento), las cuales

son desechos del metabolismo de las bacterias típicas de este

tipo de fermentación anaeróbico (que no se presentan en el

compost). Estos beneficios hacen que se requiera menor


17/66

16

cantidad de fertilizante mineral u otro empleado (Aparcana,

Sandra y Jansen, Andreas; 2008, p. 4).

TABLA Nº 3 COMPOSICIÓN BIOQUÍMICA DEL BIOLComponentes Cantidad

Ácido indol acetico (ng/g) 9.0Giberelina (ng/g) 8.4

Purinas (ng/g) 9.3Citoquininas No detectado

Tiamina (Vit B1) (ng/g) 259,0Riboflavina (vit B2) (ng/g) 56,4

Adenina No detectado Ácido fólico (ng/g) 6,7

Ácido pantoténico (ng/g) 142,0

Triptofano (ng/g) 26,0Inositol No detectadoBiotina No detectadoNiacin No detectado

Cianocobalamina (vit B12)(ng/g) 4,4Piridoxina (vit B6) (ng/g) 8,6

Fuente: Aparcana, Sandra y Jansen, Andreas. Estudio sobre el Valor

Fertilizante de los Productos del Proceso “Fermentación Anaeróbica”

para Producción de Biogás. (2008, p. 4)

Las hormonas vegetales o fitohormonas se definen como

fitorreguladores del desarrollo producidas por las plantas. A

bajas concentraciones regulan los procesos fisiológicos y

promueven el desarrollo físico de las plantas (Aparcana, Sandra

y Jansen, Andreas; 2008, p. 5).

Hay cinco grupos hormonales principales: Adeninas, Purinas,

Auxinas, Giberelinas y Citoquininas, todas estas estimulan la

formación de nuevas raíces y su fortalecimiento. También

inducen la floración, tienen acción fructificante, estimulan el

crecimiento de tallos, hojas, etc. El Biol, cualquiera que sea su

origen, cuenta con estas fitohormonas por lo que encuentra un

lugar importante dentro de la práctica de la Agricultura Orgánica,

al tiempo que abarata costos y mejora la productividad y calidad

de los cultivos (Aparcana, Sandra y Jansen, Andreas; 2008, p.

5).


18/66

17

5. Biosol

El Biosol es el resultado de separar la parte sólida del “fango”resultante de la fermentación anaeróbica dentro del

Fermentador o Biodigestor. Dependiendo de la tecnología a

emplear, este Biosol tratado puede alcanzar entre 25% a sólo

10% de humedad (de hecho esa humedad principalmente es

Biol residual). Su composición depende mucho de los residuos

que se emplearon para su fabricación (en el fermentador). Se

puede emplear sólo o en conjunto con compost o con

fertilizantes químicos (Aparcana, Sandra y Jansen, Andreas;

2008, p. 6).

TABLA Nº 4 CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL BIOSOL

FRESCO (FERTILIZANTE SÓLIDO) DESPUÉS LA FERMENTACIÓN

DE ESTIÉRCOL DE VACUNO

Componentes [%]

Agua 15,7Sustancia orgánica seca 60,3

pH 7,6Nitrógeno total 2,7Fósforo P2O5 1,6Potasio K2O 2,8Calcio (CaO) 3,5

Magnesio (MgO) 2,3Sodio (Na) 0,3 Azufre (S) 0,3

Boro (B) (ppm) 64,0

Fuente: Aparcana, Sandra y Jansen, Andreas. Estudio sobre el Valor

Fertilizante de los Productos del Proceso “Fermentación Anaeróbica”para Producción de Biogás. (2008, p. 6)

La composición arriba detallada corresponde a un Biosol

proveniente de estiércol de vacuno, que es el más común, pero

a la vez uno de los más bajos en nutrientes ya que el estiércol

es un material que ya ha sido digerido parcialmente por el

animal, por lo que no contiene muchos nutrientes. Como se dijo

anteriormente, para mejorar la calidad del Biosol, éste debe


19/66

18

provenir de una mezcla de residuos más rica y variada

(Aparcana, Sandra y Jansen, Andreas; 2008, p. 6).

1.2.2 Definición del Problema.

Algunas de las necesidades de las familias de XXX pueden ser

saciadas con el uso de los estiércoles y los residuos agrícolas

1.3 Formulación del Problema.

1.3.1 Problema principal.

¿Cuáles serán las características de un biodigestor tipo manga para el

xxxxxxxxxxx?

1.4 Objetivo de la Investigación

1.4.1 Objetivo principal.

Diseñar un biodigestor tipo manga para el xxxxxxxxxxx.

1.5 Hipótesis de la investigación.

La presente investigación no contó con hipótesis pues tal como lo menciona

Hernandez, Roberto y otros (2010, p 97) no en todas las investigaciones

descriptivas se formulan hipótesis de esta clase o que sean afirmaciones más

generales…No es sencillo realizar estimaciones con relativa precisión con

respecto a ciertos fenómenos.

La presente investigación llega solamente al nivel descriptivo, pues culmina

con la descripción del diseño del biodigestor de manga para el

XXXXXXXXXXXXXXXXX.


20/66

19

1.6 Variables e Indicadores

1.6.1 Variable Independiente

El objetivo de la presente investigación es simplemente describir una

única variable (el diseño del biodigestor), esta variable es única y

específica, pues las características del biodigestor para

XXXXXXXXXXX serán muy distintas de las que se necesitaría para

otros lugares, es por eso que la variable completa es:

X1 : Diseño de un biodigestor de manga para XXXXXXXXXXXXXX

A. Indicadores

B. Índices.

1.7 Viabilidad de la investigación.

1.7.1 Viabilidad técnica

Para el logro de los objetivos de la presente investigación se contó con

el

1.7.2 Viabilidad operativa.

Para la realización del presente trabajo de investigación se contó con

los conocimientos adecuados (adquiridos durante los años de estudios

en la UAP y los obtenidos de la revisión bibliográfica amplia y

especializada sobre el tema) que aseguraron el logro de los objetivos


21/66

20

1.7.3 Viabilidad económica.

1.8 Justificación e Importancia de la Investigación.

1.8.1 Justificación

Técnica

Económica

Ambiental

Social

1.8.2 Importancia.

Técnica

Económica

Ambiental

Social


22/66

21

1.9 Limitaciones de la Investigación

La principal limitación de la presente investigación fue el hecho de no poder

implementar el diseño planteado, es por dicha razón que solo se buscó como

objetivo la descri

1.10 Tipo y Nivel de la Investigación

1.10.1 Tipo de investigación.

El tipo de investigación (EAPIA-UAP, 2011, p. 16) es aplicada, pues con

la presente investigación se está aplicando conocimientos ya

existentes.

1.10.2 Nivel de investigación.

El nivel de investigación (EAPIA-UAP, 2011, p. 16) es descriptivo.

1.11 Método y Diseño de la investigación

1.11.1 Método de la investigación.

1.11.2 Diseño de la investigación.


23/66

22

1.12 Técnicas e Instrumentos de Recolección de Información

1.12.1 Técnicas.

1.12.2 Instrumentos.

1.13 Cobertura de Estudio

1.13.1 Universo.

1.13.2 Muestra


24/66

23

CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO

2.1 Antecedentes de la Investigación

2.2 Marco Conceptual

2.2.1 La digestión anaeróbica

La digestión anaerobia es un proceso bioquímico en el cual un grupo de

diferentes tipos de microorganismos, en ausencia de oxígeno

molecular, promueve la transformación de compuestos orgánicos

complejos (carbohidratos, proteínas y lípidos) en productos más

simples, como metano, gas carbónico, gas sulfhídrico y amonio. Los

microorganismos que participan en la digestión anaerobia actúan pormedio de reacciones específicas secuenciales, las cuales cuentan con

bacterias especializadas en cada una de ellas (Foresti et al., 1999;

citado por Torres, Patricia y Pérez, Andrea, 2010).

El proceso de digestión anaerobia puede ser simplificado considerando

cuatro fases principales: Hidrólisis, Acidogénesis, Acetogénesis y

Metanogénesis.


25/66

24

En las fases de hidrólisis y acidogénesis se produce más energía y los

organismos responsables crecen con mayor velocidad, por lo que la

recuperación de las poblaciones frente a alguna alteración del medio es

rápida. En las fases de acetogénesis y metanogénesis los rendimientosde energía son tan bajos que la actividad de las bacterias asociadas es

extremadamente lenta y cualquier alteración tarda mucho tiempo en

corregirse (Barrera, 1993; citado por Torres, Patricia y Pérez, Andrea,

2010).

Las bacterias producen metano a partir de H2 y de acetato, las primeras

crecen más rápido por lo que las bacterias metanogénicas

acetoclásticas generalmente limitan la tasa de transformación de

material orgánico complejo presente en el agua residual a biogás (van

Haandel y Lettinga, 1994), además de ser las responsables de cerca

del 60 – 70% de toda la producción de metano (Chernicharo, 1997;


GRÁFICO Nº 1 SECUENCIA METABÓLICA Y GRUPOS MICROBIANOS

QUE INTERVIENEN EN LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA


26/66

25

Fuente: Torres, Patricia y Pérez, Andrea. Actividad metanogénica específica:

Una herramienta de control y optimización de sistemas de tratamiento

anaeróbico de aguas residuales (2010).

En el arranque de reactores anaerobios, el inicio está caracterizado por

una baja actividad biológica, relacionada con el crecimiento de las

bacterias acidogénicas, acetogénicas y metanogénicas como biomasa

dispersa y adherida. Tradicionalmente el arranque es la etapa

considerada más inestable y crítica en el proceso anaerobio, por lo que

debe iniciarse con Tiempos de Retención Hidráulicos -TRH elevados,

para asegurar una buena asimilación del sustrato por parte de las

bacterias y mantener una carga orgánica inicial baja, la cual puede iraumentando a medida que el reactor se estabiliza (Hulshoff, 1987;


2.2.2 Factores a considerar en el proceso metanogénico

Existen muchos factores que influyen directamente en la fermentación

metanogénica y son capaces de modificar la rapidez de la

descomposición, entre ellos tenemos:

A. Material de carga para la fermentación.

Llamamos así a todos los desechos orgánicos que se introducen

dentro de un biodigestor para su degradación. Pero para la

fermentación los microorganismos metanogénicos necesitan

nutrientes para producir biogás, por ello es necesario contar con

suficiente material de carga para que el proceso de digestión no se

interrumpa. La materia orgánica que se utiliza como material de

carga (residuos de los cultivos, excretas de humanos y de animales)

pueden dividirse en dos grupos, las materias primas ricas en

nitrógeno y las materias primas ricas en carbono, el nitrógeno se

utiliza como constituyente para la formación de la estructura celular,

y el carbono se utiliza como fuente de energía.

B. Relación Carbono-Nitrógeno (C/N).


27/66

26

Los microbios siempre consumen estos elementos en determinada

proporción, medidos por la relación carbono-nitrógeno (C/N) que

contiene la materia orgánica. Existen muchos criterios en loreferente a esta relación, pero se reconoce en general como

aceptable una relación C/N de 20-30:1.

Las excretas de humanos y de animales son ricos en nitrógeno, con

una relación C / N inferior a 25:1, durante la fermentación tienen una

mejor velocidad de biodegradación y de generación de gas; en

cambio los residuos agrícolas son ricos en carbono, con una

relación C / N superior a 30:1, pero con una generación más lenta

de gas en el proceso de digestión.

TABLA Nº 5 RELACIÓN CARBONO A NITRÓGENO DE LAS MATERIAS

PRIMAS EMPLEADAS CORRIENTEMENTE (APROXIMACIÓN)

Materias

Primas

Contenido de

carbono de las

materias primas

por peso ( % )

Contenido de

nitrógeno de las

materias primas

por peso ( % )

Relación

carbono a

nitrógeno

(C/N)Paja seca de

trigo46 0.53 87:1

Paja seca de

arroz42 0.64 67:1

Tallo del maíz 40 0.75 53:1

Hojas secas 41 1.00 41:1

Estiércol de

aves41 1.30 32:1

Pasto 14 0.54 27:1

Cacahuetes

tallos y hojas11 0.59 19:1

Estiércol fresco

de oveja16 0.55 29:1

Estiércol fresco

de vaca7.3 0.29 25:1

Estiércol fresco

de caballo

10 0.42 24:1


28/66

27

Estiércol fresco

de cerdo7.8 0.60 13:1

Excretas frescas

humanas

2.5 0.85 2.9:1

Estiércol de

aves15:1

Fuente: Guevara, Antonio. Fundamentos básicos para el diseño de

biodigestores anaeróbicos rurales (1996, p. 15).

En general las materias primas ricas en carbono producen más gas

que las ricas en nitrógeno, así mismo es más rápida la producción

de gas a partir de materias primas nitrogenadas (excretas), que lasricas en carbono (paja y tallos). Mientras en los primeros 10 días de

fermentación las materias primas nitrogenadas generan de 34.4% -

46% del total de gas producido, las ricas en carbono solo aportan el

8.8%.

Por ello para conseguir un buen rendimiento de gas en forma

constante durante la fermentación, es conveniente combinar

proporciones adecuadas de materiales con bajo y alto rendimiento yde distintas velocidades de generación; también es conveniente

agregar las materias primas ricas en nitrógenos a las materias

primas de alta relación C/N, a fin de bajar esta relación. Por

ejemplo, residuos de animales y humanos se aplica a la paja y a los

tallos.

La relación C / N se puede calcular aplicando la fórmula siguiente:

∑ ∑

En donde:

C = Porcentaje de carbono en la materia prima

N = Porcentaje de nitrógeno en la materia prima

X = Peso de la materia Prima


29/66

28

K = C / N de la mezcla de las materias primas

C. Concentración de la carga.

Guevara, Antonio (1996, p. 16) recomiendan diluciones de 5 – 10 %,

pero según Herrero, Jaime (2008, p. 28) se considera un 20% (1:4)

como una óptima dilución, esto concuerda algunas experiencias

como en el caso de Bioagricultura Casa Blanca en Pachacamac

(Lima-Perú).

D. La temperatura y tiempo de retención

En el proceso de digestión anaerobia son las bacterias

metanogénicas las que producen, en la parte final del proceso,

metano. Existen diferentes poblaciones de bacterias metanogénicas

y cada una de ellas requiere una temperatura para trabajar de forma

óptima. Existen poblaciones metanogénicas que tienen su mayor

rendimiento a 70°C de temperatura, pero para ello habría que

calentar el lodo interior del biodigestor. Hay otras poblaciones que

tienen su rango óptimo de trabajo de 30 a 35 °C. Estas

temperaturas se pueden alcanzar en zonas tropicales de manera

natural. La actividad de las bacterias desciende si estamos por

encima o por debajo del rango de temperaturas óptimas de trabajo.

En biodigestores sin sistema de calefacción se depende de la

temperatura ambiente que en muchas regiones es inferior al rango

de temperaturas óptimas. A menores temperaturas se sigue

produciendo biogás, pero de manera más lenta. A temperaturas

inferiores a 5°C se puede decir que las bacterias quedan ‘dormidas’

y ya no producen biogás.

Por ello es necesario estimar un tiempo de retención según la

temperatura a la que se trabaje. El tiempo de retención es la

duración del proceso de digestión anaerobia, es el tiempo que

requieren las bacterias para digerir el lodo y producir biogás. Este


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29

tiempo, por tanto, dependerá de la temperatura de la región donde

se vaya a instalar el biodigestor. Así, a menores temperaturas se

requiere un mayor tiempo de retención que será necesario para que

las bacterias que tendrán menor actividad, tengan tiempo de digerirel lodo y de producir biogás.

TABLA Nº 6 TIEMPO DE RETENCIÓN SEGÚN TEMPERATURA

Región

característicaTemperatura (ºC)

Tiempo de retención

(días)

Trópico 30 20

Valle 20 30

Altiplano 10 60Fuente: Herrero, Jaime. Biodigestores familiares: Guía de diseño y manual

de instalación (2008, p. 27)

El fertilizante que sale de un biodigestor con los tiempos de

retención expresados en la tabla Nº 6 es muy bueno, pero si

aumentamos estos tiempos de retención en un 25 % es excelente.

TABLA Nº 7 TIEMPO DE RETENCIÓN SEGÚN TEMPERATURA PARA

MEJOR FERTILIZANTE

Región

característicaTemperatura (ºC)

Tiempo de retención

(días)

Trópico 30 25

Valle 20 37

Altiplano 10 75

Fuente: Herrero, Jaime. Biodigestores familiares: Guía de diseño y manual

de instalación (2008, p. 32)

E. Valor del pH

El valor óptimo para la digestión metanogénica es de 6.5-7.5,

cuando baja de 5 ó sube de 8 puede inhibir el proceso de

fermentación ó incluso detenerlo. Normalmente cuando se trabaja

con residuos domésticos y agropecuarios, la dinámica del mismo

proceso ajusta el pH.


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30

El pH se puede corregir en forma práctica, de la siguiente manera:

Sacando frecuentemente una pequeña cantidad de efluente y

agregando materia prima fresca en la misma cantidad y enforma simultánea.

Cuando el pH es bajo se puede agregar fertilizante, cenizas,

agua amoniacal diluida o una mezcla de ambos y licor

fermentado.

F. Promotores e inhibidores de la fermentación.

Los promotores son materiales que pueden fomentar la degradación

de la materia orgánica y aumentar la producción de gas; entre ellos

tenemos enzimas, sales inorgánicas, se puede emplear úrea,

carbonato de calcio (CaCO3). Los inhibidores, son aquellos factores,

que inhiben la actividad vital de los microbios.

Entre los promotores de la fermentación hay diversos tipos de

materiales entre ellos enzimas, sales inorgánicas. Cuando se carga

el digestor, es útil agregar celulosa para promover el proceso y la

producción de gas.

La úrea y el carbonato de calcio han dado buenos resultados. El

primero acelera la producción de metano y la degradación del

material, el segundo es útil para la generación de gas y para

aumentar el contenido de metano en el gas.

En relación a los inhibidores. Por la naturaleza biológica del proceso

son muchos los factores que afectan la actividad de los

microorganismos. La alta concentración de ácidos volátiles (más de

2000 ppm en la fermentación mesofílica y de 3600 ppm para la

termofílica). La excesiva concentración de amoníaco y nitrógeno,

destruyen las bacterias, todo tipo de productos químicos agrícolas,

en especial los tóxicos fuertes aún en ínfimas proporciones podrían

destruir totalmente la digestión normal. Muchas sales como los


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31

iones metálicos son fuertes inhibidores. En la Tabla Nº XX se

indican las concentraciones inhibidoras de algunos inhibidores

comunes:

TABLA Nº 8 CONCENTRACIÓN INHIBIDORA DE INHIBIDORES

COMUNES

Inhibidores Concentración inhibidora

SO4 5000 ppm.

NaCl 40000 ppm.

Nitrato ( Según contenido de

nitrógeno)0.05 mg/mL.

Cu 100 mg/L.

Cr 200 mg/L.

Ni 200-500 mg/L.

CN 25 mg/L.

Detergente sintético 20-40 mg/L.

Na 3500-5500 mg/L.

K 2500-4500 mg/L.

Ca 2500-4500 mg/L.



2.2.3 Procesos de digestión para tratar los residuos orgánicos

La digestión para degradar los residuos orgánicos y/o producir biogas

en un proceso microbiano, por lo que se necesita condiciones

ambientales propicias y un manejo adecuado para que funcione

eficientemente el sistema, desde que se carga el digestor hasta la

producción del gas y salida del efluente. Existen muchos procesos para

tratar los diversos residuos orgánicos, los cuales dependen de las

condiciones de diseño del sistema, como de los propios digestores y del

modo del sistema, como de los propios digestores y del modo d

presentación de los substratos a ser fermentados.

En este sentido los procesos pueden ser clasificados según:


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32

A. Por la forma de alimentación

1. Fermentación continua

Cuando la fermentación en el digestor es un proceso

ininterrumpido, el efluente que descarga es igual al material que

entra, la producción de gas es uniforme en el tiempo; este

proceso se aplica en zonas con ricas materias residuales y

digestor de tamaño grande (mayor de 15 m3) y mediano (entre

6.3 y 15 m3).

La característica más importante es la alta dilución de la carga,

de 3 a 5 veces agua/excreta y además su manejo es

relativamente fácil, pues lo que se hace es un manejo hidráulico

del sistema, que puede llegar a no requerir mano de obra en la

operación si las condiciones topográficas son favorables.

El digestor se carga diaria o interdiariamente adicionando

nuevas cantidades de lodos frescos.

GRÁFICO Nº 2 ESQUEMA DE UN PROCESO CONTINUO

Fuente: Guevara, Antonio. Fundamentos básicos para el diseño

de biodigestores anaeróbicos rurales (1996, p. 21).

2. Fermentación semicontinua

La primera carga que se introduce, consta de gran cantidad de

materiales; cuando va disminuyendo gradualmente el

INSUMODesecho orgánico

alta dilución

DIGESTORMaterial líquido

Microorganismos

PRODUCTOSBiogás

Bioabono líquido

Tiem o de Retención


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rendimiento del gas se agregan nuevas materias primas y se

descarga el efluente regularmente en la misma cantidad.

El sustrato a degradar ocupa un volumen en el digestor (80%),mientras que el resto del volumen (20%) es reservado para

realizar cargas continuas diarias o intermedias, a medida que va

disminuyendo gradualmente el rendimiento del gas.

Esta operación reúne las ventajas y desventajas del batch, pero

en el caso del bioabono, por la adición continua de materia rica

en nutrientes incrementa aún más su calidad.

Una forma de operación podría ser: incorporando al digestor una

carga batch de pasto o restos de cosecha y la carga continua es

con excretas de porcinos o humanos.

Debido a que el suministro de lodos frescos no es constante el

proceso se hace bastante largo, por esta razón en la práctica se

acelera mediante la utilización y el control de factores

favorables.

3. Fermentación por lotes

Los digestores se cargan con material en un sólo lote, cuando el

rendimiento de gas decae a un bajo nivel, después de un

período de fermentación, se vacían los digestores por completo

y se alimenta de nuevo.

También se conoce como operación "Batch", todo adentro todo

fuera.

El material de carga se caracteriza, por una alta concentración

de sólidos, el cual debe ser adecuadamente inoculado, sobre

todo cuando se fermentan materiales vegetales. Las ventajas

operativas es que el proceso una vez iniciado llega al final sin


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34

contratiempos, necesitando mano de obra solo al momento de la

carga y la descarga. La desventaja es que al tratarse de manejo

de sólidos sobre todo cuando son grandes volúmenes requiere

mecanizarlo, no obstante hay gran producción de gas por unidadde volumen y un bioabono de buena calidad.

GRÁFICO Nº 3 ESQUEMA DE UN PROCESO POR LOTES



B. Por la temperatura.

Es de suma importancia, puesto que la temperatura determina la

formación de gas en un tiempo determinado, a menor temperatura

mayor tiempo de retención, pudiendo inhibir la formación del gas.

1. Fermentación termofílica

Necesita una temperatura de 51-55°C, se caracteriza por una

digestión rápida, alto rendimiento de gas y un corto tiempo de

retención, tiene buenas características de desinfección.

2. Fermentación mesofílica

La temperatura va de 28-35°C, la descomposición de la carga es

más lenta que el anterior con menos consumo de energía.

INSUMO

Desecho orgánicoSólido + H2O

DIGESTOR

Material sólidos +H2OMicroorganismos

PRODUCTOS

BiogásBioabono líquidoBioabono sólido

Tiem o de Retención


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35

3. Fermentación a temperatura ambiente

La producción del gas varía de una estación a otra dependiendode la temperatura atmosférica tiene la ventaja de que sus

estructuras son simples y de baja inversión.

C. Por el número de Etapas

1. Fermentación en una sola etapa

Cuando la digestión se realiza en un sólo depósito de

fermentación, su estructura es simple, fácil operación y bajo

costo, se usa mucho en las zonas rurales.

2. Fermentación en dos o más etapas

La digestión ocurre en dos o más depósitos de fermentación. El

material de la carga primero se degrada y produce gas en la

primera etapa; luego el efluente de la primera etapa sufre un

nuevo proceso de digestión en la segunda etapa. Con este

principio se pueden construir digestores de 3 ó 4 etapas.

Los digestores de etapas múltiples se caracterizan por un largo

período de retención, buena descomposición de la materia

orgánica y una alta inversión.

2.2.4 Tipos de digestores

La base fundamental para que se cumpla la digestión anaeróbica es la

de mantener la suficiente cantidad de lodos activados dentro del

reactor, para que al entrar en contacto con el material de carga, las

bacterias que existan en ellos puedan ayudar a las fermentación y

degradación de la materia orgánica. Dependiendo de la forma de

contacto entre el material o sustrato fermentante y la población


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bacteriana dentro del reactor, se definen dos tipos de digestores

anaeróbicos.

A. Digestor de mezcla completa.

Denominados así porque el sustrato a ser digerido y los

microorganismos encargados de su degradación se encuentran

formando una sola unidad, dentro del cuerpo del digestor,

originándose la fermentación de la materia orgánica, como ejemplos

de esto tenemos los digestores rurales, de fácil operación así como

los digestores construidos en Francia, China y la India. Los modelos

de digestores clásicos industriales son esencialmente de tipo de

mezcla completa con una recirculación del líquido en suspensión y

con agitación mecánica.

B. Reactores de filtro anaeróbico, lechos expandidos y fluidizados

y las unidades U.A.S.B. (Upflow Anaerobio Sludge Blanket)

Todos estos reactores están basados en la tendencia que tienen las

bacterias, especialmente las metanogénicas a fijarse sobre

superficies sólidas.

La carga incremental en un reactor de flujo continuo sin retención de

microorganismos y/o materia orgánica ocasiona un lavado y por lo

tanto una disminución del proceso ya iniciado. De ahí que se han

intentado algunos mecanismos (ver Gráfico Nº XX) en los cuales se

busca separar los sólidos del efluente y recargarlos al cuerpo del

reactor o también retomar parte del efluente con sólidos en

suspensión al cuerpo del mismo. En los reactores de filtro fijo, las

bacterias se adhieren sobre soportes estacionarios y especialmente

provistos para tal fin, en cambio en las U.A.S.B. y reactores

similares, la adherencia se da entre las propias bacterias

formándose flóculos que tienen la capacidad de sedimentar a

velocidades superiores que la velocidad neta del líquido.


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37

El sistema que ha obtenido éxito en el medio rural es el digestor con

filtro anaeróbico donde el agua residual al entrar en el digestor se le

hace pasar a través de una cama de soporte de material poroso

inerte, que contiene gravas, rocas, carbón activado, ladrillostriturados, sepiolita, conchas marinas, o multitud de materiales

plásticos, como anillos de P.V.C. ó de Poliuretano (espuma);

silicatos: Saponita, mantmorillonita, etc.

El filtro aneróbico tiene la característica de aumentar el tiempo de

residencia de los microorganismos en su interior, por estar formando

por una matriz que posee una mayor superficie de contacto, donde

se fijan las bacterias metanogénicas

Con estos procesos de biomasa retenida, se consiguen tiempos de

retención de sólidos entre 10 y 100 veces mayores que en los

digestores convencionales de mezcla completas. Con lo cual se

obtienen tiempos hidráulicos de retención notablemente inferiores y

permiten un incremento en la cantidad o volumen de carga a

degradar.

Estos reactores son operados básicamente en forma continua con

cargas diarias ó interdiarias, en las cuales el material a fermentar se

encuentra suspendido en la solución.

GRÁFICO Nº 4 UNIDADES DE TRATAMIENTO ANAERÓBICO


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2.2.5 Componentes y clasificación de los digestores

A. Componentes de un Biodigestor

El digestor que es una planta de fermentación anaeróbica, para la

fabricación de biogás, está compuesto por las siguientes partes:

Tubo de entrada de materia orgánica.

Cámara de fermentación o cuerpo del Digestor.

Cámara de depósito de gas.

Cámara de salida de materia estabilizado o fermentada.


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Conducto de gas, lleva el gas para ser usado.

Tapa hermética.

Gasómetro (ver Gráfico Nº 8)

GRÁFICO Nº 5 ESQUEMA OPERATIVO DEL SISTEMA BIODIGESTOR -

GASÓMETRO

1. Tubería que conduce el gas fuera deldigestor.2. Llave reguladora del uso del gas.3. Biodigestor (cuerpo).4. Tubería que conduce el gas al gasómetro.5. Manguera flexible.6. Tubería de entrada y salida del gasómetro.

7. Barras guías del gasómetro.8. Gasómetro.

9. Tanque de agua sobre la cual flota elgasómetro.10. Tubería de distribución del gas.11. Manómetro.12. Cámara de salida del material.13. Tubo de entrada.14. Tapa hermética.

15. Cámara de depósito de gas. Fuente: Guevara, Antonio. Fundamentos básicos para el diseño de


B. Clasificación de los Digestores Rurales.

Por su forma y su estructura los digestores pueden agruparse en los

siguientes diseños.

1. Según el almacenamiento del gas

Cúpula fija (Gráfico Nº 9)

Cúpula móvil (Gráfico Nº 10)

Con depósito flotante, o de presión constante (Gráfico Nº

11).

Con gasómetro de Caucho o material plástico en forma de

Bolsa (Gráfico Nº 12)


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GRÁFICO Nº 6 DIGESTOR DE CÚPULA FIJA



GRÁFICO Nº 7 DIGESTOR DE CÚPULA MÓVIL



GRÁFICO Nº 8 DIGESTOR CON DEPÓSITO FLOTANTE DE GAS


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GRÁFICO Nº 9 DIGESTOR CON GASÓMETRO DE PLÁSTICO O

CAUCHO EN FORMA DE BOLSA

Fuente: Guevara, Antonio. Fundamentos básicos para el diseñode biodigestores anaeróbicos rurales (1996, p. 30).

2. Según su forma geométrica

Cámara vertical cilíndrica (Gráfico Nº 13)

Cámara esférica (Gráfico Nº 14) Cámara ovalada (Gráfico Nº 15)

Cámara rectangular (Gráfico Nº 16)

Cámara cuadrada (Gráfico Nº 17)

GRÁFICO Nº 10 DIGESTOR CILÍNDRICO


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GRÁFICO Nº 11 DIGESTOR ESFÉRICO

1. Tubo de entrada de materia.

2. Cámara de fermentación. 3. Cámara de depósito de gas.

4. Cámara de salida.



GRÁFICO Nº 12 DIGESTOR OVALADO




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GRÁFICO Nº 13 DIGESTOR RECTANGULAR



GRÁFICO Nº 14 DIGESTOR CUADRADO

Fuente: Guevara, Antonio. Fundamentos básicos para el diseñode biodigestores anaeróbicos rurales (1996, p. 32).

3. Por los materiales de construcción

De acuerdo al material de construcción pueden ser de ladrillo,

de manipostería, de hormigón, de hormigón armado y de

plástico.

4. Según su posición respecto a la superficie terrestre

Superficiales (Gráfico Nº 10)

Semienterrados (Gráfico Nº 17)

Subterráneos (Gráfico Nº 14)

C. Modelo de digestores.


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Existen muchos modelos entre los más populares tenemos "El

modelo Chino", "El Modelo Indio”. "El Modelo Olade de Guatemala".

"El Modelo Xochicalli”. Los modelos "Plásticos Tubulares y

"Rectangulares", los materiales con que son construidos varíandesde manipostería, prefabricados, hasta metálicos de diferentes

aleaciones; lo importante es que estén bien construidos, para que

se pueda cumplir el proceso.

1. Modelo Chino

Este modelo está muy difundido en China, es un digestor de

cúpula fija en forma cilíndrica, enterrados con cámaras de

Hidropresión (Gráfico Nº 18).

La estructura puede ser de hormigón, de ladrillos, bloques y

adobes, se le puede adicionar el gasómetro. Este digestor por

estar enterrado favorece el proceso fermentativo, con poca

influencia por los cambios de temperatura, la desventaja que

presenta es que la presión del gas es variable dependiente del

volumen acumulado.

GRÁFICO Nº 15 BIODIGESTOR MODELO CHINO CAPACIDAD

150m3



2. Modelo Indio


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Es originario de la India y se ha difundido mucho porque

mantiene una presión de trabajo constante, generalmente son

verticales, con el gasómetro incorporado (Por lo que se llamadigestor de Cúpula Móvil), la estructura se construye de bloques

y concreto, y el gasómetro es de acero, lo que lo hace costoso.

El "Gasómetro" posee una camisa que se desliza en un eje y lo

mantiene centrado para que no rose con las paredes ni escoree,

este eje descansa en una viga transversal de concreto armado

enjaulado.

Estos digestores son de alimentación continua, se construyen

generalmente enterrados quedando la cúpula sin gas en un nivel

cercano a la superficie del terreno.

GRÁFICO Nº 16 BIODIGESTOR MODELO INDIO CAPACIDAD

150m3



3. Modelos Horizontales


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Se habla de digestores horizontales cuando estos no

profundizan en el suelo, son de forma rectangular, aunque

pueden ser cuadrados, se caracterizan por ser en su mayoría de

concreto armado debido a las presiones que están sometidos.Su uso es generalmente para el saneamiento de descargas

cloacales, ya que su conformación alargada garantiza que el

efluente al salir del cuerpo del digestor, debido al flujo pistón y al

tiempo de retención sean debidamente degradados.

Estos digestores llevan generalmente en la parte superior una

pequeña cúpula metálica desmontable que sirve de boca de

visita, la presión se controla por el sello de agua, además

requieren gasómetro adicional debido a la poca capacidad de

almacenamiento de la cúpula y el cuerpo del digestor.

GRÁFICO Nº 17 BIODIGESTOR MODELO HORIZONTAL




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Los “biodigestores de manga” pueden ser considerados como

una variación de este modelo de biodigestor.

4. Modelos Batch por lotes

Estos digestores se caracterizan porque se cargan una sola vez,

tienen una cúpula metálica con sello de agua, la estructura se

construye con bloques y concreto reforzado; la desventaja es

que se debe construir obligatoriamente un gasómetro y al ser

aéreos están afectados por la temperatura ambiental, se utiliza

para degradar materias primas sólidas, como restos vegetales,

desechos sólidos orgánicos, el requisito básico es utilizar una

buena inoculación, (5 al 10% en base al peso), para garantizar

una buena fermentación

El rendimiento volumétrico de gas es superior a cualquier

digestor continuo (debido al contenido de sólidos totales),

igualmente el rendimiento de abonos sólidos es elevado; por eso

este método permite el tratamiento sanitario de desperdicios

orgánicos, el control satisfactorio de toda clase de plagas, así

como la proliferación de moscas, así mismo la recuperación

eficiente y económico del metano y la retención de humus e

ingredientes para uso de fertilizantes.

GRÁFICO Nº 18 BIODIGESTOR MODELO BATCH


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2.2.6 Diseño de biodigestores de manga

El diseño de los digestores debe responder tanto al lugar como el grado

de aplicación y a la finalidad de la tecnología. Conociendo la región, la

localidad, y el lugar donde va a estar ubicada la planta, y en función al

material de carga que se dispone y que se va a tratar, o de acuerdo a

las necesidades de producción, se seleccionará el sistema de digestión

más adecuado, de acuerdo a una secuencia o flujo que permita tener

una idea clara del tamaño y forma del digestor necesitado.

El diseño abarca una serie de actividades que van desde la etapa

preliminar hasta el cálculo de materiales y gráfica. Se recomienda la

siguiente secuencia:


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GRÁFICO Nº 19 SECUENCIA DE PASOS PARA EL DISEÑO DE

BIODIGESTORES

A. Recolección de información

Se debe recolectar información de la zona en estudio; información

socio-económica y del clima para hacer uso del sistema. Este punto

abarca recolectar la siguiente información:

Sobre la ubicación política de la zona, las característicasgeográficas, las condiciones climáticas de la región.

Sobre los medios de vida de los habitantes, la tipología familiar,

los servicios públicos, las condiciones de la vivienda, etc., que

existen en el lugar.

Sobre, el suelo y subsuelo, la información referente a las

características y calidad del terreno, la altura de la mesa de

agua.

Sobre la producción agrícola y pecuaria más importante de zonay que tenga relación con el diseño.

Esta información es indicativa ya que depende del objetivo de la

tecnología y de su ubicación.

B. Selección del tipo de digestor

1. Recopilación deinformación

2. Selección del tipode digestor

3. Especificacionespara el diseño de

Biodigestores.


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Es conveniente relacionar el objetivo y el régimen de operación, con

los recursos técnicos, económicos y de materiales con que se

cuenta en la zona; esto permitirá la selección del modelo de

biodigestor adecuado.

C. Especificaciones para el diseño de Biodigestores.

1. Cámara de fermentación.

a. Cálculo del Volumen de la Cámara de Fermentación

(VCF)

El cálculo del Volumen de la Cámara de Fermentación

(VCF), se puede realizar partiendo de dos criterios.

Criterio 1: Utilizar todos o una determinada parte de los

desechos orgánicos originados y disponibles en un lugar

para producir gas de uso variado.

Criterio 2: Producir una cantidad determinada de gas

para satisfacer la demanda para unos usos específicos,

como cocinar, comer, calefacción, etc.

Criterio 1

Lo primero que se debe calcular es la cantidad de estiércol

con que se cuenta, para ello se pueden realizar buenas

estimaciones con datos como los mostrados en la tabla Nº 9.

TABLA Nº 9 PRODUCCIÓN DE RESIDUOS HUMANOS Y

ANIMALES (ESTIMADO)

ProductorPeso(kg)

Producción diaria

de estiércol (kg)

Producción anual

de estiércol (kg)

Cerdo 50 6 2.190

Vaca 500 34 12.410

Caballo 500 10 3.650


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Oveja 15 1.5 548

Ave 1.5 0.1 36.5

Humanos 50 0.5 182.5

Fuente: Guevara, Antonio. Fundamentos básicos para el diseño debiodigestores anaeróbicos rurales (1996, p. 54).

Si se pretende utilizar todos los desechos orgánicos diarios

disponibles, se debe tener en cuenta que el estiércol con que

se cuenta se debe mezclar con rastrojos vegetales con la

finalidad de obtener una relación C/N de 25, tal como se

muestra en el ítem 2.2.2.B.

Una vez que se obtiene la masa de la mezcla adecuada

(sustrato) se debe considerar que es recomendable diluir

dicho sustrato en agua a una relación 1:4 en volumen

(Herrero, Jaime; 2008, p. 28), además, al ser esta cantidad

la producida en un día (Volumen de Carga Diaria ó VCD), se

ha de multiplicar la mezcla por el Tiempo de retención

Hidráulico (TRH) por lo tanto el Volumen de Carga Total

(VCT) será:

Para obtener el TRH adecuado, podemos revisar la tabla Nº

5 ó 6, dependiendo de los requerimientos.

Es importante recordar que el VCT (mezcla sustrato-agua)

debe ocupar un volumen que corresponde al 75 % del VCF

(Herrero, Jaime; 2008, p. 29), por lo tanto el VCF será:


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Criterio 2

Cuando se calcula en base a los requerimientos de

combustibles, se toma en cuenta los siguientes parámetros:

Biogás = 60 % metano + 40 % CO2

Poder calorífico 4767 kcal/m3.

Eficiencia de combustión 60%.

Poder calorífico efectivo: 2860 kcal/m3.

Algunos datos de demanda de biogás en el medio rural:

Se estima un consumo diario de gas de 0.2 - 0.3 m3

percápita.

Para una familia varía 4 - 10 m3 según número de

personas

Cocina doméstica 2 m3/día (familia de 5 a 6 pers.)

Calentamiento agua 3 m3/día (tanque de 100 lt.)

Refrigeración alimentos 3 m3/día (familia 5 a 6 pers.)

Iluminación 0.1 m3/día

Una máquina de 2 HP 0.9 m3/hora.

Para enfriar 90 lt. de leche 10 m3/día.

Para otros equipos ver tabla N°8.

TABLA Nº 10 DEMANDA DE BIOGÁS PARA DIFERENTES

USOSEquipos Características Consumo (m )

Lampara Equivalente aprox. a 100 0.09

Cocina Por hornilla Standard 0.40

Homo 0.44

Nevera 1 quemador- 1 inyector 0.15

Motor ciclo otto 0.45 / HP

Soplete 0.80


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53

Criadora1500 K calorías, por 1

inyector0.16

Hervir agua a 100°C 0.08 / lt

Electricidad 0.62 / KW



Con ayuda de los criterios anteriores se debe estimar el

Requerimiento Diario de Biogás (RDB).

Según XX (XXX, p. 3) para los sistemas de manga con

diluciones 1:4 se puede asumir una producción diaria de

biogás de 35 % el volumen del VCT (0.35 L de biogás/L

VCT/día). En función de ello podemos determinar el VCF

mediante:

Entonces:

Como:

Tenemos que:

b. Consideraciones para la cámara de fermentación

Se utilizará geomembrana tubular de PVC de 0.6 mm de

espesor o calibre, esto debido a su elasticidad y fácil

reparación en caso de rasguños.

El ancho del rollo determina el diámetro y radio de nuestro

biodigestor. Según el ancho de los rollos más comunes en el

mercado encontramos anchos de rollo de 1, 1.25, 1.50, 1.75

y 2 m.


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54

La relación entre longitud y diámetro de un biodigestor

debería estar entre 5:1 y 10:1 (Ruíz, Albina; 2010, p. 67).

En consecuencia la Longitud de Geomembrana para el

Biodigestor (LGB) se obtiene de la siguiente manera:

El radio (r) se obtiene en función del Ancho del Rollo (AR)

como sigue: Entonces tenemos que:

Reemplazando tenemos que:

( )

Despejando LGB tenemos:

Cabe mencionar que se debe adicionar 1 m para realizar el

amarre de la geomembrana a los tubos de 4” de ingreso y

salida.

En caso que la longitud determinada (LGB) sobrepase el

límite de la relación longitud/diámetro de 10:1, se debe

considerar realizar dos biodigestores de igual longitud,


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55

debido a que se podría ocasionar problemas de

sedimentación de los sólidos lo que obligaría a detener el

funcionamiento del biodigestor en determinado momento

para su mantenimiento.

2. Dimensiones de la zanja

La cámara de fermentación se recomienda que esté situada

dentro de una zanja trapezoidal por debajo del nivel del suelo:

Las dimensiones de esta zanja dependen de las dimensiones de

la cámara de fermentación.

Se recomienda además que la zanja trapezoidal este por debajo

del suelo, de tal forma que pueda cubrir la altura a la que llega el

VCT.

3. Dimensiones del invernadero

4. Volumen de la cámara de carga y descarga.

Casi en la mayoría de manuales revisados se considera solo

necesario las tuberías de 4” que se ubican como entrada y

salida del sistema, pero es más recomendable aplicar una

pequeña cámara tanto para el ingreso (que sirva como cámara

de mezclado) y a la salida (que sirva como colector de biol) tal

como lo mencionan Salazar, Jean y otros (2012, p. 2).

Para determinar las dimensiones de estas cámaras se

recomienda seguir las siguientes indicaciones:

Cámara de ingreso


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56

La altura no debería ser mayor a 40 cm (30 cm como altura

máxima de la mezcla estiércol-agua y 10 cm de borde libre), y el

largo y ancho podrían ser de igual longitud (L), entonces lasdimensiones se obtienen de la siguiente manera:

GRÁFICO Nº 20 ESQUEMA DEL SISTEMA DE BIODIGESTIÓN

CUYA ENTRADA ES A LA IZQUIERDA Y LA SALIDA A LA

DERECHA

Fuente: Salazar, Jean y otros. Producción de biogás y biol a partir de

excretas de ganado: Experiencias en la ciudad de Tacna (2012, p. 2).

Cámara de ingreso

La cámara de salida tendrá la forma de un cubo con 10 cm más

adicionados a la altura (borde libre), entonces tenemos:

√


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5. Gasómetro.

El gasómetro debe

6. Representación gráfica y dimensiones del modelo (planos).


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CAPÍTULO III: ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS

4.1 Nivel de confianza y grado de significancia

4.2 Análisis de resultados

4.3 Prueba de Hipótesis

4.4 Prueba estadística utilizada


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59


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60

CAPÍTULO IV: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1 Conclusiones

5.2 Recomendaciones


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61

FUENTES DE INFORMACIÓN

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Rurales. En: http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/scan2/031042/031042.pdf .

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Torres, Patricia y Pérez, Andrea. Actividad metanogénica específica: Una herramienta

de control y optimización de sistemas de tratamiento anaeróbico de aguas

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Peruanas (EAPIA-UAP). Manual para elaborar el plan de Tesis y el desarrollo

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XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX. Chachapoyas, XXX [Revisado el

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ANEXOS


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A N E X O I

M A

T R I Z D E C O N S I S T E N C I A

T í t u l o :

I n s t r u m

e n t o s

T é c n i c a s

M

é t o d o s

T i p o d e

I n v e s

t i g a c i ó n :

A p l i c a

d a

N i v e l

d e

i n v e s

t i g a c i ó n :

D e s c r i p t i v a

D i s e ñ

o d e l a

i n v e s

t i g a c i ó n :

U n i v e

r s o :

M u e s

t r a :

Í n d i c e

I n d i c a d o r

V a r i a b l e s

V a r i a b l e s

I n d e p e n d i e n t e s

:

X 1 :

H i p ó t e s i s

H i p ó t e s i s

g e n e r a l

O b j e t i v o

O b j e t i v o

g e n e r a l

P r o b l e m a

P r o b l e m a

p r i n c i p a l


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ANEXO II XXXXXXXXXXXXX

ANEXO III XXXXXXXXXXXXXX

GLOSARIO DE TÉRMINOS

Documents

TESIS BD_FORMATO UAP-13-02-14 (1)