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Agradecimientos
A mi esposa Thalia Xochitl Osorio Guzmán, por creer siempre en mí, como esposo, amigo y profesionista.
A mis padres; Victoria Ramírez Rosales y Juan Paredes Hernández, que sin su apoyo, nunca hubiera logrado llegar hasta donde estoy.
A mis asesores el M.I.Q Alejandro Torres Aldaco y el Dr. Raúl Lugo Leyte, por
el apoyo formativo, académico, moral y principalmente por tener la paciencia y dedicación en mí.
A la Planta Piloto 2 y amigos, porque en ellos encontré una familia y mi segundo hogar.
Al SECITI del D.F. por el apoyo al proyecto “Biocentral de potencia integrada
a una planta de tratamiento de aguas residuales para una ciudad sostenible”
PICSO12-107.
3
Contenido
Nomenclatura ...................................................................................................................................... 5
Índice de tablas .................................................................................................................................... 6
Índice de figuras .................................................................................................................................. 6
Planteamiento del Problema ................................................................................................................ 9
Justificación ....................................................................................................................................... 10
Objetivo general ................................................................................................................................ 12
Objetivos particulares ........................................................................................................................ 12
Estado del arte ................................................................................................................................... 13
Biomasa ......................................................................................................................................... 13
La digestión anaeróbica ................................................................................................................. 14
Etapas de la digestión anaeróbica .................................................................................................. 14
Bacterias involucradas en la etapa de Metanación y rangos de temperaturas de operación ......... 16
Capítulo I ........................................................................................................................................... 18
Definición del biogás .................................................................................................................... 18
Formas de producción del biogás .................................................................................................. 18
Composición del estiércol para producción de biogás .................................................................. 20
Características químicas y físicas del biogás ................................................................................ 21
Capítulo II ......................................................................................................................................... 24
Factores que afectan la producción de biogás ............................................................................... 24
Temperatura ............................................................................................................................... 24
Tiempo de retención hidráulico ................................................................................................. 26
Nivel de pH ............................................................................................................................... 26
Relación Carbono/Nitrógeno ..................................................................................................... 27
Solidos totales y solidos volátiles .............................................................................................. 28
Capítulo III ........................................................................................................................................ 30
Tipo de biodigestores .................................................................................................................... 30
Diseño y construcción ................................................................................................................... 31
Puesta en marcha ........................................................................................................................... 38
Manejo del residuo generado por la digestión anaeróbica ............................................................ 39
Capítulo IV ........................................................................................................................................ 42
Purificación de Biogás .................................................................................................................. 42
4
Tratamiento Primario ................................................................................................................ 42
Tratamiento Secundario ............................................................................................................ 42
Eliminación de CO2 ................................................................................................................... 43
Absorción química .................................................................................................................... 43
Separación por membrana ......................................................................................................... 44
Eliminación de H2S ................................................................................................................... 44
Eliminación de Especies Orgánicas Halogenadas y Siloxanos ................................................. 45
Capítulo V ......................................................................................................................................... 47
Ecuaciones de estado ..................................................................................................................... 47
Modelos de ecuaciones de estado P-v-T ....................................................................................... 47
Mezcla de gases reales .................................................................................................................. 49
Factor de compresibilidad ............................................................................................................. 49
Almacenamiento en cilindros ........................................................................................................ 50
Trabajo de compresión para el biogás ........................................................................................... 51
Norma oficial mexicana para recipientes transportables que contiene gas LP .......................... 52
Capítulo VI ........................................................................................................................................ 54
Plantas de biogás ........................................................................................................................... 54
Dimensionado ............................................................................................................................... 56
Estudio de la turbina de gas simple ............................................................................................... 56
Dimensionado ............................................................................................................................... 57
Resultados ......................................................................................................................................... 62
Conclusiones ..................................................................................................................................... 73
Anexos............................................................................................................................................... 74
Determinación de la DBO ............................................................................................................. 74
Determinación de la DQO ............................................................................................................. 74
Trabajos Publicados ...................................................................................................................... 75
“The fourth international symposium on environmental biotechnology and engineering” 2014,
Cinvestav, IPN, Zacatenco, México. ............................................................................................. 75
“Coloquio de investigación multidiciplinaria” 2014, Orizaba, México. ....................................... 76
Bibliografía ....................................................................................................................................... 78
5
Nomenclatura
Biogás Densidad del biogás kg/m3
ΔEo Diferencia entre la norma potencial de Redox para un pH=7 mV
ηSIC Eficiencia isoentrópica de compresión [-]
π Relación de presiones [-]
πCOM Relación de presión del compresor [-]
πT Relación de presión de la turbina [-]
ω Factor acéntrico [-]
CORG Carbón unido orgánicamente [-]
C1, C2 Cadena carbónica corta [-]
Cpg Calor específico de los gases de combustión kJ/KgK
Cpa Calor específico del aire kJ/kgK
EG Energía liberada como él % de energía total contenida %
fω Constante del modelo de Peng-Robinson [-]
h Entalpia por unidad de masa kJ/kg
n Indicie politrópico [-]
P Presión
bar
Pcr Presión critica bar
PR Presión corregida bar
qSUM Calor suministrado kJ/kg
R R del gas kJ/kgK
s Entropía kJ/kgK
T Temperatura K
Tcr Temperatura critica °C
TR Temperatura corregida °C
T1 Temperatura ambiente K
T3 Temperatura a la entrada de la turbina K
v Volumen específico m3/kg
6
v/v Porcentaje de concentración %
Wc Trabajo de compresión kJ/kg
WTURB Trabajo de la turbina kJ/kg
WME Potencia eléctrica MW
X Relación igual a; [0.2857] [-]
Z Factor de compresibilidad [-]
Índice de tablas
Tabla I Número total de desechos digeridos en plantas de fermentación y co-fermentación en
Europa desde 1997 11
Tabla II Liberación de energía por la degradación de la biomasa 15
Tabla 1.1 Composición química del biogás 18
Tabla 1.2 Índices de la producción de biogás a partir del peso y las características de la
biomasa 20
Tabla 1.3 Características termodinámicas del biogás 21
Tabla1.4 Comparación de las características técnicas del biogás con otros gases 21
Tabla 1.5 Comparación de los parámetros técnicos entre el gas natural y el biogás 22
Tabla 2.1 Razón de C/N para diversas materias orgánicas 27
Tabla 3 Lista de materiales para la construcción del biodigestor 38
Tabla 5.1 Ecuaciones de estado empleados en la predicción de propiedades de mezcla s de
biogás 47
Tabla 6.1 Demanda de biogás para diferentes usos 55
Tabla 6.2 Expresiones para el cálculo del trabajo de compresión, trabajo de la turbina y calor
suministrado en la turbina 57
Tabla 6.3 Características climatológicas típicas de tres estados ganaderos 58
Tabla 7.19 Potencias obtenidas con la turbina de gas variando la concentración de CH4 y el
número de biodigestores obtenidos para tres estados de México 72
Índice de figuras
Figura I Composición de las aportaciones de GEI en México 11
Figura II Composición de las aportaciones de CH4 en México 11
Figura III Descripción de las etapas de fermentación anaeróbica 15
7
Figura IV Crecimiento bacteriano en el tiempo 16
Figura 2.1 Tasa de crecimiento relativo a los microorganismos en diferentes regímenes de
temperatura 25
Figura 2.2 Producción de biogás en función de la temperatura 25
Figura 3(a) Biodigestor de campana flotante (tipo hindú) 30
Figura 3(b) Biodigestor de bolsa elástica (tipo balón) 30
Figura 3(c) Biodigestor de cúpula fija (tipo chino) 31
Figura 3.2 Geometría base para el diseño del biodigestor 33
Figura 3.3 (a) Vista lateral del biodigestor 34
Figura 3.3 (b) Vista superior de la localización 34
Figura 3.3 (c) Detalles del tanque de alimentación 35
Figura 3.3 (d) Detalles del tanque de alimentación 35
Figura 3.3 (e) Detalles del tanque de descarga 35
Figura 3.3 (f) Detalles del biodigestor y la escalera de acceso 36
Figura 3.3 (g) Detalles de la exclusa y la tapa del biodigestor 36
Figura 3.3 (h) Detalles del domo superior 36
Figura 3.3 (i) Detalles armado del castillo, dados y cadena del biodigestor vista superior 37
Figura 3.3 (j) Vista lateral del biodigestor completo 37
Figura 4.1 Esquema de purificación de biogás por absorción acuosa con regeneración de
agua 42
Figura 4.2 Esquema de purificación de biogás por absorción acuosa 43
Figura 5.1 Envolventes del biogás en diferentes concentraciones para diversas aplicaciones
y condiciones de confinamiento 52
Figura 6.1 Esquema de una planta de biogás 54
Figura 6.2 Poder calorífico inferior del biogás, variando la concentración mol de metano 55
Figura 6.3 Esquema de la turbina de gas simple 56
Figura 6.4 Diagrama temperatura entropía de la turbina de gas Solar Saturn 57
Figura 6.5(a) Temperatura mínima promedio en la república mexicana 59
Figura 6.5(b)Temperatura promedio media en la república mexicana 59
Figura 6.5(c) Temperatura promedio máxima en la república mexicana 60
8
Figura 7.1 Monitoreo del pH dentro del biodigestor a escala piloto 62
Figura 7.2 Monitoreo de la temperatura del biodigestor a escala laboratorio 63
Figura 7.3 Biodigestor a escala laboratorio 63
Figura 7.4 Imagen del manómetro conectado al biodigestor 64
Figura 7.5 (a) Biodigestor a escala piloto antes 64
Figura 7.5 (b) Biodigestor a escala piloto después 64
Figura 7.6 Conexiones para la extracción del biogás 65
Figura 7.7 (a) Conexiones para la salida del sustrato 65
Figura 7.7 (b) Medidor de pH y temperatura 65
Figura 7.8 (a) Compresora adaptada para la compresión del biogás antes 66
Figura 7.8 (b) Compresora adaptada para la compresión del biogás después 66
Figura 7.9 Conexiones de succión y descarga 66
Figura 7.10 Tanque de almacenamiento del biogás 66
Figura 7.11 Trabajo de compresión variando la composición del biogás a diferentes
temperaturas de entrada al compresor 67
Figura 7.12 Trabajo de compresión del biogás variando la relación de presiones 67
Figura 7.13 Trabajo de compresión variando la concentración de metano y manteniendo
una relación de presiones fija 68
Figura 7.14 Arreglo de la turbina Solar Saturn de un 1MW en Thermoflex 69
Figura 7.15 Flujo de combustible obtenido, para tres estados de México a diferentes
temperaturas ambiente en la turbina de gas Solar Saturn 69
Figura 7.16 Presión ambiental y potencia generada en la turbina de gas Solar Saturn, con
diferentes concentraciones volumétricas de metano en el biogás 70
Figura 7.17 Flujo de combustible obtenido a diferentes concentraciones volumétricas de
metano 70
Figura 7.18 Potencia generada de la turbina de gas obtenida a diferentes concentraciones
volumétricas de metano 71
9
Planteamiento del Problema
El metano es un gas de efecto invernadero muy importante y peligroso en la atmósfera de la
tierra, la emisión de una tonelada de metano tiene 23 veces el impacto de una tonelada de
dióxido de carbono durante 100 años. En México se genera alrededor del 23% de CH4 de los
principales GEI (gases de efecto invernadero), de ese 23% se derivan en tres sectores que
son: agricultura con 25.6%, manejo de desechos urbanos 41.7% y generación de energía
eléctrica 32.7%.
El manejo de desechos urbanos (descomposición de desechos sólidos y tratamientos de aguas
residuales), empiezan a ser tratados de manera más eficiente, con el objetivo de reducir el
impacto a la salud y las emisiones de los GEI que generan.
El sector agropecuario colabora con el 25.6% de CH4 que corresponde en gran medida a la
ganadería, resultado de los desechos orgánicos (estiércol) generados por el ganado.
En 2007 reporto SAGARPA, que se contaba con 23,316,942 millones de cabezas de bovinos,
que generaron alrededor de 700,000,000 millones de kilogramos de estiércol al día, donde
no todo se aprovecha como abono en los campos sino se apila y se deja secar al aire libre
generando metano y dióxido de carbono. Por lo anterior se propone dar uso a los desecho del
ganado por medio de la fermentación anaeróbica donde se puede degradar el estiércol y
obtener biogás, puede ser usado como energético doméstico en estufas o producir energía
eléctrica.
10
Justificación
Hasta el día de hoy el 90% de nuestras necesidades energéticas son cubiertas por fuentes
fósiles (petróleo, carbón, gas natural y otros derivados), principalmente en la generación de
energía eléctrica y energía térmica. Dando como resultado una explotación de dichos
recursos a niveles críticos y una alta dependencia de los mismos, por esta razón se necesita
diversificar las fuentes de energía.
En la implementación de energías renovables se destaca la implementación de biodigestores
para la producción de biogás. El cual es utilizado primordialmente como fuente de energía
calorífica para cocción, calefacción o producción de energía eléctrica en las comunidades
rurales, con lo que se aprovechan los desechos orgánicos generados en el mismo entorno.
La tecnología del biogás está bien adaptada a las exigencias ecológicas y económicas del
futuro, aprovechando los desechos orgánicos que se generan en la industria alimenticia,
granjas y servicios de aguas negras. Es importante aclarar que el biogás puede usarse como
combustible sólo cuando el metano se encuentra en concentraciones mayores o iguales al
50% esto para garantizar el poder calorífico del metano y no esta quemar el dióxido de
carbono u otros gases que se generan en el proceso de fermentación. En la Tabla 1.2 se
muestran los diferentes tipos de excretas, que producirían diferentes cantidades de biogás con
el fin de elegir el más adecuado o con el que se disponga.
En la comunidad europea se tiene la mayor captación de desechos y por ende la mayor
cantidad de plantas de biogás instaladas y funcionando, no sólo en Alemania, también en
otros países donde se ha aplicado esta misma tecnología para tratar la mayoría de
desperdicios y desechos que se generan como se muestran en la Tabla 3. Dinamarca tiene
gran abastecimiento de biogás el cual se ha logrado gracias al procesamiento de los residuos
de su industria alimenticia.
En América Latina se cuenta con un gran nicho de oportunidad para la implementación de
esta tecnología por la creciente producción de desechos sólidos y líquidos, resultado de las
distintas actividades que se realizan para satisfacer las necesidades básicas. Los métodos
tradicionales para el saneamiento de los efluentes hasta el momento no han sido suficientes
para la disminución de los índices de contaminación del suelo y mantos acuíferos, por esta
razón se han venido implementando métodos de degradación, algunos de los cuales permiten
el aprovechamiento energético de los gases que se generan por su descomposición,
favoreciendo en este sentido a las zonas rurales y las zonas urbanas donde el problema de los
desechos sólidos y aguas negras crece día con día.
La Figura I muestra las emisiones de GEI de acuerdo con la Segunda Comunicación Nacional
ante la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático, 2001
(Semarnat-INE 2001). En el caso particular del CH4 se observa que la distribución del gas
equivale al 23% de las emisiones totales en nuestro país. Uno los sectores generadores de
este gas es el referido al manejo de desechos urbanos (descomposición de desechos sólidos
y tratamientos de aguas residuales), equivalente al 41% del total de las emisiones de CH4,
32.7% en generación de energía y un 25.6% en agricultura Figura II.
11
Figura I. Composición de las aportaciones
de GEI en México.
Figura II. Composición de las aportaciones
de CH4 en México.
Se muestra un panorama mundial del uso del biogás la Tabla I, desglosa el número de plantas
de biogás instaladas en Europa y las toneladas de desechos que son digeridos al año, con lo
cual han contribuido a la diversificación de la matriz energética con esta fuente de generación
de energía eléctrica (Ochoa, 2005).
Tabla I.- Número total de desecho digerido en plantas de Fermentación y Co-Fermentación
en Europa desde 1997 (Deublein & Steinhauser, 2008).
Número de Plantas de
Biogás
Tonelada de Desechos Digeridos
al Año
Austria 10 90 000
Bélgica 2 47 000
Dinamarca 22 1 396 000
Finlandia 1 15 000
Francia 1 85 000
Alemania 39 1 081 700
Italia 6 772 000
Holanda 4 122 000
España 1 113 500
Suecia 9 341 000
Suiza 10 76 500
Inglaterra 1 40 000
Por esta razón se elige este tema, que presenta el resultado de una investigación documental
sobre el comportamiento y los parámetros en la digestión anaeróbica, con el propósito de
producir biogás a través de desechos ganaderos (estiércol). Se recopilan los principios
básicos, procesos y métodos que se deben conocer y aplicar en el “Diseño y Construcción de
un Biodigestor”.
12
Objetivo general
Producción de biogás empleando como sustrato materia orgánica de caballo y
becerro.
Objetivos particulares
Dimensionamiento del biodigestor.
Diseño y construcción de un biodigestor prototipo UAMI-IEPP2, de domo fijo.
Instrumentación del biodigestor.
Caracterización del biogás.
Evaluar termodinámicamente la compresión del biogás para la disposición en
cilindros de almacenaje.
13
Estado del arte
En la segunda mitad del siglo XIX una variedad de científicos se concentraban en entender
mejor el proceso de fermentación anaeróbico que comenzó en Francia. El objetivo era simple
poder suprimir el mal olor producido por las aguas negras.
Durante las investigaciones detectaron microorganismos que son esenciales para el proceso
de fermentación anaeróbica. En 1868 Béchmp identifico los microorganismos que se requiere
para convertir etanol en metano y los productos formados durante el proceso de fermentación
dependen del sustrato.
En 1876, Herter reporta que el acetato encontrado en las aguas negras y la estequiometria en
la formación de metano y dióxido de carbono se tiene en parte iguales.
Louis Pasteur en 1884 produjo biogás a partir del estiércol de caballo colectado de las carretas
de París, junto con su alumno Gavon logrando producir 100 litros de metano con 1 m3 de
estiércol fermentado a 35°C. Pasteur dijo que esta tasa de producción sería suficiente para
cubrir los requerimientos de alumbrado público en Paris. La aplicación de la energía por
medio de recursos renovables empezaba a figurar.
Para 1970 la demanda de biogás había incrementado gracias a la crisis del petróleo. Y en los
90s la tecnología del biogás había crecido por dos razones:
La rentabilidad al utilizar energía derivada del biogás.
El reciclar y manejar desechos orgánicos en la disposición de los desperdicios
sólidos.
El desarrollo de vida actual obliga a buscar soluciones con menor cantidad de recursos no
renovables y al mismo tiempo identificar dos problemas para lograr un equilibrio entre el ser
humano y el ambiente.
La disminución de la contaminación ambiental.
La búsqueda y obtención de nuevas fuentes de energía.
Dentro de las distintas posibilidades tecnológicas que se investigan y desarrollan en diversos
campos, destaca la tecnología de obtención de biogás a partir de desechos orgánicos, por su
creciente aplicación y empleo (SW Sötemann, 2005).
Biomasa
La biomasa es un término genérico referido a cualquier producto biológico que puede
convertirse en energía útil (madera, productos vegetales y todo tipo de residuos orgánicos)
en teoría todos los productos de la biomasa podrían emplearse con propósitos energéticos,
pero su aprovechamiento masivo enfrenta problemas de recolección, almacenamiento
eficaces y económicos, siendo una fuente de energía muy importante con un gran campo de
aplicación y disponibilidad como lo es la obtención de biogás (Semarnat, 1998).
14
Por otra parte la biomasa tiene distintos órdenes:
Biomasa primaria, es la materia orgánica formada directamente por los seres
fotosintéticos (algas, plantas verdes y demás seres autótrofos). Este grupo comprende
toda la biomasa vegetal, incluidos los residuos agrícolas y forestales.
Biomasa secundaria, es producida por seres heterótrofos que utilizan en su nutrición
la biomasa primaria. Este tipo de biomasa implica una transformación biológica de la
biomasa primaria para formar un nuevo tipo de biomasa distinta a la inicial.
Biomasa terciaria, la cual es producida por seres que se alimentan de la biomasa
secundaria, como son los animales carnívoros que se alimentan de los herbívoros.
La digestión anaeróbica
La digestión anaeróbica es un proceso biológico complejo y degradativo en el cual parte de
los materiales orgánicos de un substrato son convertidos en biogás, por un consorcio de
bacterias que son sensibles o completamente inhibidas por el oxígeno (Alonzo W. Lawrence,
1969).
En la digestión anaerobia más del 90% de la energía disponible por oxidación directa se
transforma en metano, consumiéndose sólo un 10% de la energía en crecimiento bacteriano
frente al 50% consumido en un sistema aeróbico (F. García Ochoa, 1999).
Etapas de la digestión anaeróbica
La biomasa tiene diferentes formas de uso y aplicación, pero el principal es la conversión
biológica también llamada fermentación anaeróbica , proceso que ocurre de forma
espontánea en la naturaleza y forma parte de su ciclo biológico. En este proceso intervienen
bacterias llamadas metanogénicas, las cuales intervienen en tres procesos degenerativos
(Deublein & Steinhauser, 2008):
a) Hidrólisis enzimática, los sólidos fermentables son convertidos en compuestos
solubles; toman las largas cadenas de estructuras carbonadas y las van rompiendo,
transformándolas en cadenas más cortas y simples (ácidos orgánicos) liberando
hidrogeno y dióxido de carbono en el proceso.
b) Acidulación, los compuestos solubles (azúcares) se convierten en ácidos orgánicos
volátiles llevándolos al grupo acético y liberando como productos al hidrogeno y
dióxido de carbono. Esta reacción es endoexergética pues demanda energía para ser
realizada y es posible gracias a la estrecha relación simbiótica con las bacterias
metanogénicas.
c) Metanación, los ácidos orgánicos volátiles se convierten en biogás el cual contiene
alrededor de 60% metano, 39% dióxido de carbono y 1% de sulfuro de hidrogeno.
15
Tabla II.- Liberación de energía por la degradación de la biomasa (Deublein &
Steinhauser, 2008).
Tipo de
degradación
Reacciones Bioquímicas EG% ΔE0(mV)
Aeróbica Glucosa (C 6 H 12 O 6 ) + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O
100 1230
Anaeróbica
Producción de
Metano 𝐴𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜 C 1 , C 2 + CO 2
→ CO 2 + CH 4 + H 2 O
5 190− 260
La Tabla II muestra los dos tipos de degradaciones o fermentaciones conocidas, con su
correspondiente reacción bioquímica y el porcentaje de energía liberada en cada una.
La Figura III muestra las etapas de la fermentación anaeróbica desde la materia orgánica,
compleja, hasta la fase de metanogénesis, donde el principal combustible de la reacción es el
ácido acético el cual se va a convertir en metano.
Figura III.- Descripción de las etapas de fermentación anaeróbica.
16
Figura IV.- Crecimiento bacteriano en el tiempo.
Bacterias involucradas en la etapa de Metanación y rangos de temperaturas de
operación
Las bacterias metanogénicas productoras de gas metano, son organismos estrictamente
anaeróbicos e incluyen los siguientes géneros:
Metanococcus
Metanobacterium
Metanosarcina
Metanospirillum
Metanobacillus
Usualmente no son móviles, crecen con lentitud (3 días), se encuentran en forma natural en
estiércol, pantanos y aguas negras (Bryant, 1977). Muchas de estas bacterias pueden vivir en
medios que son básicamente fuentes simples de carbono, hidrogeno, nitrógeno y azufre.
Como todo ser vivo en la tierra son afectadas por la temperatura y presiones a las cuales están
expuestos, así mismo los microorganismos en especial, estas bacterias trabajan en diferentes
rangos de temperaturas como se muestran a continuación:
a) Sicrofilicos: 10 y 25 °C con ±2 °C/hora.
b) Mesofilicos: 30 y 42 °C con ±1 °C/hora.
c) Termofilicos: 50 y 55 °C con ±0.5 °C/hora.
La producción de biogás a partir de una fermentación anaerobia es una forma de aprovechar
desechos biodegradables que permite la producción de energía eléctrica mediante plantas
generadoras a gas, energía térmica que puede usarse en hornos para calentamiento, en
procesos industriales, estufas para la cocción de alimentos, calderas o cualquier otro sistema
de combustión a gas.
El crecimiento bacteriano sigue desde su arranque la curva mostrada en la Figura IV, donde
se puede distinguir claramente tres etapas, la de arranque (I), de estabilización (II) y la de
declinación (III)
I II III
17
CAPÍTULO I
Propiedades del biogás
18
Capítulo I
Definición del biogás
El biogás es un gas compuesto alrededor de 60% de gas metano (CH4) y 39% de bióxido de
carbono (CO2), vapor de agua y 1% de ácido sulfhídrico (H2S), a otros gases como se puede
ver en la Tabla 1.1. (E. Poling, M. Prausnitz, & P. O´Connell, 2001, 1987, 1977, 1966, 1958.).
El biogás puede ser utilizado como cualquier otro combustible, tanto para la cocción de
alimentos, en sustitución de leña o gas licuado. El biogás mezclado con aire, en una relación
1:20, forman un gas detonante altamente explosivo, esto permite que sea empleado como
combustibles en motores de combustión interna modificados.
La composición química del biogás se indica en la tabla 1.1.
Tabla 1.1.- Composición química del biogás (Bernd Weber, 2012).
Elemento % Volumétrico
Metano (CH4) 50-70
Dióxido de carbono (CO2) 30-50
Nitrógeno (N2) 0.5-3
Ácido sulfhídrico (H2S) 0.1-1
Vapor de agua Trazas
Formas de producción del biogás
El sector agropecuario de México, la ganadería porcícola y bovina juegan un papel
importante no sólo en la producción de carne sino en la generación de excretas.
Sería ideal aprovechar todas las excretas provenientes del sector ganadero. No obstante,
teniendo en cuenta que el aprovechamiento y la recolección de excretas es más regulado y
sistematizado, cuando ocurre dentro de las llamadas “granjas formales” (Bernd Weber, 2012),
el potencial estimado para la producción de biogás es de 652 millones de m3 al año. Dicho
potencial corresponde a la cantidad de biogás que es posible generar a partir de las excretas
de cerdos provenientes de granjas formales a través de un sistema de biodigestión en
condiciones óptimas. Este valor contempla restricciones técnicas relativas a la disponibilidad
de la biomasa, principalmente con la factibilidad de la recolección y el tipo de tecnología a
emplear.
19
Los Estados de la república mexicana con mayor potencial para la producción de biogás son:
Durango, Coahuila, Guanajuato, Jalisco, Chihuahua,
Hidalgo y México. En la región Norte de nuestro país, resalta la región de la Comarca
Lagunera, concentra establos lecheros cuyas características operativas permiten el
aprovechamiento de excretas para la producción de biogás. La población de ganado total es
de 2.34 millones de cabezas, los estados de Jalisco y Durango cuentan con el 77.8%. La
Comarca Lagunera destaca como la principal zona con alrededor 472 mil cabezas de ganado,
equivalente al 21% del total nacional (Bernd Weber, 2012).
En los rellenos sanitarios son desechadas millones de toneladas de basura en todo el mundo.
Más allá del terrible problema socioambiental, esto representa, una pérdida de material, ya
sea para la obtención de otros materiales o para su aprovechamiento de éstos en la producción
de energía.
No obstante, emplear estos desechos o incorporarlos a un sistema no ocurre de manera
directa, para ello es necesario un tratamiento, en el caso de los lodos activados necesitan de
un pretratamiento usando calor para poder ingresarlos al biodigestor y el del estiércol de
ganado no es necesario, pueden ingresarse directamente en el biodigestor. Una tecnología
comúnmente usada para la correcta disposición final de estos desechos urbanos son los
rellenos sanitarios. Éstos son una obra de infraestructura que involucra métodos de ingeniería
para la disposición final de los residuos sólidos urbanos y de manejo especial con el fin de
controlar, compactar y minimizar el impacto al medio ambiente (NOM-083-SEMARNAT-
2004).
En el año 2010, se contabilizó en el país la presencia de 186 rellenos sanitarios, en donde los
Estados que cuentan con el mayor número de éstos son: Guanajuato, Hidalgo, Nuevo León,
Puebla y Tamaulipas (Bernd Weber, 2012). Es de resaltar que el tamaño de la población en
estas entidades federativas no está relacionada directamente con el número de proyectos
desarrollados (rellenos sanitarios), la cantidad de residuos generados si está ligada a este
factor.
El potencial teórico estimado para la producción de biogás a partir de los rellenos sanitarios
es de 4, 982 millones de m3. Lo anterior, considerando la cantidad de desechos existente en
los rellenos sanitarios, alrededor de 24, 910.4 miles de toneladas (Bernd Weber, 2012).
Los Estados que presentan potencial teórico para implementar la tecnología y aprovechar el
biogás, están relacionados con el número de rellenos sanitarios existentes, la generación de
basura que éstos presentan y la región donde están ubicados. La finalidad de estos sistemas
deberá ir orientado hacia la recuperación del gas metano y el empleo para la generación de
energía eléctrica. Es importante mencionar que la producción de biogás puede variar
dependiendo de la composición de los desechos. Estudios han demostrado que la
composición de la basura en México varía dependiendo de la región, teniendo un efecto en
el poder calorífico, el cual es mayor en los Estados del Centro como el Distrito Federal y
México con un valor de 14.9 MJ/kg, a diferencia de los Estados del Sur que poseen valores
20
de 12.7 MJ/kg (Arvizu, 2007). Otro punto importante es que el aprovechamiento del biogás
de un relleno sanitario se logra durante 10 años a partir del segundo año de operación.
Dentro de las diferentes fuentes para la producción de biogás, también se encuentran las
plantas de tratamiento de aguas residuales. De manera general, éstas son estructuras
construidas para procesar el agua residual antes de ser descargada en algún cuerpo de agua,
cumpliendo con la normatividad vigente. En estos sistemas se lleva a cabo la conversión
biológica por acción de microorganismos y una serie de procesos físicos, químicos y
biológicos que tiene por objeto eliminar los contaminantes del agua. El proceso de digestión
anaeróbica está presente durante el tratamiento de aguas, generando biogás, el cual, dado su
valor energético, puede emplearse como fuente de energía en motores o microturbinas dentro
del mismo proceso. El tipo de tecnología para el tratamiento de aguas residuales es
importante para la producción de biogás. Ejemplos de tecnologías en el tratamiento de aguas
que generan biogás son las lagunas de estabilización y los lodos activados.
Composición del estiércol para producción de biogás
Los residuos orgánicos de animales pueden aprovecharse para generar biogás véase la Tabla
1.2, los de ganado vacuno, porcino, aves de corral, caballos y carneros. Una vaca excreta
aproximadamente el 8% de su peso vivo al día entre estiércol y orina, las aves de corral
excretan un 10% de su peso vivo, el cerdo un 5% y el caballo un 2.3%, mientras que el
estiércol porcino tiende a bajar su pH durante el proceso de digestión, variación que no es
ideal cuando el pH es un parámetro importante en una reacción anaeróbica con buen
desempeño, el estiércol de aves de corral, tiene un mayor porcentaje de solidos volátiles esto
promueve la producción de biogás por kilogramo de estiércol, una desventaja, es la
disponibilidad del mismo, debido a su pequeña producción por el animal.
Tabla 1.2.- Índices de la producción de biogás a partir del peso y las características de la
biomasa (Guardado Chacon, Diseño y Construcción de Plantas de Biogás Sencillas, 2007).
Excreta*
(Kg/día)
Biogás
(m3/día)
Tasa de
dilución
(Excreta:agua)
Tiempo de
retención
(días)
Vaca 10 . 360 1:1 40
Cerdo (50Kg) 2.5 . 101 1:1-3 40
Pollo . 18 . 108 1:1-8 30
Caballo 10 . 300 1:1-3 30
Carnero 2 . 100 1:1-3 40
*Base húmeda
21
Características químicas y físicas del biogás
El biogás es más ligero que el aire y posee una temperatura de inflamación de alrededor de
los 700 º C, la temperatura de la flama alcanza 870°C. En la Tabla 1.3 y 1.4 se muestra la
composición del biogás de acuerdo a su relación metano dióxido de carbono y se compara
con otros gases utilizados como combustibles comerciales.
Tabla 1.3.- Características termodinámicas del biogás (Deublein & Steinhauser, 2008).
Composición 55-70% Metano (CH4)
30-45% Dióxido Carbono (CO2)
Trazas de otros gases
Contenido
Energético 6.0 − 6.5 kWh/m3
Límites de
Explosión 6 − 12% en Aire
Temperatura de
Ignición 650 − 750°C
Presión Critica 75 − 89 Bar
Temperatura Critica −82.5 °C
Densidad 1.2 kg/m3
Olor Huevo Podrido
Masa Molar 16.043 kg/kmol
Tabla 1.4 Comparación de las características técnicas del biogás con otros gases (Bernd
Weber, 2012).
Biogás Gas Natural Propano Hidrógeno
Relación Densidad
Gas/Densidad Aire
0.85-1.06 0.54 1.51 0.07
Temperatura de
ignición [°C]
700 650 470 585
Velocidad máxima de
flama [m/s]
0.25 0.369 0.42 0.43
Rango explosivo [%
de volumen]
6-22 4.4-15 1.7-11 4-77
22
El poder calorífico del biogás es determinado por la fracción del metano, que puede variar
entre 50% hasta 80%, siendo dióxido de carbono, gas inerte, el principal componente del gas
restante; aunque es importante mencionar que se tienen compuestos traza en composiciones
menores al 2%. Con una concentración de 40% de metano, el poder calorífico equivale a 14.3
MJ/m3, y puede alcanzar 28.6 MJ/m3 con una concentración de 80% de metano. El biogás,
al salir del digestor, está saturado con vapor de agua. Dependiendo de la temperatura del
digestor, el contenido de vapor agua puede llegar hasta el 6%, por esta razón el poder
calorífico del biogás en el sitio es hasta un 15% menor que el valor determinado en
laboratorio, refiriéndose al biogás seco.
Pequeñas cantidades de nitrógeno y oxígeno sólo reducen el poder calorífico del biogás, otros
compuestos traza, como el ácido sulfhídrico y los siloxanos, son particularmente dañinos
para los sistemas de combustión, aun cuando estos últimos aparecen con una concentración
muy baja, alrededor del 1%, pueden causar daños severos en los motogeneradores debido a
la transformación en silicatos abrasivos durante la incineración. Se debe de mencionar que
los siloxanos son compuestos traza encontrados principalmente en el biogás proveniente de
rellenos sanitarios. Como los rellenos sanitarios son el eslabón final en el ciclo de vida de
una gran variedad de productos, éstos contaminan el biogás con compuestos de menor
concentración, como los clorofluorocarbonados (CFCs). Por ende, es indispensable
considerar el análisis exhaustivo de la composición en proyectos de aprovechamiento de
biogás en rellenos sanitarios como se muestra en la Tabla 1.5.
Tabla 1.5 Comparación de parámetros técnicos entre el gas natural y el Biogás (Deublein &
Steinhauser, 2008).
Gas Natural Biogás (Digestor) Biogás (Relleno
sanitario)
Poder Calorífico Inferior
[kWh/m3], ([MJ/m3)]
9.3 - 10.8 (36.2) 5 - 7.5 (22.5) 4.5 - 5.5 (18)
Número de metano 70- 94 124 -150 136
Metano [m3CH4/ 100 m3] 84 – 98 45 -75 45 - 55
Dióxido de metano
[m3CO2/100 m3]
<2 25 - 55 25 - 30
Nitrógeno [m3N2/100 m3] <10 <5 <25
Oxígeno [m3O2/100 m3] <3 <2 <5
Requerimiento teórico de
aire para combustión
[m3Biogas/m3]
9.5 6.6 6
23
CAPÍTULO II
Factores que afectan la producción de
biogás
24
Capítulo II
Factores que afectan la producción de biogás
Es importante examinar alguno de los factores importantes que gobiernan al proceso
metanogénico. Los microorganismos, en especial los metanogénicos, son altamente
susceptibles a los cambios en las condiciones ambientales. El desempeño de un sistema
anaeróbico se evalúa en función a la tasa de producción de metano. Debido a esto, la
biotecnología anaerobia requiere de un cuidadoso monitoreo de las condiciones ambientales,
como son:
o Composición bioquímica del sustrato.
o Temperatura.
o TRH (Tiempo de Retención Hidráulica).
o Nivel de pH.
o Grado de Mezclado.
Temperatura
Los procesos anaeróbicos, al igual que muchos otros sistemas biológicos, son fuertemente
dependientes de la temperatura. La velocidad de reacción de los procesos biológicos depende
de la velocidad de crecimiento de los microorganismos involucrados, que a su vez, dependen
de la temperatura. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad de
crecimiento de los microorganismos y se acelera el proceso de digestión, dando lugar una
mayor producción de biogás.
La temperatura de operación del digestor, es considerada uno de los principales parámetros
de diseño, debido a la gran influencia de este factor en la velocidad de digestión anaeróbica.
Las variaciones bruscas de temperatura en el digestor pueden generar la desestabilización del
proceso. Por ello, para garantizar una temperatura homogénea en el digestor, es
imprescindible un sistema adecuado de agitación y un controlador de temperatura.
Dentro de cada rango de temperatura, existe un intervalo, para el cual, dicho parámetro se
hace máximo, determinando así la temperatura de trabajo óptima en cada uno, de los rangos
posibles de operación que se muestra en la Figura 2.1.
25
Como regla general, la actividad biológica se duplica cada incremento de 10°C dentro del
rango de operación óptima Figura 2.2.
Figura 2.1-Tasa de crecimiento relativo de los microorganismos en diferentes regímenes de
temperatura (Moreno, 2011).
Figura 2.2 Producción de biogás en función de la temperatura (Moreno, 2011).
26
La temperatura del proceso actúa también sobre aspectos físico-químicos del mismo. La
solubilidad de los gases generados desciende al aumentar la temperatura, favoreciéndose la
transferencia de masa líquido-gas. Esto representa un efecto positivo para gases como NH3,
H2 y H2S, dada su toxicidad sobre el crecimiento en los microorganismos anaeróbicos.
Además la temperatura influye directamente en determinados equilibrios químicos, con gran
influencia sobre el proceso anaeróbico, como los del amonio-amoníaco libre y los ácidos
grasos volátiles ionizados-no ionizados.
Tiempo de retención hidráulico
La temperatura está íntimamente relacionada con el tiempos que debe permanecer el sustrato
dentro del biodigestor para completar su biodegradación, a medida que aumenta la
temperatura los tiempos de retención disminuyen y en consecuencia se necesitara un menor
volumen de reactor para digerir una misma cantidad de sustrato.
En los sistemas de mezcla completa, el tiempo de retención hidráulico (TRH) coincide con
el celular, el tiempo de retención deberá ser suficientemente grande como para asegurar el
crecimiento de la población bacteriana. Al aumentar el TRH, aumenta el grado de materia
orgánica degradada así como la producción de metano, aunque este último valor comenzará
a disminuir una vez alcanzado el óptimo. El tiempo de retención usual en el rango mesófílico
para lodos de depuradora está entre 15 y 20 días, aunque este valor depende mucho del tipo
de reactor utilizado.
Nivel de pH
Los microorganismos metanogénicos son más susceptibles a las variaciones de pH que los
otros microorganismos de la comunidad microbiana anaeróbica. Los diferentes grupos
bacterianos presentes en el proceso de digestión anaeróbica presentan unos niveles de
actividad óptimos en torno a la neutralidad. El óptimo es entre 5.5 y 6.5 para acidogénicos y
entre 7.8 y 8.2 para metanogénicos. El pH óptimo para cultivos mixtos se encuentra en el
rango entre 6.8 y 7.4, siendo el pH neutro el ideal
Para que el proceso se desarrolle satisfactoriamente, el pH no debe bajar de 6.0 ni subir de
8.0. El valor del pH en el digestor no sólo determina la producción de biogás sino también
su composición. Una de las consecuencias de que se produzca un descenso del pH a valores
inferiores a 6 es que el biogás generado es muy pobre en metano y, por tanto, tiene menores
cualidades energéticas. Debido a que la metanogénesis se considera la etapa limitante del
proceso, es necesario mantener el pH del sistema cercano a la neutralidad. Los acidogénicos
son significativamente menos sensibles a valores más extremos de pH.
27
Relación Carbono/Nitrógeno
La calidad y la cantidad del biogás producido dependerán de la composición y la naturaleza
del residuo utilizado. Los niveles de nutrientes deben de estar por encima de la concentración
óptima para las bacterias, ya que ellas se inhiben severamente por falta de nutrientes.
El carbono y el nitrógeno son las principales fuentes de alimentación de las bacterias
metanogénicas. El carbono constituye la fuente de energía y el nitrógeno es utilizado para la
formación de nuevas células. Estas bacterias consumen 30 veces más carbono que nitrógeno,
la relación óptima de estos dos elementos en la materia prima se considera en un rango de
30:1 hasta 20:1
La descomposición de materiales con alto contenido de carbono, superior a 35:1, ocurre más
lentamente, porque la multiplicación y desarrollo de bacterias es bajo, por la falta de
nitrógeno, pero el período de producción de biogás es más prolongado. En cambio, con una
relación C/N menor de 8:1 se inhibe la actividad bacteriana debido a la formación de un
excesivo contenido de amonio, que en grandes cantidades es tóxico e inhibe el proceso.
De esta manera las bacterias que intervienen en el proceso de descomposición consumen
aproximadamente 30 veces más carbono que nitrógeno; se debe tener una relación
carbono/nitrógeno (C/N) de 30:1, en la materia orgánica que alimenta al digestor (Almanza
Salgado R., 2003). En la tabla 1.6 se muestran las diversas concentraciones de C/N para
diferentes materias orgánicas, para varios tipos de animales.
Si la relación de C/N es mayor a 30, habrá un exceso de carbono que se oxidara en CO2 y se
obtendrá menos metano en el gas producido, por otro lado si se tiene nitrógeno en exceso y
la relación C/N es menor a 30, significa que el carbono existente se acabara antes que el
nitrógeno y el proceso se detendrá.
Tabla 2.1. Razón de C/N para diversas materias orgánicas (Guardado Chacon, Tecnología
del Biogás, 2006).
Materia orgánica Razón de C/N
Vaca 18: 1 𝑎 25: 1
Caballo 25: 1
Oveja 20: 1
Cerdo 18.6: 1
Gallina 5: 1 𝑎 15: 1
Se aprecia que el estiércol de vaca tiene una relación C/N menor que la necesaria para un
proceso digestivo óptimo. A fin de aumentar esta relación a 30, se le puede agregar cualquier
28
materia prima con una relación C/N elevada, para mejorar el proceso de fermentación
anaeróbica.
Solidos totales y solidos volátiles
Toda la materia orgánica está compuesta de agua y una fracción sólida llamada sólidos totales
(ST). El porcentaje de sólidos totales contenidos en la mezcla con que se carga el digestor es
un factor importante a considerar para asegurar que el proceso se efectúe satisfactoriamente.
La movilidad de las bacterias metanogénicas dentro del sustrato se ve crecientemente
limitada a medida que se aumenta el contenido de sólidos y por lo tanto puede verse afectada
la eficiencia y producción de gas.
Experimentalmente se ha demostrado que una carga en digestores semicontinuos no debe
tener más de un 8% a 12 % de sólidos totales para asegurar el buen funcionamiento del
proceso, a diferencia de los digestores discontinuos, que tienen entre un 40 a 60% de sólidos
totales.
El contenido de solidos recomendable para una rápida y eficiente digestión, debe estar entre
el 7% y 9%. El estiércol fresco de vaca contiene un alto contenido de solidos entre 17% y
20%, por lo tanto, el estiércol que se alimente al digestor deberá ser mezclado con agua en
una proporción de 1:1 o 2:3 dependiendo de la concentración, logrando así una consistencia
lodosa.
Sólidos Volátiles (S.V.). Es aquella porción de sólidos totales que se libera de una muestra,
volatilizándose cuando se calienta durante dos horas a 600ºC.
Los SV contienen componentes orgánicos, los que teóricamente deben ser convertidos a
metano.
29
CAPÍTULO III
Diseño, construcción y puesta en
marcha de un biodigestor continuo
30
Capítulo III
Tipo de biodigestores
Según sea la forma en la que se realiza el proceso de carga, la introducción del material
orgánico, se tienen dos tipos:
Digestores continuos
Digestores Batch
Los primeros son cargados y descargados parcialmente todos los días, de forma periódica o
permanente, mientras que las segundos son cargados una vez y descargados totalmente
después de cierto tiempo de retención. Se pueden tener diferentes modelos para estas dos
clasificaciones. Se dividen en tres tipos (ver la figura 3 (a), (b), (c)).
(a) Biodigestor de campana flotante (tipo hindú).
(b) Biodigestor de bolsa elástica (tipo balón).
31
Figura 3.- Clasificación de los tipos de biodigestores simples más empleados.
Su construcción se realiza con paredes de hormigón y cúpula de ladrillos, empleando otros
materiales conocidos como arena, cemento, piedra y acero, lo cual asegura una alta
resistencia y durabilidad figura 3(a) y 3(c). Mientras que el biodigestor tipo bolsa figura 2(b)
usa como estructura de polietileno tubular, lo cual reduce costos en comparación con los
biodigestores tipo chino e hindú.
Las plantas de flujo continuo presentan la ventaja que las bacterias metanogénicas reciben
un suministro estable de material orgánico, por lo que producen biogás de manera más
uniforme.
Su tiempo de vida útil se extiende a más de veinte años con el mantenimiento adecuado.
Diseño y construcción
Durante la producción de animales en granjas (cerdos, vacas, gallinas, conejos) estos generan
excretas, que en la mayoría de las ocasiones, se vierten al suelo y luego llegan a mantos
acuíferos lo que conlleva a una alta contaminación de los mismos, debido a que se arrastra
gran contenido de materia.
Con el potencial de residuos producidos por animal y su peso vivo promedio, puede estimarse
la cantidad de desechos orgánicos producidos diariamente en la granja y los requerimientos
de adición de agua para mezcla y homogenización con las siguientes relaciones:
*PE PAE TDE (3.1)
Donde:
PE: es la producción diaria de estiércol del animal (kg/día animal).
PAE: es el peso del animal por etapa de desarrollo (kg/animal).
TDE: es la tasa diaria de excreción por etapa (%).
(c) Biodigestor de cúpula fija (tipo chino).
32
El valor de PE, permite estimar la producción total de estiércol por etapa generado dentro de
la granja o la unidad productiva, lo que relaciona la siguiente ecuación:
*PDT PE PAT (3.2)
Donde:
PTD: es la producción diaria de estiércol por etapa (kg/día).
PAT: es la población animal total (número de animales).
Usando PDT, se determina la cantidad total de estiércol PTU mediante la siguiente ecuación:
PTU PDT (3.3)
Para obtener la cantidad de agua para diluir el estiércol se utiliza la siguiente ecuación, donde
R es la relación de dilución en litros:
*aguaC PTU R (3.4)
Con lo parámetros descritos anteriormente se puede calcular el volumen líquido dentro del
biodigestor, o mediante el volumen líquido y el TRH podemos calcular la carga diaria de
estiércol y agua:
*LV TRH Q (3.5)
Donde:
Q: es la carga diaria de estiércol más agua (m3/día).
VL: es el volumen líquido dentro del biodigestor (m3).
TRH: es el tiempo de retención hidráulico (días).
Para calcular el volumen del biogás almacenado dentro del biodigestor se usa la siguiente
ecuación, donde n depende del valor que se le quiera designar del volumen restante del
biodigestor, por ejemplo 1/3 o un 1/4:
*G LV V n (3.6)
Por lo tanto el volumen total del biodigestor está dado por la suma del volumen del biogás
almacenado y el volumen del líquido como se muestra a continuación:
33
T G LV V V (3.7)
El diseño y dimensionamiento de un biodigestor depende en lo fundamental de los factores
siguientes:
1) Tipo y composición del material orgánico que se debe emplear para la biodigestión.
2) Demanda de biogás y del biofertilizante.
3) Materiales de construcción que se deben emplear.
4) Tecnologías constructivas apropiadas.
5) Facilidad de explotación y mantenimiento.
6) Posibilidad económica del usuario.
Se propone el volumen del digestor, toma en cuenta una relación L/D (longitud y diámetro),
el cuerpo del biodigestor es de geometría cilíndrica, el diseño para la parte superior es de tipo
cúpula y los fondos circulares a diferencia de la figura 3.
Considerando un valor de L/D de 0.75 se calcula el diámetro en función del volumen del
biodigestor y el parámetro de L/D, se obtiene un diámetro de 1.72 metros y de altura 1.29
metros, para un volumen de 3m3 se espera alojar 0.75m3 de biogás.
Es importante considerar las partes del biodigestor que se requieren acoplar según el espacio
donde se instalara y los materiales a emplear (tanque de alimentación, la vasija o reactor y el
tanque de descarga).
A continuación se muestran las dimensiones del biodigestor prototipo denominado UAMI-
IEPP2:
Figura 3.2- Geometría base para el diseño del biodigestor (Guardado Chacon,
Diseño y Construcción de Plantas de Biogás Sencillas, 2007).
34
Figura 3.3 (a).- Vista lateral del biodigestor.
Figura 3.3 (b).- Vista superior de la localización.
35
Figura 3.3(c).- Detalles del tanque de alimentación.
Figura 3.3 (d).- Detalles del tanque de alimentación.
Figura 3.3 (e).- Detalles del tanque de descarga.
36
Figura 3.3 (f).- Detalles del biodigestor y la escalera de
acceso.
Figura 3.3 (g).- Detalles de la exclusa y la tapa del biodigestor.
Figura 3.3 (h).-Detalle del domo superior.
37
Figura 3.3 (j) Vista lateral del biodigestor completo
El tanque de alimentación está construido con una tubería de concreto de diámetro de 20 cm,
con una inclinación de 50° grados aproximadamente, esto permite que el sustrato baje de
manera natural apoyado por la gravedad, cuenta con una compuerta de acceso para evitar la
entrada de tierra, polvo u otras sustancias que puedan inhibir el proceso de generación de
biogás. El biodigestor cuenta en la parte superior con una estructura que ayudara a instalar
un equipo de agitación y la tubería para la extracción del biogás a partir de un espejo de agua
para minimizar todas las fugas posibles, funcionando así como un sello hidráulico.
Figura 3.3 (i).- Detalles armado del castillo, dados y
cadena del biodigestor vista superior.
38
La vasija o reactor tiene como adaptación en la parte superior e inferior un domo circular con
una altura de 0.5 metros, esto le ayudara con la carga hidráulica que genera el volumen del
sustrato dentro del reactor, una pared de 10 cm de grosor para que funcione como un aislante,
al mantenerlo enterrado la tierra funciona como un aislante natural adicional esto permite,
que el biodigestor opere, bajo un régimen cercano a la isotermicidad, disminuyendo las
perturbaciones por los cambios en la temperatura ambiente.
El biodigestor se conecta al tanque de descarga justo a la mitad del biodigestor para asegurar
que se mantenga hermético, con el fin de facilitar la remoción de lodos digeridos, se plantea
el uso de un tornillo de Arquímedes, dicho tornillo que se hace girar dentro de un cilindro
hueco, situado sobre un plano inclinado, y que permitirá elevar el sustrato ya digerido para
su siguiente aplicación.
Puesta en marcha
Para llenar el digestor se mezcla entre 1 y 1.5 litros de agua por kilogramo de estiércol fresco,
procurando siempre que los sólidos dentro del reactor se encuentren en el rango de 7% a 9%.
El pozo del biodigestor debe ser llenando a la brevedad posible con la mezcla de agua
estiércol antes mencionada y lodos activos.
Los lodos pueden ser el efluente de algún otro digestor que está funcionando, el material
podrido de una fosa de estiércol o el efluente del digestor municipal de una planta de
tratamiento de aguas negras. Dichos lodos tienen una gran población de bacterias que
servirán para inocular la mezcla de carga al biodigestor. Se recomienda llenar con lodos
activos al menos 1/10 del volumen total del biodigestor. Conviene colocar capas alternadas
de lodos activos y la mezcla de estiércol-agua.
Es importante saber que durante el proceso de llenado del digestor, a partir del nivel referido,
se mantenga abierta la válvula de salida del gas, de manera que escape el aire contenido en
su interior, a medida que se vaya llenando hasta alcanzar su nivel máximo, para evitar de esta
manera el agrietamiento en la cúpula por la acción de las cargas de choque (llenado brusco).
Después de esto se cierra la válvula de salida y se espera unos días, en este periodo se llenara
de biogás el domo. Habrá que esperar varios días hasta que la presión del biodigestor se eleve.
Para la construcción del biodigestor se toman en cuenta los materiales desde el cemento hasta
el alambre necesario para armar los castillos como se muestra en la Tabla 3.
39
Tabla 3.- Lista de Materiales para la Construcción del Biodigestor.
Material Descripción Cantidad Precio ($) Precio Total de
cada material
($)
Cemento Portland Extra
Impercerm Bulto
12
102.5 1230
Arena m3 1.5 210 315
Grava m3 1.5 210 315
Tabicón Pesado 7x12x24 cm 253 1380 345
Varilla 3/8" 7 76.5 535
Alambre
kg 3 16 48
Tubo de
Concreto
8" 1m de longitud 2 300 600
Tubo de
Concreto
12" 1m de longitud 1 300 300
Total 3688
Manejo del residuo generado por la digestión anaeróbica
La construcción de una planta de biogás en una zona rural se traduce en una nueva forma de
utilización completa de la materia orgánica. La recuperación del residuo producido en el
biodigestor transforma la modalidad de utilización única en un sistema múltiple. Con la
digestión anaeróbica se obtienen dos tipos de productos: biogás y un residuo orgánico
estabilizado, que puede ser utilizado como bioabono en suelos (Almanza Salgado R., 2003).
Los bioprocesos para estabilizar los residuos orgánicos, se basan en una digestión de tipo
anaeróbica. La composición química de los productos obtenidos en cada caso, es variable,
dependiendo del tipo de sustrato utilizado y del tiempo de estabilización. En general, se
observa, la obtención de un producto estabilizado, con una drástica disminución de
coliformes totales, mejorando la calidad sanitaria, presentando una buena actividad
biológica.
El valor agrícola de un residuo orgánico bioprocesado, en un amplio sentido se puede
establecer en función de sus propiedades físicas, químicas y biológicas, las cuales a su vez
dependen de las características físicas y químicas de las materias primas que le dieron origen.
Entre los principales parámetros que permitirían entregar información sobre el valor agrícola
se mencionan los siguientes: capacidad de intercambio catiónico, contenido de materia
orgánica y de nutrientes totales y disponibles, relación carbono-nitrógeno, contenido de sales
solubles y de pH (Almanza Salgado R., 2003).
40
El sustrato digerido se puede emplear como abono pero debido a su alto contenido de
nitrógeno amoniacal se deben tomar las siguientes consideraciones:
1. Si el lodo está fresco, antes de usarlo como abono conviene:
a) Diluirlo, mezclando una parte del lodo con dos de agua.
b) Dejar que seque durante algunas semanas de 2 a 3 en un lugar abierto.
c) Secarlo al sol y luego aplicarlo como un fertilizante comercial.
2. La aplicación continua del lodo digerido en un mismo lugar tiende a volver acida
la tierra para evitar esto, se recomienda agregar un poco de piedra caliza en el
terreno y esparcir dicha piedra en cantidades ascendentes hasta que controle la
situación, dejando pasar un mínimo de dos semanas entre aplicaciones sucesivas.
3. Conviene experimentar primero en pequeñas parcelas, a fin de conocer cómo se
comporta el sustrato digerido.
41
CAPÍTULO IV
Purificación del biogás
42
Capítulo IV
Purificación de Biogás
El biogás es una mezcla de gases, al tener trazas de otros gases y vapor de agua. Todos estos
deben de ser removidos, dependiendo de la utilización final del biogás.
Tratamiento Primario
Las tecnologías de tratamiento primario representan la primera etapa en la reducción de la
cantidad de contaminantes del biogás y normalmente usan operaciones de procesos físicos
simples. Los principales contaminantes removidos (o reducidos) son agua (contaminada)
llamada “condensado” y partículas. Estas tecnologías se han empleado por muchos años en
diferentes procesos y son ahora adaptadas a las plantas de manejo de biogás (Betzabet
Morero, 2007).
Tratamiento Secundario
Los tratamientos secundarios son diseñados para proporcionar un nivel de limpieza de gas
mayor que el alcanzado utilizando solo tratamiento primario e incluyen tratamientos físicos
y químicos (Betzabet Morero, 2007). A continuación se hará una breve descripción de los
mismos como se muestra en la Figura 4.1.
Figura 4.1.- Esquema de purificación de biogás por absorción
acuosa con regeneración de agua.
43
Eliminación de CO2
Absorción física: los métodos de absorción fisicoquímicos se utilizan normalmente en la
purificación de biogás, son efectivos incluso a bajas tasas de flujo. Además este método es
menos complicado, requiere poca infraestructura. Es un método fácil y económico utiliza
agua presurizada como absorbente. El biogás crudo es comprimido y alimentado desde el
fondo a una columna de lecho empacada se pone en contacto con agua presurizada que es
rociada desde la parte superior de la columna. El proceso de absorción es un proceso contra-
corriente. De esta forma se disuelven el CO2 y el H2S en agua y son colectados en el fondo
de la torre. El agua puede ser recirculada a la primera torre de limpieza. Este es quizás el
método más simple de limpieza de biogás como se muestra en la Figura 4.2.
2
Absorción química
La absorción química implica la formación de enlaces químicos reversibles entre el soluto y
el solvente. La regeneración del solvente, por lo tanto, comprende la ruptura de esos enlaces
y correspondientemente una entrada relativamente alta de energía. Los solventes químicos
generalmente emplean soluciones acuosas de aminas (ej. mono-, di- o tri-ethanolamine) o
soluciones acuosas de sales alcalinas (ej. hidróxido de sodio, potasio y calcio).
Figura 4.2.- Esquema de purificación de biogás por absorción
acuosa.
44
Adsorción en una superficie sólida: Los procesos de adsorción involucran la transferencia de
soluto en la corriente de gas a una superficie de un material sólido, que se concentra
principalmente como resultado de las fuerzas físicas de Van der Walls. Los adsorbentes
comerciales son generalmente sólidos granulares con grandes áreas superficiales por unidad
de volumen. A partir de una buena elección del absorbente, el proceso puede remover CO2,
H2S, humedad y otras impurezas selectivamente o simultáneamente desde el biogás. La
purificación del biogás se puede también llevar a cabo usando alguna forma de silicio,
alúmina, carbón activado o silicatos, que son también conocidos como tamices moleculares.
La adsorción normalmente se lleva a cabo a alta temperatura y presión. Tiene una buena
capacidad para remover la humedad, tiene un diseño simple y es fácil de operar. Pero es un
proceso costoso, con altas caídas de presión y altos requerimientos de calor (Betzabet
Morero, 2007).
Separación por membrana
El principio de esta técnica es que algunos componentes del gas crudo pueden ser
transportados a través de una membrana delgada (menor a 1 mm) mientras que otros son
retenidos. El transporte de cada componente se debe a la diferencia de presión parcial sobre
la membrana y depende ampliamente de la permeabilidad del componente en el material de
la membrana. Para alta purificación de metano, la permeabilidad debe ser alta. Una sola
unidad de separación de fases no puede proporcionar una completa separación de metano y
dióxido de carbono y típicamente la baja presión del gas de salida (dióxido de carbono
enriquecido) puede contener tanto como 12% v/v de metano. El producto de gas contiene
alrededor de 88% v/v de metano. Sin embargo, los procesos de separación multietapas puede
lograr 98% v/v aunque la presión necesaria para esta operación de celulosa-acetato tiene una
permeabilidad para el CO2 y el H2S de 20 y 60 veces, respectivamente, superiores al CH4.
Sin embargo, se requiere para este proceso una presión de 25-40 bares.
Eliminación de H2S
Proceso seco de oxidación: Se utiliza para remover H2S de una corriente de gas que puede
convertirse en azufre u óxido de azufre. Este proceso se usa cuando el contenido de azufre
del gas es relativamente bajo y se requiere una alta pureza.
Algunos de estos métodos son:
Introducción de aire/hidrógeno dentro del sistema de biogás: Este es un proceso simple
y de bajo costo. No se necesitan químicos ni equipamientos especiales. Dependiendo de la
temperatura, el tiempo de reacción y el lugar donde el aire se agrega, la concentración de H2S
se puede reducir en un 95% a menos de 50ppm.
Adsorción usando óxido de hierro: el H2S reacciona con el óxido de hierro u óxidos para
formar sulfuro de hierro. El biogás pasa a través de pelotitas de óxido de hierro, para remover
el H2S. Cuando las pelotitas se cubren completamente con sulfuro, son removidas desde el
tubo para la regeneración del sulfuro. Este es un método simple pero para la regeneración se
45
libera mucho calor. Además el polvo empacado contiene un componente tóxico y el método
es sensible a biogás con altos contenidos de agua.
Otro sistema comercialmente llamado GAS RAP® tiene la capacidad de limpiar el H2S
dentro de la entrada del gas suministrado a niveles inferiores de entre 25 y 50ppm. Esta
tecnología aparece como la más costo-efectiva para gas de basural con altas concentraciones
de H2S (mayores a 2000 ppm v/v).
Procesos de oxidación en fase líquida: Este proceso se usa para el tratamiento de gases que
contienen relativamente bajas concentraciones de H2S. Este puede ser un proceso de
absorción físico o un proceso de absorción químico. En los procesos de absorción físicos el
H2S puede ser absorbido por el solvente. Uno de los solventes es el agua. Pero el consumo
de agua es muy alto para la absorción de pequeñas cantidades de H2S. Si algunos químicos,
como el NaOH, son agregados al agua el proceso de absorción es mejorado. Esto forma
sulfuro de sodio o hidrosulfuro de sodio, que no se regenera y genera residuos líquidos. En
la absorción química del H2S los químicos usados pueden ser sólidos o líquidos y pueden ser
aplicados en torres de contacto Batch o puede inyectarse directamente a la cañería de gas. El
subproducto de la reacción es generalmente separado y tratado como desecho. El producto
químico es consumido y el absorbente puede ser regenerado.
Eliminación de Especies Orgánicas Halogenadas y Siloxanos
Actualmente no hay un método universal para el tratamiento de biogás para eliminar o
minimizar los siloxanos. Sin embargo, están disponibles varios procesos que son capaces de
tratar muchos compuestos halogenados. Estos procesos tienen además un efecto adicional en
la limpieza del dióxido de carbono y otros compuestos traza.
Algunos de los métodos de eliminación de CO2 y H2S, ya explicados, que también pueden
aplicarse en especies halogenadas son: Separación por membranas, Procesos de balance de
presión, Procesos criogénicos. Por otra parte (Betzabet Morero, 2007) describe tres métodos
para remover orgánicos, manifestando que es capaz de reducir el gas tratado a menos de 1
mg.m-3 de siloxanos.
Un proceso que está siendo actualmente desarrollado a escala piloto en el Reino Unido, que
remueve tanto compuestos halogenados como siloxanos, es el Proceso de limpieza líquido
absorción/solvente en el cual se utiliza aceite de hidrocarburo como solvente. Los
componentes traza en el gas de basural se remueven parcialmente en una torre en contra
corriente por la que fluye el solvente de aceite. El aceite contaminante se regenera en la torre
de arrastre al vacío y el contaminante gaseoso es eliminado. Los resultados a escala piloto
mostraron exitosas reducciones en la concentración de compuestos clorados y siloxanos.
46
CAPÍTULO V
Termodinámica del biogás
47
Capítulo V
Ecuaciones de estado
Si bien los balances de energía son aplicables a todas las sustancias puras y mezclas, ya sean
ideales o no ideales, no existen ecuaciones universales para el cálculo de las propiedades
termodinámicas para mezclas no ideales; tales como: densidad, entalpia, entropía,
fugacidades y coeficientes de actividad como función de la temperatura, presión y
composición. Es por eso que en lugar de ello se utilizan dos modelos:
Modelos de Ecuaciones de Estado
Modelos de Coeficientes de Actividad o Energía Libre
Estos se basan en ecuaciones constitutivas porque ellos dependen de la constitución o
naturaleza de los componentes de mezcla.
Modelos de ecuaciones de estado P-v-T
El primer tipo de modelos es una relación entre volumen molar, temperatura y presión. Un
gran número de ecuaciones se han propuesto, especialmente para la fase vapor. La más simple
es la Ley de Gases Ideales, la cual aplica para presiones bajas o temperaturas altas, porque
desprecia el volumen ocupado por las moléculas y las interacciones intermoleculares. Todas
las demás ecuaciones de estado intentan solventar estas dos deficiencias, en la Tabla 5.1 se
enlistan las diferentes ecuaciones de estado y sus respectivas constantes.
Tabla 5.1 Ecuaciones de estado empleadas en la predicción de propiedades de mezclas de
biogás (J.M., H.C:, & M.M., 1997).
Nombre Ecuación Constantes y Funciones de la
Ecuación
Ley de Gases
Ideales
RTP
v
Ninguna
Generalizada ZRTP
v , , ,r r cZ Z P T Z
Redlich-Kwong
(R-K) 2
RT aP
v b v bv
2 2.5
0.5
0.0866
0.42748
c
c
c
c
Tb R
P
R Ta
PT
48
Soave-
Redlich.Kwong
(S-R-K)
2
RT aP
v b v vb
2
2 2 0.5
2
0.0866
1 10.42748
0.48 1.574 0.176
c
c
c r
c
Tb R
P
R T f Ta
P
f
Peng Robinson 2 22
RT aP
v b v bv b
2
2 2 0.5
2
0.077880
1 10.42748
0.37464 1.5422 0.26992
c
c
c r
c
RTb
P
R T f Ta
P
f
En la Tabla 5.1 no se incluye la ecuación de Van der Waals, donde a y b son contantes
dependientes de la especie que pueden ser estimadas a partir de la temperatura y presión
critica. Dicha ecuación fue el primer acercamiento satisfactorio a la formulación de una
ecuación de estado para un gas no ideal.
El factor acéntrico introducido por Pitzer, toma en cuenta las diferencias en forma molecular
y es determinado a partir de la curva de presión de vapor
0.7
log 1.000s
c Tr
P
P
…………………………(5.1.1)
Esta definición resulta en un valor para ω de cero para moléculas simétricas. Algunos valores
típicos de ω son 0, 0.263, 0.489 y 0.664 para metano, tolueno, n-decano y etanol
respectivamente.
Al expandir estas ecuaciones para obtener un común denominador, resulta una ecuación
cúbica en v. Estas ecuaciones pueden ser resueltas usando las fórmulas de Cardan para
ecuaciones cúbicas. En general, a temperaturas supercríticas, donde solo existe una fase, se
obtiene una raíz real y un par conjugado de raíces complejas.
Por debajo de la temperatura crítica, cuando coexiste líquido-vapor, se obtienen tres raíces
reales, con el valor más grande de v correspondiendo a la fase vapor y el valor más pequeño
corresponde a la fase líquida (M. Felder & W. Rousseau, 1981).
49
Mezcla de gases reales
La ley de Dalton de las presiones aditivas y la ley de Amagat de los volúmenes aditivos
pueden emplearse también en gases reales, a menudo con una precisión razonable. Sin
embargo, en este caso los componentes de presión y de volumen deben evaluarse a partir de
relaciones que consideran la desviación de cada componente del comportamiento del gas
ideal. Una manera de hacerlo es utilizar ecuaciones de estado más exactas (Van der Waals,
Beattie-Bridgeman, Benedict-Webb-Rubin, y otros) en lugar de la ecuación de estado del gas
ideal.
Factor de compresibilidad
PmVm =ZmNmRuTm (5.4)
El factor de compresibilidad de la mezcla Zm puede expresarse en términos de los factores
de compresibilidad en los gases individuales Zi, al aplicar la ecuación 5.4 en ambos lados de
la expresión de la ley de Dalton o de Amagat y simplificando. Se obtiene
1
k
m i i
i
Z y Z
(5.5)
Los gases se comportan de manera diferente a determinadas temperatura y presión, pero se
comportan de manera muy parecida a temperaturas y presiones normalizadas respecto a sus
temperaturas y presiones críticas esto se muestra con las siguientes ecuaciones:
R
cr
PP =
P (5.6)
R
cr
TT =
T (5.7)
Otro enfoque para predecir el comportamiento P-v-T de una mezcla de gases es tratarla como
una sustancia pura, asumiendo que la mezcla se comporta como una solución ídeal. Un
método, propuesto por W.B. Kay en 1936 y llamado la regla de Kay, implica el uso de una
presión pseudocrítica P´cr,m y una temperatura pseudocrítica T´cr,m para las mezclas, definidas
en términos de las presiones y temperaturas de los componentes de la mezcla como
k
cr,m i cr,i
i=1
P´ = y P (5.8)
50
k
cr,m i cr,i
i=1
T´ = y T (5.9)
Se pueden reescribir las ecuaciones (5.8 y 5.9) en términos de la presión pseudocrítica y la
temperatura pseudocrítica como sigue:
R
cr,m
PP =
P´ (5.10)
R
cr,m
TT =
T´ (5.11)
Almacenamiento en cilindros
Las ecuaciones anteriormente mencionadas son importantes en la parte termodinámica de la
compresión del biogás, como se muestra más abajo, al predecir el comportamiento del biogás
al ser sometido a diferentes presiones, que son requeridas en aplicaciones comerciales, como
almacenaje en cilindros, generación de energía eléctrica y uso en el sector transporte.
El biogás, contiene principalmente metano, que no se licua a presión y temperatura ambiente
(la temperatura crítica y presión requeridas son de -82°C y 47.5 bar, respectivamente), por
esta razón no es fácil de almacenar.
La compresión del biogás reduce los requisitos de almacenamiento, se concentra el contenido
de energía y aumenta la presión al nivel requerido para superar la resistencia al flujo de gas.
Las unidades integradas con instalaciones para la depuración, la compresión y el
almacenamiento han sido desarrolladas en algunos países. Por ejemplo, un lavador de agua
acoplado con un compresor de gas se está promoviendo para el uso uniforme en Nueva
Zelanda. Del mismo modo, el biogás producido a partir de estiércol de aves de corral se,
purifica, comprime y almacena a una presión de 4 bar y 0.2 m3 dentro de tanques de acero en
Bélgica.
Khapre realizó un estudio sobre la depuración y compresión del biogás y posteriormente
utilizado para una cocina doméstica. El encontró requerimientos mínimos en la purificación
y compresión del biogás (0.353 m3) de biogás crudo (0.591 m3) para cocinar una comida de
seis personas. Se almacena, lava y comprime el biogás a una presión de 7 bar en cilindros de
1 m3.
Nema y Bhuchner insisten en el valor, que se le otorga, al biogás lavado y comprimido, que
es tan bueno como el gas natural comprimido. Ellos reportan la fiabilidad económica de la
producción energética a partir de desechos sólidos de la ciudad de Delhi. Donde 5000
toneladas de desechos generan por día en Delhi, 100,000 Nm3/día de biogás que equivale a
309.5 m3 de gas natural comprimido con un valor de 70,000 dólares por día. Además si, se
adapta esta tecnología 117 toneladas/día de CO2 se dejarían de emitir a la atmosfera.
51
Trabajo de compresión para el biogás
En este trabajo se realiza el análisis termodinámico de la compresión de biogás por medio
del trabajo de compresión real utilizando el siguiente modelo matemático
nPV cte (5.12)
cW PdV (5.13)
Para una compresión real la presión la presión se define como:
n
cteP
V (5.14)
Se sustituye la ecuación (5.14) en la expresión del trabajo de compresión real (5.13).
c n
cteW dV
V (5.15)
c n
dVW cte
V (5.16)
Integrando, se obtienen estas dos expresiones para el trabajo de compresión en función de las
presiones y los volúmenes o en función de la relación de presiones, la R particular del gas y
la temperatura a la entrada del compresor T1.
2 2 1 11
c
nW PV PV
n
(5.17)
1
1| 11
n
nc
nW RT
n
(5.18)
Cualquier aplicación comercial que se le quiera dar al biogás, necesita tener parámetros de
funcionamiento real y estandarizado, para lo cual es necesario siempre cumplir con las
normas correspondientes. Se propone la revisión de la norma mexicana para recipientes
transportables de gas LP, para tener valores reales de presión para contener gas propano, que
es similar al biogás a una presión de servicio establecida en la norma.
52
Norma oficial mexicana para recipientes transportables que contiene gas LP
Presión de servicio
Los recipientes transportables deben diseñarse para contener gas propano, con una presión
de servicio no menor de 1.65 MPa (16.90 kgf/cm2).
Capacidad volumétrica
Los recipientes transportables de cualquier clase y tipo deben diseñarse de tal forma que su
capacidad de almacenamiento mínima, en litros de agua, expresada en dm3, sea acorde con
las siguientes consideraciones:
La capacidad volumétrica para recipientes con capacidad nominal de 45 kg de gas L.P. debe
ser como mínimo 102.0 litros y 108.0 litros como máximo, una capacidad nominal de 30 kg
de gas L.P. debe ser como mínimo 68.0 litros y 73.0 litros como máximo, con capacidad
nominal de 20 kg de gas L.P. debe ser como mínimo 45.0 litros y 48.0 litros como máximo.
En la Figura 5.1.1 se aprecia las curvas de equilibrio para el biogás a diferentes
concentraciones de CH4, a diferentes presiones y temperaturas, presiones por debajo de los 2
bar y concentraciones del 50 al 60 % su uso se limita a energía térmica para uso doméstico,
para presiones de 20 bar y concentraciones del 60 al 80% se usa para generación de energía
eléctrica y almacenamiento en cilindros de gas, y para presiones entre los 100 bar hasta los
211 bar, concentraciones del 90 al 100% se usa para el sector transporte.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
-180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0
Pre
sió
n (
bar
)
Temperatura (°C)
80% CH4
70% CH4
60% CH4
50% CH4
100% CH4
90% CH4
Doméstico
Electricidad
Electricidad
Doméstico
Almacenaje
Motores
Motores
Figura 5.1.- Envolventes del biogás a diferentes concentraciones para diversas aplicaciones
y condiciones de confinamiento.
53
CAPÍTULO VI
Aplicaciones del biogás
54
Capítulo VI
Plantas de biogás
En México, en el 2003 se puso en marcha el primer proyecto de generación de energía
eléctrica a partir del biogás generado por la fermentación anaerobia de residuos sólidos
orgánicos municipales en Salinas Victoria, Nuevo León, México. Con base en las
experiencias desarrolladas por la Secretaría de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural,
Pesca y Alimentación de México (SAGARPA), y a través del Fideicomiso de Riesgo
Compartido (FIRCO), se generó la oportunidad de instrumentar en el 2006 un proyecto de
aprovechamiento de biogás, en Convenio con la Universidad Autónoma de la Ciudad de
México (UACM). Consistió en establecer 9 módulos demostrativos mediante la instalación
de motogeneradores accionados con biogás, para la generación de energía eléctrica; buscando
superar las barreras de desconocimiento de la tecnología y lograr un efecto multiplicador de
la misma.
La Figura 6.1 muestra el esquema tradicional de una planta de biogás para la generación de
energía eléctrica.
En un dimensionado es necesario saber cuánta energía se necesita suministrar por medio de
un sistema en este caso, de biodigestión, se comparan los diferentes consumos de gas que se
muestran en la Tabla 6.1, con el fin conocer cuánto biogás se requiere suministrar.
Figura 6.1.-Esquema de una planta de biogás.
55
Un biodigestor con volumen de 3m3, con el 40% del volumen total del biodigestor, se destina
para almacenar todo el biogás producido en un periodo de 30 días mínimo, una presión
interna en el biodigestor de 0.24 bar, temperatura promedio de 25°C, con una producción de
biogás del 50% CH4 y 50% CO2 se genera 348g de biogás con lo cual se solventaría el
consumo de gas en una estufa.
Tabla 6.1.- Demanda de biogás para diferentes usos (Guardado Chacon, Tecnología del
Biogás, 2006).
Equipo Características Consumo (m3)
Lámpara Aprox. a 100W 0.088
Cocina Por hornilla estándar 0.3923
Horno 0.4315
Motor Ciclo Otto 0.4413/HP
Soplete 0.7846
En la Gráfica 6.1.1 se muestra el poder calorífico inferior del biogás variando la
concentración de metano y dióxido de carbono que se menciona en la literatura, desde 50%
metano hasta 100% metano, es importante conocer dicha variación porque cualquier
combustible vale por el contenido energético que puede aportar a una maquina térmica o
proceso térmico, claro está el caso del bioetanol, biodiesel, biogás etc.
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
50 60 70 80 90 100
PC
I (k
J/kg)
Mol de CH4 %
Gráfica 6.1.1.-Poder calorífico inferior del biogás, variando la concentración mol de
metano.
56
Dimensionado
Un paso importante en el planteamiento del dimensionamiento es la potencia eléctrica que se
requiere suministrar a una población o ciudad mediante una turbina de gas, acoplada a un
generador eléctrico, usando como combustible biogás. La pregunta sería ¿Cuántos
biodigestores necesito y de que volumen, para poder generar una cantidad de energía en MW
dada?
Por medio de una turbina de gas simple, se puede calcular el flujo necesario para una potencia
dada, en la Figura 6.2 se muestra el esquema de una turbina de gas simple, se compone del
compresor y la turbina que aparecen como dos máquinas ligadas por un acoplamiento, y
montadas sobre una flecha común.
Estudio de la turbina de gas simple
En este estudio se obtienen los modelos matemáticos que describen los procesos que se
realizan en la turbina de gas en función de la relación de presiones y de la relación entre la
temperatura del aire a la entrada de la turbina y de la temperatura a la entrada del compresor.
En el diagrama temperatura entropía de la Figura 6.3 se presentan los siguientes procesos y
en la Tabla 6.1 los modelos termodinámicos que rigen cada proceso:
Una compresión real (1-2);
Un calentamiento a presión constante (2-3);
Una expansión real (3-4);
Un enfriamiento isobárico (4-1), que se produce en la atmósfera y con este proceso
se cierra el ciclo.
Figura 6.2 Esquema de una turbina de gas simple.
57
Tabla 6.1.- Expresiones para el cálculo del trabajo de compresión, trabajo de la turbina
y calor suministrado en la turbina de gas (Raúl Lugo L, 2004).
Procesos Termodinámicos Trabajo o Calor Suministrado
(1-2) - Compresión del aire 1 1xA
COM COM
SIC
cp Tw
(2-3) - Calor suministrado 31
1
11 1x
SUM g COM
SIC
Tq cp T
T
(3-4) - Expansión en la turbina 3
11
gTURB gc SIT x
T
w Cp T
Dimensionado
Mediante las siguientes expresiones se puede calcular el flujo necesario de biogás para
generar una potencia de 1MW eléctrico.
Potencia eléctrica expresada en función del poder calorífico inferior del combustible y el
flujo másico de combustible
EM biogásw m PCI (6.3)
Densidad del biogás en función de la presión y la temperatura dentro del biodigestor y se
expresa de la siguiente manera
biogás
biogás
P
R T (6.4)
Ecuación del gas ideal aplicada al biogás
200
700
1200
1700
2200
5.8 6.3 6.8 7.3 7.8 8.3 8.8
Tem
per
atu
ra (
K)
S (kJ/kgK)
2
1
4
Figura 6.3.- Diagrama temperatura entropía de la turbina de gas Solar Saturn.
58
biogásPV mR T (6.5)
Volumen del biodigestor
2
4
DV L (6.6)
Mediante la ecuación 6.3 se puede conocer el flujo de combustible que es necesario
suministrar a la cámara de combustión para generar una potencia eléctrica de 1MW, la
ecuación 6.5 calcula los kilogramos de biogás que se obtienen por día y estimar el número
necesario de biodigestores para poder solventar el flujo de combustible que demanda la
turbina de gas.
Con la ecuación 6.6 se calcula la altura (L) de los biodigestores en función de un volumen y
diámetro propuesto, que en este caso es de 20 m de diámetro y una altura de 5 m.
Se muestra en las siguientes figuras 6.4 (a), (b) y (c) la variación en la temperatura anual
promedio mínima, media y máxima para los diferentes estados ganaderos de la república, la
temperatura afectara la producción de biogás, para las zonas de Chihuahua, Durango,
Coahuila, Michoacán, Estado de México, Hidalgo, Guanajuato, Puebla y Veracruz
principalmente.
La variación de temperatura y presión atmosférica, en los diferentes estados ganaderos, afecta
directamente el desempeño de la turbina de gas para la generación de energía eléctrica, por
eso que se realiza un mapeo de las temperaturas promedio y por medio del software
Thermoflex, se puede simular las condiciones ambientales a las que podría estar expuesta la
turbina de gas, lo cual afecta la potencia eléctrica generada, para poder elegir cuál de las
zonas ganaderas es más factible instalar un ciclo de generación de energía eléctrica por medio
de una turbina de gas.
La Tabla 6.4, muestra las variaciones climatológicas que existe en tres diferentes estados de
México lo cual influye en el desempeño de la turbina de gas y con la Figura 6.5, nos dan un
panorama de las condiciones ambientales en los diferentes estados ganaderos.
Tabla 6.4. Características climatológicas típicas de tres estados ganaderos de México.
Estado msnm Temperatura
[ºC]
Humedad
%
Presión
atmosférica
[bar]
Veracruz 10 34 79 1.012
Sonora 216 40 20 0.9877
Puebla 1 633 26 59 0.8318
59
Figura 6.5 (a).- Temperatura mínima promedio en la república mexicana (Agua, 2011).
Figura 6.5 (b) Temperatura promedio media en la república mexicana (Agua,
2011).
60
Figura 6.5 (c).- Temperatura promedio máxima en la república mexicana (Agua,
2011).
61
Resultados
62
Resultados
Se construyeron dos dispositivos experimentales, uno a escala laboratorio tipo bach de 20
litros de capacidad usando como sustrato estiércol de becerro con una relación 3:1 en
volumen y el segundo dispositivo también tipo bach a escala piloto de 1100 litros usando
estiércol de becerro con una relación 3:1 en volumen, se monitoreo la temperatura, pH y la
presión en el de escala piloto, para los de escala laboratorio se midió la temperatura y la
presión con un tiempo de retención hidráulico de 30 días. En la figura 7.1 se muestra el
monitoreo del pH en el biodigestor a escala piloto, el cual tuvo un TRH de 60 días
aproximadamente.
Figura 7.1.- Monitoreo del pH dentro del biodigestor a escala piloto.
Se muestra una zona de pH óptimo para la producción de biogás, según la literatura oscila
entre los 6 y los 7.5. Los primeros días son el arranque donde el pH es bajo ya que se está
llevando a cabo la fase de hidrólisis junto con la acidogénica, el proceso se vuelve acido por
la formación de ácido propíorico, butírico, valérico etc. En la fase acetogénica y
metanogénica el pH empieza a elevarse, y el ácido acético se convierte en metano pero una
parte genera dióxido de carbono, en proporciones que pueden variar desde 50% ambos y 60%
metano, 39% dióxido de carbono y 1% de trazas de otros gases.
El pH se reduce en algunas zonas por consecuencia de los cambios de temperatura en el
ambiente.
En el biodigestor a escala laboratorio se monitoreo la temperatura y la presión por medio de
un termómetro y un manómetro, en la Figura 7.2 se muestra las variaciones en la temperatura
del sustrato dentro del biodigestor, a lo largo de 12 días en la época de otoño
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
0 10 20 30 40 50 60
pH
Tiempo (días)
Acidogénesis y
Acetogénesis
Metanogénesis
Hidrólisis
63
Figura 7.2.- Monitoreo de la temperatura del biodigestor a escala laboratorio.
Para la construcción de los biodigestores, a escala laboratorio se requirió de un recipiente con
tapa hermética, al cual se le acoplo un termómetro, dos válvulas; una ubicada en la parte baja,
la medición de la presión del biogás se realizó en la parte superior y la medición del pH se
realizó por la parte baja, como se muestra en la figura 7.3 (a), (b) y (c).
a) b) c)
Figura 7.3.- Biodigestor a escala laboratorio.
Al final del proceso se registró una presión de 1.5 psi dentro del biodigestor, después de 25
días de actividad biológica como se muestra en la Figura 7.4.
15
17
19
21
23
25
27
29
31
0 2 4 6 8 10 12 14
Tem
per
atu
ra (
°C
)
Tiempo (días)
64
Figura 7.4.- Imagen del manómetro conectado al biodigestor.
Para la construcción del biodigestor a escala piloto se adaptó un rotoplas de 1100 litros como
se muestra en la Figura 7.5(a), después se mejoró el prototipo Figura 7.5(b), se montaron
conexiones para la salida del biogás en la parte superior como se muestra en la figura 7.6 y
en la parte inferior conexiones para la salida del sustrato digerido, medir el pH y la
temperatura en continuo como se muestra en la figura 7.7 (a) y (b).
a) b)
Figura 7.5.- Biodigestor a escala piloto antes y después.
65
Figura 7.6.- Conexiones para la extracción del biogás.
a) b)
Figura 7.7.- (a) Conexiones para la salida del sustrato y el medidor de pH y temperatura.
Se realizó la extracción del biogás, por medio de una compresora para pintura adaptada con
una conexión de acero inoxidable en la succión de aire y una de descarga, su almacenamiento
se realizó en un tanque rígido de 20 litros, como se muestra en la figura 7.8 (a), (b), 7.9 y
7.10.
66
a) b)
Figura 7.8.- Compresora adaptada para la compresión del biogás antes y después.
Figura 7.9.- Conexiones de succión y descarga.
Figura 7.10.- Tanque de almacenamiento del biogás.
67
En el capítulo V, en la parte de compresión del biogás, se mostraron las ecuaciones
termodinámicas para calcular de manera politrópica el trabajo de compresión, donde se
relaciona el trabajo de compresión con la temperatura ambiente, el índice politrópico de
compresión y la composición del biogás mediante la R del biogás. Para el cálculo del trabajo
de compresión se varió la composición del biogás de 50% CH4 y 50% CO2 hasta 90% de
CH4 y el resto de CO2, en la figura 7.11, se calculó el trabajo de compresión para diferentes
temperaturas del biogás a la entrada del compresor.
Figura 7.11.- Trabajo de compresión variando la composición del biogás a diferentes
temperaturas de entrada al compresor.
Figura 7.12.- Trabajo de compresión del biogás variando la relación de compresión.
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
0.25 0.3 0.35 0.4 0.45
Wc
(kJ/
kg)
R (kJ/kgK)
T=298.15
T=303.15 K
T=308.15 K
T=313.15 K
T=318.15 K
T=323.15 K
500
700
900
1100
1300
1500
1700
6 106 206 306
Wc
(kJ/
kg)
π
T=298.15 K
T=308.15 K
T=313.15 K
T=318.15 K
T=323.15 K
68
En la Figura 7.12 se mantiene constante la composición del biogás con un 60% de CH4 y
40% de CO2 y se calcula el trabajo de compresión, variando la temperatura del biogás a la
entrada del compresor, la relación de compresión hasta presiones de descarga de 200 bar, con
el fin de usar el biogás en el sector transporte, para esto se requiere que este presurizado
alrededor de 211 bar. Al pasar de una temperatura de 298.15 K hasta 323.15 K en la entrada
del compresor, el trabajo de compresión se incrementa en un 7.7%, con una relación de
presión de 308, el trabajo de compresión aumenta un 13.8% a una temperatura de entrada fija
y variando la relación de presiones.
Figura 7.13.- Trabajo de compresión variando la concentración de metano y manteniendo
una relación de compresión fija.
Se calculó el trabajo de compresión requerido variando la composición del biogás a una
relación de presiones fija desde 24 hasta 308, el trabajo de compresión se incrementa en un
300% de una relación de presiones de 24 hasta la relación de 308, una relación de presiones
de 24 representa la generación de energía eléctrica por medio de una turbina, mientras que
para una relación de 308 la aplicación comercial representa al sector transporte. El uso en
motores de combustión interna, en el caso de la concentración de metano, fijando una
relación de presiones, el trabajo de compresión se incrementa un 9.3% de 50 al 60% de
metano y en el caso de que se comprimiera al 90% el incremento sería del 37.3%
El caso de estudio mencionado en el capítulo VI, donde se realiza el análisis de la poencia
eléctrica en función del flujo de combustible en una turbina de gas marca Solar Saturno,
utilizando como combustible biogás por medio de la simulación Thermoflex, se obtiene lo
siguiente:
La figura 7.14 obtenida del simulador Thermoflex Lite 24, muestra el arreglo de la turbina
de gas, compresor, cámara de combustión, y un generador eléctrico, la corriente 3 representa
el aire del medio ambiente a la entrada del compresor, la corriente 5 es el flujo de combustible
300
500
700
900
1100
1300
1500
1700
1900
2100
2300
50 60 70 80 90
Wc
(kJ/
kg)
% CH4
π=24
π=61
π=123
π=185
π=246
π=308
Turbinas
Motores
69
que se introduce en la cámara de combustión y la corriente 4, son los gases de escape de la
turbina.
Figura 7.14.- Arreglo de la turbina de gas Solar Saturn de 1 MW en Thermoflex.
Figura 7.15.- Flujo de combustible obtenido, para tres estados de México a diferentes
temperaturas ambiente, en la turbina de gas Solar Saturno.
La figura 7.15 muestra la variación del flujo de combustible y la potencia que entrega la
turbina de gas. Para el estado de Veracruz la potencia aumenta en 0.94%, al incrementar el
flujo de combustible de 0.1077 kg/s a 0.1397 kg/s, al comparar la potencia generada entre
Veracruz y Sonora a las mismas condiciones de flujo de combustible (0.1397 kg/s), la
potencia generada por Sonora es menor en un 6.85% a la de Veracruz
750
800
850
900
950
0.06 0.11 0.16 0.21 0.26 0.31
Pote
nci
a gen
erad
a de
la T
G [
kW
]
Flujo de combustible [kg/s]
Puebla
Veracruz
Sonora
70
La figura 7.16 muestra una diferencia del 12%, en la potencia eléctrica generada, a una
presión atmosférica de 0.8 bar que pertenece al estado de Puebla y 1 bar para el estado de
Veracruz. Al variar la concentración de 50 hasta el 100% de metano en el biogás, hay una
diferencia del 12%.
Figura 7.16.- Presión ambiental, potencia generada en la turbina de gas Solar Saturno, con
diferentes concentraciones volumétricas de metano en el biogás.
Figura 7.17.- Flujo de combustible obtenido a diferentes concentraciones volumétricas de
metano CH4.
La Figura 7.17 muestra la variación en el flujo de combustible para los estados de Veracruz,
Puebla y Sonora, al variar la concentración de metano en el biogás, para concentraciones del
760
810
860
910
960
0.8 0.9 1 1.1
Pote
nci
a gen
erad
a de
la T
G
[kW
]
Presión atmosférica [bar]
PCI-50% mol CH4
PCI-60% mol CH4
PCI-70% mol CH4
PCI-80% mol CH4
PCI-90% mol CH4
PCI-100% mol CH4
Veracruz
Sonora
Puebla
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
50 70 90
Flu
jo d
e co
mbust
ible
[kg/s
]
Metano [% mol]
Puebla
Veracruz
Sonora
71
50% de metano se obtiene el mayor flujo de combustible y disminuye un 26% para
concentraciones del 90% de metano en el biogás, el estado de Veracruz tiene el mayor flujo
de combustible y disminuye para el estado de Puebla, esta variación se debe a las condiciones
ambientales de los dos estados, que afecta la potencia eléctrica generada.
Figura 7.18.- Potencia generada de la Turbina de Gas obtenida a diferentes concentraciones
volumétricas de metano CH4.
La Figura 7.18 muestra la potencia eléctrica generada por la turbina de gas en el estado de
Veracruz, para concentraciones de 50% CH4 - 50% CO2 se obtiene una potencia de 970 kW,
mientras que para concentraciones de 90% CH4 - 10% CO2 se obtiene una potencia de 914.7
kW se espera tener un aumento en la potencia eléctrica generada al tener concentraciones
mayores de metano en el biogás, pero ocurre lo contrario, esto se debe a que al flujo de
combustible en concentraciones altas de metano, requiere mucho menor flujo de combustible
para generar una potencia eléctrica dada, mientras que al disminuir la concentración de
metano en el biogás, el flujo de combustible aumenta y esto provoca un aumento en la
potencia eléctrica generada por la turbina de gas.
En la tabla 7.19 se muestra el resultado del dimensionado obtenido al realizar el análisis en
el flujo de combustible necesario para mantener en operación una turbina de gas con una
potencia eléctrica fija, el porcentaje de metano presente el biogás reduce casi en un 50% el
número de biodigestores requeridos, pero no garantiza la potencia eléctrica máxima generada
en la turbina de gas.
750
800
850
900
950
1000
50 70 90
Pote
nci
a gen
erad
a de
la T
G
[kW
]
Metano [% mol]
Puebla
Veracruz
Sonora
72
Tabla 7.19.- Potencias obtenidas con las turbina de gas variando la concentración de CH4, el
número de biodigestores obtenidos para tres estados de México.
Combustible
Estado kg/día kg/s
No.
Biodigestores
Potencia eléctrica
[kW]
Concentración
% mol
Veracruz 27397.44 0.3171 74 970
Sonora 25704 0.2975 70 903.2
50 CH4
50 CO2
Puebla 23328 0.27 63 826.2
Veracruz 19232.64 0.2226 52 949.3
Sonora 20502.72 0.2373 55 883.3
60 CH4
40 CO2
Puebla 17452.8 0.202 48 808.9
Veracruz 12070.08 0.1397 33 923.3
Sonora 11318.4 0.131 31 858
80 CH4
20 CO2
Puebla 10281.6 0.119 28 787.4
73
Conclusiones
Para el dimensionado de un biodigestor siempre se deben tener en cuenta la cantidad de
materia orgánica disponible, y la carga diaria de alimentación, el tipo de biodigestor a elegir
depende de los materiales disponibles, el biodigestor tipo hindú usa una cúpula móvil
compuesta generalmente por una plancha metálica que flota sobre la materia orgánica lo que
representa una desventaja ante uno de cúpula fija por las partes móviles propensas al desgaste
y el material que facilita la corrosión. Mientras que un biodigestor de tipo bolsa es más barato
con respecto a sus materiales de construcción y mano de obra al construirse, pero su tiempo
de vida es más corto que uno de tipo chino o hindú (25 años).
La producción de biogás fue exitosa en los dos casos, al usar estiércol de caballo y estiércol
de becerro, pero al arrancar el biodigestor piloto de 1100 litros se utilizó solamente estiércol
de becerro, se monitoreo la temperatura del sustrato, la presión y el pH, con estos datos se
obtuvo la masa de biogás producida, utilizando la ecuación del gas ideal obtenemos un valor
, y mediante la densidad podemos calcular un volumen, al compararlo con el requerimiento
de gas para una estufa, se puede cubrir esa demanda con el biogás producido, se necesitan
algunas adecuaciones en los quemadores, esto nos da una idea del potencial de biogás como
biocombustible.
Otro aspecto importante es la factibilidad de comprimir el biogás producido, en cilindros tipo
gas LP con presiones de alrededor de los 17 bar, o con la variante de ser usado en los
microbuses, los cuales requieren que la presión de servicio sea de 211 bar, lo cual genera
gastos energéticos importantes, al darle la energía necesaria al compresor, este proceso
necesariamente requeriría de una instalación anexa a una planta de biogás convencional, que
solo genera energía eléctrica.
Mediante los resultados obtenidos en el capítulo 6, nos permite estimar el número de
biodigestores necesarios para producir 1MWe de energía eléctrica a partir del flujo de
combustible de la turbina de gas.
Utilizando una turbina de gas con este biocombustible se encontró que en el estado de
Veracruz se obtiene el mejor desempeño, debido a sus condiciones ambientales y geográficas
a las que se encuentra. Asimismo, con el incremento de la concentración de CH4 el número
de biodigestores se reduce, lo que representa un mejor aprovechamiento del combustible
suministrado, proporcionando la mayor potencia respecto a los estados de Sonora y Puebla
La metodología, aquí descrita sirve para tener bases ingenieriles solidas al momento de
diseñar un biodigestor, la elección depende siempre del recurso disponible para su
construcción e implementación, se puede tener un punto de comparación entre el uso del
biogás hacia el sector rural y doméstico hasta el industrial al presentar una planta de biogás
la cual ya es una realidad en México al contar con 5 usando como desecho los lodos activados
de las PTARs, la meta es poder usar esta tecnología para contra restar la generación de gases
de efecto invernadero producidos por los desechos ganaderos al dejar secar el estiércol al aire
libre y a la vez obtener un beneficio no solo económico y energético con la implementación
del biogás, sino de salud, social y ambiental.
74
Anexos
Determinación de la DBO
El ensayo de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) se basa en el ensayo de Winkler del
oxígeno disuelto. En él la concentración de oxígeno se mide por valores de una disolución
de sulfato de manganeso y azida sódica alcalina con ácido sulfúrico diluido en presencia de
almidón, el cual se añade cerca del punto de final de la valoración. (Jorge del Real Olvera,
2012) El ensayo generalmente es lo suficientemente preciso en torno a 20 microgramos/l de
oxígeno disuelto (OD) en sistemas naturales.
El ensayo se lleva a cabo normalmente durante 5 días y más raramente durante 20 días, pero
con fines de investigación también se determinan valores intermedios; de todos modos, el
test de los 5 días es el estándar (A. Hilkiah Igoni, 2008). La versión del ensayo usada con
mayor frecuencia para fines legales requiere que una alícuota de residuos se coloque en una
botella de DBO y se cierre herméticamente para evitar que le entre aire. La medida del
agotamiento del oxígeno en la botella pasado 5 días de incubación a oscuras a 20 °C
determina la DBO5 de un residuo. El ensayo Hach usa botellas de vidrio ámbar con tapones
de plástico con rosca y se introducen agitadores magnéticos dentro de las botellas. El tapón
está conectado a un segmento de tubo, que mide la variación respecto de la presión
atmosférica (Appels , Baeyens, Degreve, & Dewil, 2008). Dentro de la botella hay un cilindro
de acero inoxidable con una cavidad con hidróxido potásico (KOH). Las bacterias en las
muestras de la botella se alimentan del residuo y el residuo genera CO2 que es absorbido por
el KOH. El manómetro está calibrado en unidades equivalentes a la DBO5. La ventaja
práctica del sistema Hach es que el manómetro puede proporcionar una indicación bastante
rápida de cualquier toxicidad potencial o de problemas por carga de choque cuando entran a
la planta de tratamiento de aguas residuales (Kivaisi, 2001).
Determinación de la DQO
La demanda química de oxígeno, DQO, es la cantidad de oxígeno en mg/l necesaria para
oxidar toda la materia orgánica presente en la mezcla reactiva extraída del reactor y en la
alimentación.
El DQO es un parámetro que permite medir la concentración de materia orgánica, por tanto,
este análisis es muy útil para conocer el funcionamiento del proceso de digestión anaeróbica
que se lleva a cabo en el interior del bioreactor, ya que los valores de DQO de la mezcla
reactiva deben mantenerse constantes en el transcurso del proceso lo que indica que la
materia orgánica alimentada se está degradando correctamente, mientras que los valores de
DQO de la alimentación deben incrementarse.
75
Trabajos Publicados
“The fourth international symposium on environmental biotechnology and engineering”
2014, Cinvestav, IPN, Zacatenco, México.
76
“Coloquio de investigación multidiciplinaria” 2014, Orizaba, México.
77
78
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