(número 2) 2011 Biodigestores tipo túnel en la producción porci

Revista Computadorizada de Producción Porcina Volumen 18 (número 2) 2011
Biodigestores tipo túnel en la producción porcina/Tunnel biodigesters in pig production
DISEÑO Y EVALUACION DE UN BIODIGESTOR TIPO TUNEL
R. Chao, Y. Díaz, R. Sosa y A.A. Pérez
Instituto de Investigaciones Porcinas. Gaveta Postal No. 1, Punta Brava. La Habana, Cuba
email: rchao@iip.co.cu
RESUMEN
Se diseñó, construyó y evaluó un biodigestor tipo túnel de 3.3 m 3 de volumen de digestión y 2 m 3 de almacenamiento de biogás. La
construcción del biodigestor se realizó con una excavación en la tierra, aledaña a un establo de cerdos que proveyó el residual para
cargar este biodigestor.
La disminución de los sólidos totales, sólidos volátiles y la demanda química de oxígeno fue de 69, 74 y 74% respectivamente, lo cual
coincidió con resultados anteriores en evaluaciones realizadas en biodigestores de cúpula fija y tubular de polietileno. El valor de 0.53
m 3 de biogás/m 3 de digestión fue aceptable. Se controlaron diferentes incidencias durante la evaluación. El análisis económico demostró
la factibilidad de este tipo de inversión.
Se concluye que el funcionamiento del biodigestor de túnel en relación con el tratamiento de los residuales porcinos, así como en
cuanto a la producción de biogás se comporta de manera muy similar a los demás biodigestores construídos por el Instituto.
Palabras claves: biodigestor tipo túnel, volumen de digestión, biogás, residuales porcinos
Título corto: Biodigestores tipo túnel en la producción porcina
DESIGN AND EVALUATION OF TUNNEL BIODIGESTER
SUMMARY
A tunnel biodigester with 3.3 m 3 of digestion volume and 2 m 3 of biogas storage was designed, built and tested. The biodigestor
construction was carried out with a dig into the ground, near a pig house which supplied pig manure to fed the biodigestor.
The decrease in total solids, volatile solids and chemical oxygen demand were 69, 74 and 74% respectively, which agrees with obtained
results in evaluations conducted in fixed dome and tubular polyethylene biodigesters. The value of 0.53 m 3 of biogas/m 3 of digestion was
acceptable. Several incidences were monitored during the evaluation. The economic analysis showed the feasibility of this type of
investment.
The operation of the tunnel biodigester for the treatment of swine waste as well as for the production of biogas has very similar
performance to the other biodigesters built by the Institute.
Key words: tunnel biodigester, digestion volume, biogas, swine residuals
Short title: Tunnel biodigesters in pig production
INTRODUCCIÓN
La depuración del residual porcino mediante la fermentación
anaerobia es usada ampliamente en los países desarrollados
y subdesarrollados como un medio eficaz para la
descontaminación y de producción de biogás como fuente de
energía renovable (He 2000; Chao 2002).
El uso de la digestión anaerobia en los países con pocos
recursos es importante para resolver ambos problemas, los
ecológicos y económicos (Marchaim 1992). Para los países
desarrollados el uso de la fermentación anaerobia no
constituye problema, ya que poseen recursos y medios
adecuados para la aplicación de esta tecnología. Sin embargo,
en los países en vía de desarrollo se necesitan de sistemas de
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fermentación sencillos, de bajo costo y con materiales
disponibles. El principal reto en la producción de biogás es
desarrollar diseños de biodigestores económicos, que pueden
utilizarse masivamente utilizando materiales locales, con
métodos constructivos adaptados a las condiciones del lugar y
que no necesitan una supervisión continua para su correcta
operación.
En Cuba existen instalaciones con varios miles de cerdos en
diferentes categorías, por lo que se necesita de sistemas de
depuración de gran tamaño y económicamente viables para
responder a esta problemática. Una solución a esta
problemática son los biodigestores del tipo túnel adaptado a
las condiciones presentes. Desde hace varios años en el
Instituto se ha estudiado y elaborado sistemas de depuración
de las excretas porcinas basados en biodigestores de cúpula
fija para granjas medianas y pequeñas (Chao et al 1996, 1997;
Del Río y Chao 1997).
El objetivo de este trabajo fue la construcción y puesta en
marcha de un prototipo a pequeña escala para su estudio,
caracterización y asimilación de la tecnología de biodigestores
tipo túnel.
MATERIALES Y MÉTODOS
Se diseñó y realizó la evaluación de un biodigestor prototipo
de túnel, su construcción se ejecutó con una excavación en la
tierra para depositar el residual. Con la finalidad de evitar
filtración del mismo hacia el manto, se colocó una manta de
polietileno cuyo objetivo fue impermeabilizar el depósito. Este
prototipo se instaló en la nave del minintegral del Instituto, y a
su vez este establo suministró el residual porcino con el que se
cargó este biodigestor.
Foto 1. Excavación impermeabilizada
con la manta de polietileno
Alrededor de la excavación se fundió con hormigón un piso de
1 metro de ancho y 0.15 metros de espesor para fijar la
manguera que sujetaba la manta de polietileno para
hermetizar el digestor y además almacenar el biogás (fotos 1 y
2).
Foto 2. Excavación impermeabilizada
con la manta de polietileno
Las características técnicas del biodigestor contruído se
muestran en la tabla 1.
Tabla 1. Principales parámetros constructivos del
biodigestor de túnel
Parámetro Cantidad
Base menor, m 0.90
Base mayor, m 2.00
Altura, m 0.65
Largo, m 4.20
Volumen de digestión, m 3
3.30
Volumen de almacenamiento de biogás, m 3
2.00
Espesor de la manta de polietileno, mm
Manta de polietileno para impermeabilizar el
0.50
digestor, m 2
23.00
Manta de polietileno para cubrir el digestor, m 2
18.00
Se tomaron muestras a la entrada y la salida del biodigestor
desde enero a septiembre, dos veces por semana,
aleatoriamente. En estas muestras se determinaron los sólidos
totales, sólidos volátiles totales, demanda química de oxígeno
y el pH de acuerdo a lo establecido en APHA (1985). Se
controló el volumen de entrada del residual de forma tal que el
tiempo de retención hidráulica fuera de 20 días. La producción
diaria de biogás se obtuvo mediante la lectura de lunes a
viernes del metro contador de gas RS/2001 LA G4, de
fabricación Italiana, instalado para ese propósito (tabla 2).
Tabla 2. Características técnicas del metro
contador de gas
Cantidad
Entrada mínima de gas, m 3 /hora 0.04
Entrada máxima de gas, m 3 /hora 6.00
Volumen de gas, dm 3 1.20
Presión máxima de gas, bar 1.20
Se registraron todas las incidencias durante la etapa
evaluada., y se llevó a cabo una evaluación económica de la
operación del biodigestor.
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Los indicadores que caracterizaron la entrada y salida de
material en el biodigestor fueron expresados por estadígrafos
de posición (Steel et al 1997).
RESULTADOS Y DISCUSION
Operación del biodigestor
Los resultados de los parámetros de contaminación ambiental
y producción de biogás aparecen en la tabla 3.
Tabla 3. Características del residual porcino
evaluado en el biodigestor tipo túnel.
Producción de biogás
Biodigestor
Entrada Salida Reducción, %
Sólidos, %
Totales 4.79
± 1.15 1
1.50
69
± 0.35
Volátiles 3.73 0.97
74
± 0.92 ± 0.24
DQO 2 , mg/L 22 742 6 683 74
± 5 856 ± 1 726
pH 5.80 7.64
-
± 0.42
± 0.57
Biogás, m 3 \día - - 1.75 2
1 Media y desviación estándar
2 Demanda química de oxígeno
Los resultados de los análisis realizados aparecen en la tabla
3. El valor de sólidos totales (4.79%) fue similar a lo
encontrado por Martínez et al (2005) quienes informaron
diluciones entre 0.2 y 7.0%, aunque mayores que lo
encontrado por Venotti et al (2002), quienes informaron
valores de sólidos totales entre 0.4 y 2.5%. Por otra parte, la
remoción de la demanda química de oxígeno coincidió con los
resultados de Chao et al (1997, 2000) en digestores de cúpula
fija y en tubulares de polietileno (Sosa 1998, 2005). En cuanto
al pH de salida del digestor, entre 7 y 8, se considera es un
valor normal, propio de la digestión anaerobia y estuvo en el
rango de los obtenidos por otros autores (Esteban et al 1984;
Hohlfeld y Sasse 1986; Fulford 1988).
La producción diaria de biogás mostró un valor aceptable para
la capacidad del biodigestor, ya que su producción fue de 0.53
m 3 de biogás/m 3 de digestión, similar a lo encontrado en
evaluaciones realizadas en biodigestores de cúpula fija y
polietileno en otros trabajos realizados en el Instituto (Chao et
al 1996, 1997; Del Río y Chao 1997).
Incidencias en la operación del biodigestor
Durante la etapa de evaluación del biodigestor se encontraron
perforaciones accidentales en la manta de polietileno que
cubría el digestor. Estas se repararon limpiando con un paño
limpio y húmedo el área circundante a la zona perforada.
Seguidamente de lijó cuidadosamente con lija de grano fino y
se limpió con alcohol etílico. Se cortó un pedazo de polietileno.
A continuación se le aplicó pegamento apropiado tanto al
pedazo de polietileno recortado como a la superficie a reparar
y se dejó secar durante 5 minutos aproximadamente. Después
se unieron fuertemente el pedazo de polietileno preparado con
la superficie dañada. Se dejó abierta la válvula de salida del
gas durante 24 horas para evitar que la presión del digestor
impidiera una correcta adhesión de las superficies pegadas.
Se sustituyeron las abrazaderas de sujeción de la manguera
de aire para evitar fuga y que no hermetizara la manta que
cubría el digestor.
La ranura donde se alojaba la manguera con aire para sujetar
la lona que cubría el digestor, se ensanchó por desgaste. Para
lograr que no se saliera de la misma, hubo que rellenar con
cemento para mantener la manguera en la ranura. Todo
parece indicar que ésto se debió a un fallo en el momento de
fundición de la ranura ya que este defecto solo se halló en una
parte de la misma.
Evaluación económica del biodigestor tipo túnel
Se realizó una evaluación económica considerando que el
biodigestor prototipo es de volumen muy pequeño y teniendo
en cuenta que uno de los objetivos fue la construcción de
biodigestores de este tipo pero a escala mucho mayor. Se
consideró realizar el análisis económico a un biodigestor tipo
túnel de 48 m 3 , cuyo costo de materiales, mano de obra,
costos indirectos y otros gastos fue de 6 025.64 CUC y
además se estimó un gasto anual para mantenimiento y otros
de 50 CUC.
El biogás que produciría este biodigestor se usaría para
sustituir 25 litros de petróleo por día a un costo de 0.50 CUC
por litro. Para realizar esta valoración se utilizó la metodología
recomendada por Carballal (2000). Los resultados del análisis
económico se reflejan en la tabla 4.
Tabla 4. Indicadores económicos en la operación del
biodigestor tipo túnel
Indicadores Cantidad
Tasa de beneficio/costo 2.53
Costo por pesos 0.38
Sensibilidad, % 53
Período de recuperación de la inversión, años 1.40
Valor neto actual, CUC 1
2 297.41
1
Un CUC (peso convertible cubano) equivale a 1.20 dólar
estadounidense
Se consideró una tasa de descuento o factor de actualización
del 10% y una vida del proyecto de 5 años. Su utilización
representa una efectividad económica favorable pues la
relación beneficio/costo (B/C) y el período de recuperación de
la inversión (PRI) así lo demuestran. De acuerdo con el
análisis de sensibilidad, los costos se pueden minimizar hasta
un 53%.
El funcionamiento del biodigestor de túnel, tomando en cuenta
la eficacia para el tratamiento de los residuales porcinos así
como la producción de biogás, se comporta de manera muy
similar a los demás biodigestores. La metodología empleada
para la reparación de las pequeñas perforaciones es segura,
sencilla y aplicable por cualquier usuario. Debe mejorarse el
sistema de fundición de la ranura que aloja la manguera para
hermetizar el biodigestor.
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AGRADECIMIENTOS
Se agradece al personal técnico de los laboratorios de
bioquímica del Instituto por la ejecución de los análisis hechos
en las muestras del residual porcino.
REFERENCIAS
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