UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA REGIONAL DE INGENIERIA SANITARIA Y RECURSOS HIDRÁULICOS (ERIS)

DISEÑO Y OPERACIÓN DE UN MODELO PARA EL TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES PROVENIENTES DE LA GRANJA PORCINA DE LA FACULTAD DE MEDICINA VETERINARIA Y ZOOTECNIA DE LA UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

ESTUDIO ESPECIAL

PRESENTADO A LA ESCUELA REGIONAL DE INGENIERIA SANITARIA Y RECURSOS HIDRÁULICOS (ERIS) POR ING. EUGENIO ANDROVETTO VILLALOBOS COMO REQUISITO PREVIO A OPTAR POR EL GRADO ACADEMICO DE MAESTRO (MAGÍSTER SCIENTIFICAE) EN INGENIERIA SANITARIA

GUATEMALA, JUNIO DEL 2003

DEDICO MI ESTUDIO ESPECIAL A :

DIOS

Por constituir mi fortaleza espiritual en todo momento, y por permitirme alcanzar una meta más en mi vida.

MIS PADRES

Porque me dieron el ser e invirtieron toda sus vidas para darme lo mejor, especialmente a mi Padre que siempre ha estado conmigo, pues mi madre está en el cielo.

MI ABUELA

Nelly Maroto, por estar al lado mío y de mi hermano en todo momento.

MI HERMANO

Esteban, del cual espero que siga adelante en la vida.

MI TIA

Idania, que siempre ha estado con mi hermano y conmigo en momentos tristes y alegres.

MIS AMIGOS

Pablo y Níger, por el apoyo que me dieron para que me decidiera a venir a estudiar a Guatemala.

AGRADECIMIENTO:

A todo el personal de la Escuela Regional de Ingeniería Sanitaria y Recursos Hidráulicos (ERIS), por el apoyo brindado.

Al Servicio Alemán de Intercambio Académico (DAAD), por la beca otorgada, especialmente a la Lic. Neddy Zamora, por toda la ayuda brindada.

Al Ing. Oscar Guzmán Coto y al Ministerio de Salud de Costa Rica por darme la oportunidad y el permiso para cursar esta Maestría.

Al Dr. Yeri Véliz y la Lic. Edgar García, de la Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia, por darme la oportunidad de realizar mi estudio en la granja porcina.

A todo el personal del Laboratorio de Química y Microbiología Sanitaria por su valiosa ayuda.

A mis compañeros de maestría: Frances, Francel, Nicolás, Alvaro, Erwin, Carlos, Oscar, Paris, René, Kahlil, Reynaldo, Víctor, Sara, Carlos, Jorge, Maritza, Manlia, Juan Carlos y Ramón por haber compartido con ellos durante todo este tiempo.

A Juan Carlos Godoy, esposa e hijos por su amistad y todo el apoyo brindado durante mi estadía en Guatemala.

A TODOS ELLOS, MUCHAS GRACIAS, QUE DIOS LOS BENDIGA.

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22 de mayo del 2003

Ing. Teófilo Alvarez Coordinador de Estudio Especial Escuela Regional de Ingeniería Sanitaria y Recursos Hidráulicos

Asunto : Aprobación del documento del Estudio Especial II

Estimado señor:

Después de revisar el documento denominado “Diseño y operación de un modelo para el tratamiento de las aguas residuales provenientes de la granja porcina de la Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia de la Universidad de San Carlos”, elaborado por el Ing. Eugenio Androvetto Villalobos como parte de su Estudio Especial y como requisito para optar por el grado de Maestro en Ingeniería Sanitaria, le comunico que me encuentro a satisfacción con su contenido y por lo tanto cuenta con mi aprobación. Asimismo le solicito que sea asignada la fecha del respectivo examen.

Atentamente,

Dr. Adán Pocasangre Collazos ASESOR

cc.: Ing. Eugenio Androvetto Villalobos Archivo.

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INDICE Contenido

Página

Introducción ...................................................................................................................... i Capítulo 1........................................................................................................................... 1. Generalidades .................................................................................................................. 1.1 Justificación .................................................................................................... .............. 1.2 Hipótesis ........................................................................................................................ 1.3 Alcances. ........................................................................................................................ 1.4 Objetivo general ............................................................................................................. 1.5 Objetivos específicos ..................................................................................................... 1.5 Antecedentes .................................................................................................................

1 1 1 2 2 2 3 3

Capítulo 2............................................................................................................................ 6 2. Manejo de los cerdos ...................................................................................................... 6 2.1 Características en el manejo de los cerdos ..................................................... .............. 6 2.1.1 El encierro .................................................................................................................. 7 2.2 Programa de alimentación ............................................................................................. 7 2.2.1 Alimentación con concentrado ................................................................................... 7 2.2.2 Alimentación de cuido ............................................................................................... 8 2.3 Aspectos importantes en el manejo de los cerdos .......................................................... 8 2.4 Características de las excretas de los cerdos .................................................................. 9 2.4.1 Factores que afectan la producción de cerdaza........................................................... 10 2.4.2 Métodos de recolección de la cerdaza........................................................................ 11 2.4.3 Procesamiento de la cerdaza ...................................................................................... 12 2.4.4 Almacenamiento de la cerdaza.................................................................................... 13 2.4.5 Composición nutricional de la cerdaza...................................................................... 13 Capítulo 3 ......................................................................................................................... 15 3. Características de los biodigestores ............................................................................... 15 3.1 Los biodigestores .......................................................................................................... 15 3.1.1 Beneficios .................................................................................................................. 15 3.1.1.1 Benefic ios ambientales ........................................................................................... 16 3.1.1.2 Beneficios sociales .................................................................................................. 16 3.1.1.3 Benefic ios económicos ............................................................................................ 16 3.1.1.4 Factores limitantes para la aplicación de la tecnología............................................ 16 3.2 Duración ........................................................................................................................ 16 3.3 Principales biodigestores existentes.............................................................................. 17 3.3.1 De lote o batch............................................................................................................ 17 3.3.2 De régimen semi-continuo.......................................................................................... 18 3.3.3 De régimen continuo .................................................................................................. 18 3.3.4 Horizontales de desplazamiento ................................................................................ 18 3.4 Tipos de biodigestores .................................................................................................. 20 3.4.1 Campana flotante ....................................................................................................... 20

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3.4.2 Planta con cúpula fija ................................................................................................. 22 3.4.3 Planta balón ............................................................................................................... 24 3.4.4 Desplazamiento hor izontal.......................................................................................... 26 3.4.5 Tipo familiar ............................................................................................................... 28 3.4.6 Tipo individua l ........................................................................................................... 30 3.4.7 Completamente mezclados.......................................................................................... 32 3.4.8 De dos etapas ............................................................................................................. 32 3.4.9 De digestión anaerobias seca ..................................................................................... 33 3.5 Producción de biogás .................................................................................................. 33 3.5.1 Principales usos del biogás ......................................................................................... 35 3.5.2 Purificación del biogás ............................................................................................... 35 3.6 Uso del efluente de los biodigestores............................................................................ 35 3.7 El bioabono ................................................................................................................... 37 3.7.1 Compostaje ................. ............................................................................................ 38 3.8 Separador de sólidos .....................................................................................................39 3.8.1 Datos técnicos ........................................................................................................... 40 Capítulo 4 ......................................................................................................................... 41 4. Metodología .................................................................................................................... 41 4.1 Metodología .................................................................................................................. 41 4.1.1 Búsqueda de información .......................................................................................... 41 4.1.2 Medición de caudales y caracterización preliminar de las aguas residuales............... 41 4.1.3 Diseño y construcción del modelo ............................................................................. 43 4.1.4 Funcionamiento del modelo ...................................................................................... 43 4.1.5 Caracterización físico química de las aguas residuales ............................................. 44 4.1.6 Diseño final del biodigestor ....................................................................................... 44 4.2 Descripción de la granja porcina .................................................................................. 44 4.2.1 Instalaciones .............................................................................................................. 45 4.1.2 El proceso de lavado .................................................................................................. 46 Capítulo 5 .......................................................................................................................... 54 5. Desarrollo del modelo ..................................................................................................... 54 5.1 Cantidad de agua utilizada en el proceso de lavado ...................................................... 54 5.2 Caracterización físico química del agua residual para el diseño del modelo .............................................................................................. 54 5.3 Diseño del modelo del biodigestor ............................................................................... 56 5.3.1 Tanque de homogenización ...................................................................................... 56 5.3.2 Tanque de biodigestión .............................................................................................. 58 5.3.3 Biogás ........................................................................................................................ 58 5.3.4 Diseño final del modelo ............................................................................................ 59 5.3.4.1 Tanque de biodigestión para un volumen de 0,5 m3................................................ 59 5.3.4.2 Tanque de biodigestión para un volumen de 0,25 m3 .............................................. 60

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5.3 Caracterización físico química del agua residual a la entrada y a la salida del biodigestor ............................................................................. 66 Capítulo 6 ......................................................................................................................... 73 6. Diseño del sistema de tratamiento .................................................................................. 73 6.1 Tanque de homogenización ........................................................................................... 73 6.1.1 Diseño utilizando las tablas existentes........................................................................ 73 6.1.2 Diseño utilizando los datos de laboratorio.................................................................. 75 6.1.3 Dimensionamiento del tanque de homogenización..................................................... 76 6.1.4 Materiales de construcción ........................................................................................ 76 6.2 Dimensionamiento del tanque de biodigestión ............................................................ 76 6.2.1 Materiales de construcción ......................................................................................... 80 6.3 Dimensionamiento del gasómetro ............................................................................... 80 6.3.1 Producción de biogas ................................................................................................. 80 6.3.2 Materiales de construcción ......................................................................................... 82 6.4 Caja de sellos de agua ................................................................................................. 82 6.5 Filtro removedor de sulfuro de hidrógeno (H2 S)............................................................82 6.6 Tanque de almacenamiento del efluente ............................................................... 83 6.7 Patio de secado de lodos................................................................................................ 83 6.8 Obras complementarias ..................................................................................................83 6.9 Operación del sistema ....................................................................................................84 6.10 Mantenimiento del sistema ........................................................................................ 85 6.11 Presupuesto global ...................................................................................................... 86 Limitaciones ..................................................................................................................... 100 Hallazgos y lecciones aprendidas ................................................................................. 101 Conclusiones ................................................................................................................... 103 Recomendaciones .............................................................................................................105 Bibliografía .......................................................................................................................107 Anexos ...............................................................................................................................109

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INDICE DE FIGURAS N°

Descripción

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1.1 Fotografía aérea de la Universidad de San Carlos, ubicación de la granja porcina .................................................................................. 3.1 Partes de que consta un biodigestor ....................................................................... 3.2 Biodigestor de campana flotante ............................................................................ 3.3 Biodigestor de cúpula fija ....................................................................................... 3.4 Biodigestor tipo balón ........................................................................................... 3.5 Biodigestor de desplazamiento horizontal ............................................................ 3.6 Biodigestor tipo familiar ....................................................................................... 3.7 Biodigestor tipo individual .................................................................................... 3.8 Separador de sólidos tipo Agroall........................................................................... 4.1 Croquis de la granja porcina de la Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia de la USAC ..................................................................... 4.2 Granja Porcina de la Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia de la USAC ....................................................................................... 4.3 Vista de uno de los corrales de la Zona A ................................................................ 4.4 Vista de los corrales individuales de la Zona B...................................................... 4.5 Vista del tanque donde se almacena el agua de lavado de la granja........................ 4.6 Bomba utilizada para el lavado de los corrales ..... ................................................. 4.7 Caja de recolección de las aguas provenientes del lavado de la Zona B .................................................................................................................... 4.8 Caja de recolección de las aguas provenientes de la Zona A................................. 4.9 Cunetas de recolección de las aguas de lavado de la Zona A................................. 4.10 Codo de evacuación de las aguas de lavado de la Zona B, tarea que se realiza cada 15 días ............................................................................ 5.1 Vista del proceso constructivo del modelo del biodigestor, nótese la caja de homogenización y el tanque biodigestor ................................... 5.2 Derivación de la tubería de alimentación de aguas residuales para el modelo del biodigestor ............................................................................... 5.3 Toma eléctrica para las hélices de agitación del tanque de homogenización ...................................................................................................... 5.4 Modelo del biodigestor .......................................................................................... 5.5 Salida del gas metano producido por el proceso de digestión anaerobia .............. 5.6 Salida del agua tratada por el biodigestor ............................................................. 5.7 Toma de muestras para el análisis físico químico posterior .................................. 5.8 Toma de muestras del agua residual cruda ............................................................ 5.9 Realización de la prueba para determinar la DBO ................................................ 5.10 Movimiento de tierras para la construcción del separador de sólidos ................... 5.11 Temperatura ........................................................................................................... 5.12 pH............................................................................................................................ 5.13 Sólidos totales.......................................................................................................... 5.14 Sólidos disueltos...................................................................................................... 5.15 Sólidos sedimentables.............................................................................................

5 19 21 23 25 27 29 31 40 48 49 49 50 50 51 51 52 52 53 61 61 62 62 63 63 64 64 65 65 68 68 69 69 70

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5.16 DBO .............. ......................................................................................................... 5.17 DQO ................ ....................................................................................................... 5.18 Nitritos .................................................................................................................... 5.19 Nitratos................................................................................................................ 5.20 Fosfatos ................................................................................................................... 6.1 Esquema general de las unidades del sistema de tratamiento ................................. 6.2 Ubicación del sistema de tratamiento ..................................................................... 6.3 Tanque de homogenización de sólidos y criba ....................................................... 6.4 Criba de caja de salida hacia tanque de biodigestión ............................................. 6.5 Tanque de biodigestión ........................................................................................... 6.6 Tanque de biodigestión ........................................................................................... 6.7 Tanque de biodigestión ........................................................................................... 6.8 Detalles estructurales del tanque de biodigestión .................................................... 6.9 Detalles estructurales del tanque de biodigestión .................................................... 6.10 Gasómetro .............................................................................................................. 6.11 Detalles.................................................................................................................... 6.12 Tanque de almacenamiento del efluente ................................................................

70 71 71 72 72 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99

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INDICE DE CUADROS N° 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 3.1 3.2 3.3 3.4

3.5 3.6 3.7 4.1 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.5 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8

Descripción Página Programa de alimentación ..................................................................................... 8 Características de los estiércoles de vacunos y porcinos ...................................... 9 Características de otros estiércoles animales ........................................................ 10 Producción de cerdaza según la etapa productiva del cerdo ................................. 11 Composición química de excrementos de cerdo en Diferentes etapas productivas ............................................................................... 14 Composición química del biogas .......................................................................... 34 Características de los gases combustibles ............................................................. 34 Utilización y consumo de biogas ........................................................................... 35 Concentración de nutrientes (en % de sólidos totales) encontrados en efluentes de biodigestores con distintos tipos de excretas .................................................................................................... 36 Efecto del uso de efluentes de biodigestores sobre el rendimiento en las cosechas de varios cultivos ..................................................... 36 Producción de plantas acuáticas en estanques cubanos fertilizados con aguas residuales ............................................................................. 37 Producción de peces en lagunas fertilizadas con aguas residuales ...................................................................................................... 37 Area de la granja ..................................................................................................... 46 Gastos de agua en el proceso de lavado ................................................................. 54 Caracterización fisico química del agua cruda en el punto A ............................... 55 Caracterización fisico química del agua cruda en el punto B ............................... 55 Resumen del diseño del modelo ............................................................................. 60 Caracterización físico química del agua a la entrada y a la salida del biodigestor ............................................................................................. 66 Eficiencia del biodigestor ....................................................................................... 67 Proporciones de mezclas estiércol agua para fermentación ................................... 73 Datos teóricos para el diseño del tanque de mezcla ............................................... 74 Relaciones de dimensión del tanque de digestión .................................................. 78 Ecuaciones de los volúmenes de cada zona del tanque de digestión ............................................................................................................. 78 Dimensiones del tanque de digestión ...................................................................... 72 Volúmenes por zona del tanque de biodigestión ..................................................... 79 Datos teóricos para la producción estimada de biogas ............................................ 79 Presupuesto global ................................................................................................... 87

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INTRODUCCION

El presente trabajo constituye la medición de la eficiencia de un modelo a escala de un biodigestor para el tratamiento de las aguas residuales provenientes de una granja porcina, finalmente se hará el diseño total de dicho sistema de tratamiento. El agua es un recurso natural, renovable pero relativamente escaso o muy escaso en muchos países. Co n el desarrollo de la sociedad, y correspondientemente de las ciudades, y la necesidad de un saneamiento adecuado, se han desarrollado los sistemas de acueducto y alcantarillado, así como el tratamiento de residuales captados por este último. El mayor contaminante de las aguas naturales es la descarga de aguas residuales provenientes de las ciudades y de las agroindustrias : el resultado de esta contaminación se refleja en modificaciones importantes de las propiedades del agua por la vía de reducción del co ntenido de oxígeno disuelto, por la bioxidación de compuestos orgánicos de las aguas residuales, por descomposición orgánica de aguas residuales con altos contenidos de sólidos sedimentables y por la eutroficación de las aguas naturales por aporte de nutrientes, referido esto a compuestos de nitrógeno y de fósforo. Actualmente existe una preocupación cada vez mayor por los aspectos de la contaminación del medio en general, en el sentido de que esto puede ser incluso más grave por sí mismo que cualquiera de los objetivos anteriores, por lo cual el tratamiento de los residuales debe enfocarse tanto desde el punto de vista ecológico como del correspondiente al mejoramiento de la salud humana. Actualmente se cuenta con el conocimiento de tecnologías establecidas y en desarrollo para el tratamiento y depuración de prácticamente cualquier tipo de agua residual. La digestión anaeróbica ha sido comenzada a reconocerse como una de las formas más económicas de controlar la contaminación proveniente de desperdicios ind ustriales y agrícolas, no sólo porque el material contaminante es separado del desperdicio, sino también porque se producen sustancias de alto contenido energético.

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Es así como las excretas porcinas, vistas por muchos como un contaminante ambiental de importancia puede generar recursos mediante la utilización de los remanentes orgánicos producto del manejo de las granjas porcinas, es una práctica que se ha utilizado poco posiblemente porque no se conoce bien el beneficio que esto trae no solo al productor sino también al suelo, a la población y al ambiente en general.

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RESUMEN En las últimas décadas se ha dado un incremento en la instalación de granjas porcinas en nuestros países, las cuales en su gran mayoría carecen de un adecuado sistema de tratamiento para las aguas residuales que generan, aumentando así la contaminación de los cuerpos de agua y del suelo, lo que tiene como repercusión inmediata un detrimento de la salud pública y del ambiente en general. Este es el caso de la granja porcina de la Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia de la Universidad de San Carlos de Guatemala, la cual no dispone de un adecuado sistema de tratamiento para los desechos que se generan producto del lavado diario y de la actividad en general, por lo que cabría preguntarse: ¿Cuál será la carga contaminante debido al arrastre de gran cantidad de materia orgánica, como excremento de cerdo y restos de alimentos, propios de las actividades que se realizan en la granja y que método se puede usar para reducir esa carga contaminante?, ¿es el funcionamiento de dicha granja el adecuado?, ¿están manejando bien el excremento que no está en contacto con el agua?. Se tiene en la biomasa una opción factible que resolvería, al menos parcialmente, problemas de diversa índole. El beneficio más inmediato que se obtiene del proceso de digestión anaerobia es una disminución de la contaminación de los ríos y campos, ya que los biodigestores se pueden alimentar de las aguas residuales provenientes del lavado de las granjas porcinas que se arrojan directamente a los ríos u otros lugares. Además de este beneficio ecológico, se encuentra que del digestor se pueden obtener subproductos útiles como bioabono y biogas. Con el tratamiento de las aguas residuales por medio de un biodigestor se obtienen buenas remociones de contaminantes, ya que se disminuye considerablemente la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO 5 ), la Demanda Química de Oxígeno (DQO) y los sólidos: totales, disueltos y sedimentables; lo cual se comprobó por medio de un modelo de biodigestor, el cual fue evaluado por espacio de un mes y se tomaron diez muestras tanto a la entrada como a la salida, muestras a las que se les realizó una caracterización físico química, para así medir la eficiencia en cuanto a la remoción de los parámetros arriba mencionados. Con ello se pudo comprobar la hipótesis del trabajo referente a que con un sistema de tratamiento de aguas residuales se puede bajar la carga contaminante de las aguas residuales generadas en la granja e inclusive darles un reuso; ya que de acuerdo con la experiencia en este tipo de sistema de tratamiento y con los resultados obtenidos a partir de la evaluación del modelo, se pudo comprobar que es posible remover más de un 70% de la DQO y la DBO 5 y más de un 87% de los sólidos totales, disueltos y sedimentables. Con los resultados obtenidos de la evaluación del modelo del biodigestor se hizo el diseño del sistema de tratamiento de la granja porcina, consistente en un biodigestor, así como se establecieron las principales reglas para una buena operación y mantenimiento del mismo.

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CAPITULO 1 GENERALIDADES

1.1 Justificación

Los sistemas actuales de tratamiento de aguas residuales que son utilizados por muchas granjas porcinas, no son los más adecuados para este tipo de aguas o bien son del todo inexistentes, ya que las mismas arrastran gran contenido de materia orgánica como consecuencia de los excrementos del cerdo y restos de alimentos. Estos factores, en conjunto aumentan la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5), los sólidos suspendidos, entre otros. Producto del cual hacen que las aguas vertidas presenten cargas contaminantes muy elevadas y sean un problema en los cuerpos receptores, con las respectivas consecuencias ambientales y con efectos en la salud de las personas que habitan aguas debajo de las descargas.

nes justifican la importancia de buscar nuevas alternativas en el tratamiento de las aguas residuales provenientes de granjas porcinas y proponer procesos de operación y mantenimiento que den como resultado el vertido de efluentes de mejor calidad y reducir los impactos perjudiciales a la salud y al ambiente.

Por lo tanto en la búsqueda de solución al problema de la descarga de aguas residuales provenientes de granjas porcinas se presentan las siguientes interrogantes: ¿Cuál será la carga contaminante debido al arrastre de gran cantidad de materia orgánica, como excremento de cerdo y restos de alimentos, propios de las actividades que se realizan en la granja porcina de la Facultad de Veterinaria de la Universidad de San Carlos y que método

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se puede usar para reducir esa carga contaminante?, ¿es el funcionamiento de dicha granja el adecuado?, ¿están manejando bien el excremento que no está en contacto con el agua?.

1.2 Hipótesis

ntaminante produc ida por una granja porcina debido a la población de cerdos es de 8 746 mg/l en DBO 5 y 6 300 mg/l en sólidos totales por 4 000 cabezas de cerdo, según Solís et al, 2001; esta carga contaminante es posible reducirla hasta en un 70% con procesos adecuados de tratamiento de las aguas residuales, que hasta el momento no están siendo aplicados en la mayoría de los casos y se podrían reutilizar las aguas residuales tratadas.

1.3 Alcances

El proyecto se desarrollará en la granja experimental perteneciente a la Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia de la Universidad d San Carlos de Guatemala, a cuyas aguas residuales crudas se les efectuará una caracterización físico química, para obtener los parámetros para el diseño y construcción de un modelo de biodigestor. Dicho modelo será evaluado, para ello se hará también un examen físico químico, a las aguas residuales que entran y salen del modelo. Con los datos obtenidos en la segunda evaluación se procederá a hacer el diseño hidráulico de un sistema de tratamiento consistente también en un biodigestor, del cual se harán esquemas que orienten para en un futuro realizar los planos constructivos.

También se definirán los principales puntos que debe contener un Manual de Operación y Mantenimiento para el sistema de tratamiento. Se adjunta un presupuesto global.

1.4 Objetivo General

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Elaborar una propuesta de tratamiento adecuado para las aguas residuales provenientes de la granja porcina de la USAC, para así poder ser reutilizadas, a partir del acondicionamiento y evaluación de un modelo de biodigestor, con el fin de contribuir a mejorar las condiciones ambientales con el fin de proteger la salud de la población en general.

1.5 Objetivos Específicos

a. Estudiar el funcionamiento de la granja porcina de la Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia de la Universidad de San Carlos, en lo referente a la evaluación de las características físico-químicas más importantes de las aguas residuales provenientes de una granja porcina, para obtener la carga contaminante por unidad de producción y el manejo del excremento que no está en contacto con el agua.

b. Proponer un modelo experimental para el tratamiento de las aguas residuales de dicha granja y evaluar la calidad del efluente de dicho modelo a fin de perfeccionarlo y a segurar que la calidad del agua vertida no constituye un problema de orden ambiental o sanitario.

c. Aportar por medio de las conclusiones obtenidas a partir del modelo, bases para futuros diseños de sistemas de tratamiento de agua residuales provenientes de granjas porcinas.

1.6 Antecedentes La descomposición de los desechos orgánicos en ausencia de oxígeno (anaeróbica), es un fenómeno que se presenta siempre en la naturaleza.

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Fue en el siglo XVIII cuando se detectó la presencia de gas metano en la descomposición del biogás por el investigador Shirley (1667), al que se le conoció como “gas de los pantanos” y desde 1776, Alejandro Volta descubre la conversión de materiales húmedos, mediante la fermentación anaeróbica en gas metano. Este proceso ocurre en forma natural en diversos ecosistemas, por ejemplo en los rellenos sanitarios, en regiones profundas de la tierra, donde se forman grandes cantidades de gas natural y en el rúmen de los animales. Años más tarde Gayón, que era discípulo de Luis Pasteur, obtuvo metano al fermentar el estiércol anaeróbicamente. En la Academia de Ciencias de Francia, el 25 de febrero de 1884, Luis Pasteur presentó los resultados de los experimentos de Gayón, los que incluían que este tipo de fermentación podría llegar a ser factib le de aprovechar con fines energéticos. A finales del siglo XIX y, durante las primeras décadas del siglo XX, en varias ciudades de Europa, India y Estados Unidos se instalaron plantas para el tratamiento de aguas negras, en donde los sedimentos del alcantarillado eran sometidos a digestión anaeróbica. En épocas más recientes en 1940, la China y la India inician el desarrollo de la tecnología de la biodigestión anaeróbica, mediante el aprovechamiento de los desechos agrícolas y los estiércoles animales y excrementos humanos, con fines energéticos y producción de abono orgánico. En Centroamérica hoy, como ayer los problemas sociales apremiantes están relacionados con la vivienda deficitaria, el abastecimiento de agua potable, la inadecuada disposición de los desechos sólidos y líquidos de las agroindustrias, o centros habitacionales que vierten a los ríos sin ningún tratamiento sus aguas residuales. En vista de los anterior en Guatemala, desde finales del año 1982, se inició el Proyecto de Energéticos Renovables en el Instituto Técnico de Capacitación y Productividad, (INTECAP) que difunde la tecnología de los biodigestores, se ha conseguido despertar interés dentro de la familia rural, deseosas de ser usuarias de la tecnología.

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CAPITULO 2

MANEJO DE LOS CERDOS

2.1 Características en el manejo de los cerdos La experiencia con el manejo de cerdos se desarrolla en las zonas rurales de Centroamérica, el engorde de cerdos es una tradición entre los productores de dicha zona, que se remonta a épocas en las cuales se requería "arriar" a los animales hasta las plazas de comercialización. En las granjas porcinas generalmente no se aprovechan los recursos disponibles en las fincas de los pequeños y medianos productores, para reducir los costos de producción, sobre todo aquellos relacionados con la alimentación. Por lo que es deseable que el productor pueda obtener ganancias de peso adecuadas al de producción de cerdos, utilizando productos o subproductos de la finca, con un mínimo de alimento concentrado como complemento. A la par de estas experiencias, algunos productores de cerdos utilizan un biodigestor, a través del cual aprovechan los desechos de la producción de cerdos para generar gas, el cual es utilizado en el hogar. La producción de cerdos incluye: el encierro; el programa de alimentación; algunos aspectos de manejo y el sistema de tratamiento de las aguas residuales. El biodigestor como sistema de tratamiento, abarca: el biodigestor; materias a usar para alimentar el biodigestor; cómo aprovechar el gas; materiales para su construcción y las ventajas. La producción de cerdos se caracteriza por tener: a. Un encierro que facilita la alimentación del animal, su manejo y su salida oportuna al mercado b. Una alimentación controlada y compuesta por una porción mínima de concentrado y una alimentación de cuido, formada por productos y subproductos agropecuarios.

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c. Un manejo de los animales dentro del módulo que permite sacar los cerdos al mercado de 6 a 7 meses de edad, incluyendo dentro de ese manejo, sus cuidados sanitarios.

2.1.1 El encierro En los últimos años la industria porcina se ha transformado en un sistema de producción de animales en confinamiento total , provocando una alta producción de excreta , que ocasiona una alta contaminación de las fuentes de agua y del ambiente. El sitio para establecer el módulo de cerdos debe ser un lugar lo más alejado posible de las fuentes de agua y de las casas de habitación. Lo anterior, con el propósito de evitar el riesgo de contaminación en el agua y minimizar los malos olo res en las casas. Además, el terreno debe contar con un buen drenaje, que permita mantener sus alrededores libre de aguas estancadas.

2.2 Programa de alimentación El Sistema de Alimentación está formado por dos tipos: a. Alimentación con Concentrado: con una porción mínima y; b. Alimentación de "Cuido"

2.2.1 Alimentación con Concentrado Consiste en el uso de concentrado comercial, cuya cantidad dependerá de la etapa de crecimiento en que se encuentren los cerdos.

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Es importante señalar que en la etapa de "inic io", los cerditos no van a consumir el volumen de concentrado, debido a su limitada capacidad física. No obstante, se espera que en esos primeros 30 días, consuman lo más que puedan, para que tengan un buen "arranque". De esta forma se evita que lleguen a la etapa siguiente de crecimiento con poco desarrollo o "disminuidos". Esta es la razón por lo cual no es recomendable suministrarle alimento de "cuido" durante este período.

2.2.2 Alimentación de Cuido Consiste en utilizar una combinación de productos y sub-productos agropecuarios como yuca, banano, tiquisque, ayote, suero de leche, caña de azúcar u otros, cuya cantidad dependerá también de la etapa de crecimiento del cerdo CUADRO 2.1 PROGRAMA DE ALIMENTACION Etapa de crecimiento

Duración días

Peso del cerdo Kg

Alimento con concentrado Kg/día

Alimento de "cuido" Kg/día

Inicio

30

Destete a 30

1.2

Nada o muy poco

Desarrollo

30

30 a 60

1.0

4a5

Engorde

60

60 a 100

1.0

5a6

Fuente: Chinchilla Miguel, et al. Diseño y construcción de biodigestores. 1985.

Con este programa es posible reducir los costos de alimentación en un 60%, si se compara con el sistema basado exclusivamente en el uso de alimentos concentrados.

2.3 Aspectos importantes en el manejo de los cerdos Durante el desarrollo del proyecto se identifican los siguientes aspectos de manejo:

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a. La porción de concentrado se puede dividir en 2 partes. Una parte se suministra en la mañana y la otra por la tarde. b. Es necesario lavar el piso del encierro dos veces al día. Esta actividad conviene realizar la antes de alimentar a los cerdos. c. Cuando se lleva a cabo la limpieza del módulo, conviene aprovechar los desechos de la limpieza para suplir al biodigestor. d. Si no se cuenta con un biodigestor, los desechos se deben recoger dos veces al día y aprovecharlos en la elaboración de abono o enterrarlos en una fosa. De esta forma se evitan los malos olores y la proliferación o desarrollo de moscas.

2.4 Características de las excretas de los cerdos Las excreta de cerdo ha sido señalada por varios autores como una fuente valiosa de nitrógeno (principalmente nitrógeno no proteico), energía y minerales como el calcio, fósforo y magnesio. Sin embargo, su composición química es variable, por lo que se debe evitar el uso de valores estandares para la formulación de raciones. La variación en el contenido de nutrimentos de la cerdaza es atribuida a factores como: la composición de la dieta y la etapa productiva de los cerdos, el método de procesamiento y almacenamiento de la cerdaza, el manejo de los cerdos y el ambiente. CUADRO 2.2 CARACTERÍSTICAS DE LOS ESTIERCOLES DE VACUNOS Y PORCINOS Datos Tipo de animal Básicos Cerdo Vaca Cantidad de estiércol fresco/24 horas en porcentaje de peso vivo (MSO) 3% 6% Porcentaje de sólidos volátiles (MSO) en estiércol fresco 20% 16% Cantidad de estiércol por 500 kg de peso vivo (MSO) 15 kg 30 kg Cantidad de sólidos volátiles por 500 kg de peso vivo (MSO) 3 kg 4,8 kg Cantidad de sólidos volátiles por 1kg de peso vivo (MSO) 6g 7,6 g Producción de biogás por 100 kg de piso vivo (MSO) 0,25 m3 0,21 m3 Producción de biogás por kg de sólidos volátiles (MSO) 0,42 m3 0,22 m3 Fuente: Calvo Gutiérrez, Jorge. Propuesta para el tratamiento y utilización de las aguas residuales, provenientes del rastro de porcinos del Municipio Santa Catarina Pinula de Guatemala. 1997.

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En el cuadro siguiente se hace una comparación del excremento porcino con el de otros animales: CUADRO 2.3 CARACTERÍSTICAS DE OTROS ESTIERCOLES ANIMALES CANTIDAD DIARIA % MATERIAL DE FERMENTACION Clase de Estiércol en Orina en % sólidos % sólidos Relación Producción de animal y % del peso % del totales orgánicos C/N biogás (P) humanos vivo (%E) peso (%MST) (%MSO) (L/kg MSO) vivo Vacunos 5 4 15 – 16 13 20 250 Cerdos 2 3 16 12 13 350 Coprinos y 3 1,5 30 20 30 200 ovejas Caballos 5 4 25 15 20 250 Avícolas 4,5 4,5 25 17 5– 8 400 (gallinas) Humanos 1 2 20 15 8 300 Fuente: Proyecto Cali. Difusión de la tecnología de biogás en Colombia. 1987.

2.4.1 Factores que afectan la producción de cerdaza La cantidad de cerdaza producida está en función principalmente de la etapa productiva del cerdo y de la composición y digestibilidad de la dieta suministrada (Campabadal, 1994 mencionado por Chinchilla, 2000); no obstante, el volumen total de cerdaza está afectado por el agua utilizada en el lavado de las instalaciones y la cantidad de orina producida. En el Cuadro 2.4 se presenta la producción de cerdaza y consumo de alimento según la etapa productiva .

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CUADRO 2.4 PRODUCCIÓN DE CERDAZA SEGÚN LA ETAPA PRODUCTIVA DEL CERDO Etapa

Materia seca (%)

Excreta

Consumo de alimento* Kg/ cerdo/día

Inicio

19,5

0,15

1,9

Desarrollo

21,3

0,20

2,2

Engorde

21,4

0,25

2,2

Gestante

19,3

0,15

2,0

Lactante

27,5

0,41

8,0

*Dieta a base de maíz y soya Fuente: Chinchilla Miguel, et al. Diseño y construcción de biodigestores. 1985.

Los diferentes ingredientes que constituyen la dieta de los cerdos, así como el nivel de inclusión, causan variaciones en la producción de cerdaza. Al respecto, Chinchilla, 1998, señala que una dieta a base de maíz y harina de soya presenta una digestibilidad de la materia seca de 80 a 85 %, la inclusión de subproductos de trigo a la dieta a un nivel del 5%, disminuye la digestibilidad de un 3 a un 4%, debido a que los subproductos de trigo promueven una mayor velocidad de pasaje del alimento a través del sistema digestivo, aumentando por la tanto su excreción.

2.4.2 Métodos de Recolección de la cerdaza Las excretas para ser utilizadas en la alimentación animal pueden ser recolectadas de dos formas: manual y mecánica . En la manual las excretas son recolectadas directamente de los corrales mediante el uso de una pala. Este método es el más sencillo y el de menor inversión, sin embargo la mano de obra involucrada limita su empleo. También las excretas pueden ser tras ladadas directamente a un tanque de recolección en el que se separa la fracción sólida de la líquida mediante decantación. Este último método presenta el inconveniente de que muchos nutrimentos de la fracción sólida son perdidos por filtración.

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Los métodos de recolección mecánica, entre los que podemos citar : separadores sólidolíquido por tamizaje, separadores por extrusión, separadores por gravedad etc, presentan la ventaja de que involucran menos mano de obra, el producto es fácil de mezclar con el alimento y tiene buena aceptación por los animales. Sin embargo, al utilizar estos métodos se incurre en altos costos debido al precio de los equipos y en altas pérdidas de nutrimentos en el proceso de separación sólido- líquido.

2.4.3 Procesamiento de la cerdaza La cerdaza posee un alto contenido de humedad y varios tipos de microorganismos patógenos y parásitos. Estos microorganismos son responsables de la degradación de los constituyentes de la materia orgánica de la cerdaza, con la consecuente pérdida de energía en la forma de dióxido de carbono y de proteína en la forma de amonio. Un apropiado procesamiento de la cerdaza es necesario con el fin de conservar los nutrimentos, destruir agentes patógenos, incrementar la palatabilidad y facilitar su almacenamiento por un período de tiempo mayor. Debido a lo anterior, y al posible efecto de los patógenos en la salud humana y animal, se han propuesto diferentes métodos de procesamiento de las excretas de cerdo. Dentro de estos se incluyen: el secado, el ensilado, y la separación de la fracción sólida y líquida. El secado y la separación sólido- líquido incurren en pérdidas de nutrimentos, principalmente por evaporación y filtración respectivamente; mientras que el ensilaje resulta en menores pérdidas de nutrimentos, mayor palatabilidad y disminución del olor de las excretas, pero el requerimiento de infraestructura apropiada y una mayor utilización de mano de obra limitan su empleo.

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2.4.4 Almacenamiento de la cerdaza El almacenamiento afecta el valor nutritivo de la cerdaza por pérdidas de nutrimentos que pueden ocurrir, dependiendo del grado de humedad, el período de almacenamiento y la temperatura ambiental. La cerdaza almacenada fresca por más de tres días presenta problemas de hongos y calentamiento, aumentan las pérdidas por volatilización y disminuye el contenido de proteína de la cerdaza, todo esto se traduce en problemas de consumo por parte del bovino. El nivel óptimo de humedad para su almacenamiento debe ser de un 10 a un 15%.

2.4.5 Composición Nutricional de la Cerdaza La composición nutricional de la cerdaza es afectada por: variaciones en la formulación de las dietas utilizadas, el método de procesamiento y manejo de la cerdaza, la etapa productiva, el ambiente y el manejo de los cerdos. En los cuadros siguientes se presentan la composición química y el contenido de energía respectivamente, de la cerdaza según etapa productiva y tipo de cerdaza. Como se observa, existen diferencias en la composición de las excretas según la etapa productiva y el método de recolección y procesamiento. Las cerdazas provenientes de animales de pesos inferiores (inicio, desarrollo y engorde) presentan un mayor contenido de proteína cruda (PC), extracto etéreo (EE), y energía ,y un menor contenido de cenizas, calcio y fósforo, que las excretas de los animales reproductores (gestantes y lactantes) ; como consecuencia de diferencias en la composición de la dietas y a una menor utilización de los nutrimentos de la dieta por parte de los cerdos jóvenes. Existen diferencias en la composición de la cerdaza según el método de recolección y procesamiento al que son sometidas. La cerdaza compuesta es una mezcla proporcional de las excretas de todas las etapas productivas, obtenida directamente de los corrales antes del lavado de los mismos, mientras que la cerdaza que proviene del separador , es la excreta producto del lavado de los diferentes corrales. Las diferencias observadas en estas excretas en los cuadros anteriores son debida

18

CUADRO 2.5 COMPOSICIÓN QUÍMICA DE EXCREMENTOS DE CERDO EN DIFERENTES ETAPAS PRODUCTIVAS* Etapa Productiva

Humedad %

Proteína Cruda %

Extracto Etéreo %

Cenizas Calcio % %

Fósforo %

Cobre mg/kg

Inicio

80,51

26,92

7,10

14,28

2,51

0,19

1160,5

15,97

3,36

0,21

445,04

Desarrollo

26,27 78,67

9,83

Engorde

78,55

23,38

6,47d

16,44

2,96

0,22

427,64

Gestante

80,73

16,49

3,85

20,34

3,93

0,29

725,30

Lactante

72,52

15,80

8,64

20,08

5,01

0,27

920,60

Compuesta

72,10

18,75

10,90

19,29

4,45

0,25

741,71

Separador

78,82

14,69

4,42

9,25

-

-

-

Tipo de cerdaza

*Dieta a base de maíz y soya Fuente: Chinchilla Miguel, et al. Diseño y construcción de biodigestores. 1985.

a pérdidas de nutrimentos solubles en el agua de lavado de los corrales y en el proceso de separación sólido- líquido.

19

CAPITULO 3

CARACTERÍSTICAS DE LOS BIODIGESTORES 3.1 Los biodigestores

Los biodigestores son tanques cerrados dentro de los cuales la materia orgánica es degradada en condiciones anaeróbicas, es decir sin oxígeno, por acción de microorganismos transformándola en metano, dióxido de carbono (biogás) y agua (bioabono).

Los biodigestores convencionales son utilizados generalmente para tratar sustratos concentrados con alto contenido de sólidos como el estiércol de bovinos, porcinos y materiales orgánicos de otros animales, que se degradan con tiempos de retención superiores a 20 días. Se diferencia de los sistemas de alta tasa como los reactores anaeróbicos de flujo ascendente con manto de lodos (UASB), empleados para depurar las aguas residuales diluidas con materia orgánica soluble como aguas mieles de café, vinazas, domésticas, etc., en los tiempos de retención ya que son relativamente cortos y oscilan entre 6 y 72 horas, para tratar el sustrato.

3.1.1 Beneficios

La implantación de un biodigestor genera los siguientes beneficios:

3.1.1.1 Beneficios Ambientales

a. Reduce en un 70% la carga contaminante que se vierte generalmente a las corrientes superficiales. b. Permite disminuir la tala de los bosques debido al reemplazo de la leña por el biogas. c. Contribuye a la disminución de proliferación de vectores y olores.

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3.1.1.2 Beneficios Sociales

a. Mejora las condiciones de la mujer encargada de realizar las labores domésticas (preparación de la comida) por la disminución de humos cuando se sustituye la leña por el biogás. b. Mejora las condiciones de vida del grupo familiar.

3.1.1.3 Beneficios Económicos

a. Reducción en un 70% en la compra de otros combustibles. b. Ahorro en la compra de abonos químicos.

3.1.1.4 Factores limitantes para la aplicación de la tecnología

a. Temperatura < 18°C b. Producción de estiércol < 20 kg/día c. Animales no estabulados d. Dificultad para consecución materiales de construcción e. Falta de agua f.

Falta de equipos para uso del biogás

g. Falta de personal para realizar las labores de operación y mantenimiento de la planta. h. Altos costos para la ejecución de la obra i.

Falta de créditos de financiación

j.

Falta de apoyo del Gobierno en el sector Agrario

k. Situación económica difícil.

3.2 Duración

El arranque del biodigestor se debe realizar después de efectuar la prueba de presión con el fin de verificar la no existencia de fugas en la cúpula. La planta se llena con agua inoculando estiércol vacuno preferiblemente.

La operación de los biodigestores, implica realizar las siguientes labores:

16

a. Cargar la planta continuamente, mezclando el material para homogenizarlo antes de introducirlo a la planta. b. Revisar las trampas de agua y las llaves de paso. c. Cambiar el material del filtro que remueve el H2S d. Revisar las compuertas que separan las aguas lluvias de las aguas residuales. e. Quemar el gas producido evitando así malos olores. f.

Controlar escapes de gas.

3.3 Principales biodigestores existentes

Uno de los principales problemas en el tratamiento directo de desperdicios orgánicos por medio de un proceso anaeróbico es el de retornar la cantidad suficiente de lodos activados dentro de un biodigestor, ya que se supone que la retención de las bacterias metagénicas depende de que estos microorganismos se adhieran a la superficie de partículas existentes dentro del medio.

Por lo que, la densidad de población de los organismos está relacionada con la retención de sólidos y por ello, organismos de menor velocidad de reproducción requieren un mayor tiempo de residencia de lo sólidos. Por lo tanto, para este proceso los biodigestores pueden clasificarse según el modo de operación en los tipos que se describen a continuación:

3.3.1 De lote o batch

Se cargan de una vez en forma total o por intervalos durante varios días, y la descarga se efectúa cuando han dejado de producir gas combustible. Es aplicable cuando se presenten problemas de manejo o cuando la materia orgánica está disponible de forma intermitente.

3.3.2 De régimen semi-continuo

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Este tipo de digestor es más utilizado en la zona rural, cuando se trata de sistemas de uso doméstico. Se cargan por gravedad una vez al día con volúmenes de mezcla que depende del tiempo de fermentación. Producen una cantidad de gas constante al día.

3.3.3 De régimen continuo

Este tipo de digestor se desarrolló principalmente para el tratamiento de aguas negras y en la actualidad su uso se ha extendido al manejo de otros sustratos. Son plantas de gran tamaño en las que se emplean equipos comerciales para alimentarlos, proporcionarles agitación y control. Por estas razones son grandes consumidoras de energía.

3.3.4 Horizontales de desplazamiento

Se caracterizan porque la carga se introduce en un extremo y el efluente se retira en otro. Generalmente se construyen bajo tierra para proporcionarle aislamiento térmico natural y caso perfecto. Minimiza el trabajo de carga y logra una producción casi constante de gas.

18

Figura 3.1 Partes de que consta un biodigestor

19

3.4 Tipos de biodigestores

3.4.1 Campana Flotante

De campana flotante o tipo hindú, que es el más popular en ese país donde varias instituciones hasta 1985 han construído diferentes tipos de estas plantas resultando en la instalación de más de 460 000 unidades. Aunque una parte fueron construídas con ladrillos, cemento y acero para la campana que flota sobre el residual del digestor que es donde se almacena el biogás, más tarde se desarrolló la tecnología KVIC con campana de diversos materiales como: ferrocemento, fibra de vidrio, de polietileno de alta densidad, de PVC, de láminas rígidas de PVC y hasta de cemento y bambú. Esta variante se construye de forma vertical u horizontal y en cuanto a su uso social y volumen pueden ser individuales o comunales. Se compone de un digestor sostenido en mampostería y un depósito de gas móvil en forma de campana, que puede flotar directamente en la masa de fermentación o en un anillo de agua, suministrando una presión constante de gas. Su manejo es fácil pero la campana además de tener un costo alto, está expuesta a la intemperie y por lo tanto sujeta a la corrosión requiriendo de un mantenimiento periódico.

La ubicación de este biodigestor es sobre el nivel del suelo y puede adaptarse a todo tipo de clima y a cualquier condición topográfica del terreno.

20

Figura 3.2 Biodigestor de Campana Flotante

21

3.4.2 Planta con Cúpula Fija

De tipo chino o de cúpula fija. Alrededor de 7 millones de plantas han sido construídas en China, las cuales son fabricadas de distintas formas y capacidades, y con diferentes materiales, pero tienen un diseño básico en el que el biogás es colectado en una cúpula fija. En Tailandia se ha diseñado este tipo de biodigestor pero con anillos de bambú, mientras los coreanos desarrollaron uno de bajo costo que consiste en un tanque de ladrillos y cemento cubierto con lona de PVC. Se compone de un digestor construido en mampostería y un domo fijo e inmóvil, completamente cerrado donde se almacena el biogás. Durante la producción de biogás, la masa de fermentación es desplazada hacia el tanque de compensación y cuando se extrae el gas, el líquido vuelve al biodigestor, por ello la presión del gas es variable. Con las constantes oscilaciones de la masa de fermentación en la parte superior de la cúpula se evita la formación de la capa flotante. Tiene una larga vida útil, no posee partes móviles y/o metálicas que puedan oxidarse.

Es de operación semi continua y reúne las siguientes características de diseño:

a. No tiene partes móviles. b. Sección circular, eje vertical: paredes cilíndricas. c. Achatado: relación altura/ diámetro pequeña. d. Techo y fondo dómicos: sectores esféricos. e. Construcción bajo el nivel del suelo. f.

Cámaras de entrada y salida laterales, diametralmente opuestas.

g. Tapa removible en la parte superior del domo, perforada con el tubo de salida de gas. Puede ser construido con capacidades diversas, que depende de la demanda del biogás y fertilizante requerido, así como de los desechos orgánicos disponibles. Es particularmente adaptado a tamaños familiares (6, 8, 10 ó 12 m3 de volumen interno), aunque logran gran aceptación hasta tamaños de uso comunal (50, 100 y 200 m3 de volumen interno).

22

Figura 3.3 Biodigestor con cúpula fija

23

3.4.3 Planta Balón

Del tipo tubular o de "plug flow" hechos de goma, polietileno o Red-Mud-Plástic (RMP). Este último material fue desarrollado por primera vez en Taiwán y después en China donde ha demostrado sus excelentes cualidades para ser usado en biodigestores. Este material, producido en forma laminar, es una mezcla de lodos rojos residuales de la extracción de la bauxita y contiene PVC, plasticador, estabilizador y otros ingredientes. Al principio los digestores de RMP se hacían tubulares. Más tarde se construyeron en forma de tiendas de campaña. También de esta forma se han construído biodigestores en Nepal, pero de PVC .

También, han sido bie n recibidos por los campesinos pobres en Vietnam para producir combustible limpio y reemplazar la leña. En tres años se instalaron en Vietnam más de 800 digestores de polietileno, en su mayoría pagados por los propios campesinos.

El biodigestor está compuesto de una bolsa plástica de polietileno o de PVC completamente sellada. Es un material de bajo costo en su construcción y de fácil transporte e instalación, puede construirse en forma horizontal y por ello es favorable para zonas donde el nivel freático es alto. Tiene la desventaja de que su vida útil es corta (3-8 años) dependiendo de la clase de material que se escoja y las presiones son bajas. El material debe protegerse de los rayos solares para evitar su rápido deterioro.

24

Figura 3.4 Biodigestor Tipo Balón

25

3.4.4 Desplazamiento horizontal

Este tipo de biodigestor se caracteriza porque la carga se introduce en un extremo y el efluente se retira en otro extremo y es una construcción horizontal de desplazamiento, cuyo cuerpo se enc uentra bajo el suelo con la finalidad de proporcionarle un buen aislamiento térmico. Tiene un almacenamiento primario de gas dentro del digestor (gasómetro incorporado). Su geometría y forma de operación han sido diseñadas para asegurar su funcionamiento continuo. La entrada de mezcla está en la parte inferior del digestor y la descarga podrá efectuarse por el tubo de descarga o por el rebosadero hacia la pileta de descarga. Es un biodigestor pequeño (menor de 10 m3), el mismo que se localiza cercano al establo o fuente de materia prima, así como también cerca del lugar de utilización del gas y del fertilizante.

La construcción del biodigestor puede ser realizada con diferentes materiales, los cuales deberán seleccionarse de acuerdo a la posibilidad económica para realizar la inversión inicial y para trabajar dentro de las normas de seguimiento establecidas. En lo posible, se debe tratar de utilizar los materiales de construcción que se encuentran en el lugar de utilización del biodigestor y se recomienda utilizar las técnicas convencionales del concreto o del ferrocemento para prestar mayores facilidades de construcción.

26

Figura 3.5 Biodigestor de Desplazamiento Horizontal

27

3.4.5 Tipo familiar

Consiste en una cantera de forma rectangular, horizontal, bajo el nivel del suelo, con gasómetro separado. Su carga se realiza por un extremo y la descarga de líquidos efluentes y lodos digeridos por el extremo opuesto. Las salidas en este extremo son cuatro: biogás, espuma y nata sobrenadante, bioabono líquido y bioabono semilíquido en forma de lodo. El gasómetro en campana construido en lámina galvanizada calibre 26, con protección de pintura anticorrosiva y tubería de interconexión de polietileno, siendo preferible un gasómetro de mayor tamaño para evitar exceso de presión entre el digestor por acumulación de gas. Por su operación la carga podrá ser continua o semicontinua, dependiendo de la cantidad de materia prima disponible. La localización más adecuada podrá ser cercana a la fuente de materia prima, de preferencia bajo el lecho de los animales aportantes. La topografía del terreno puede ser cualquiera en razón de las condiciones de la obra. Para su construcción puede usarse cualquier clase de material, pero se recomienda el ferrocemento por su bajo costo, así como el uso de materiales locales de construcción, tales como tierra compactada, ladrillo, piedra o ferroconcreto.

28

Figura 3.6 Biodigestor Tipo Familiar

29

3.4.6 Tipo individual

Estos biodigestores tienen forma cilíndrica, eje vertical, con altura preferentemente igual al diámetro. La ubicación de la entrada y salida está sobre el nivel del suelo apoyado sobre una base y la cámara de fermentación debe ir preferentemente bajo el nivel del suelo, cuyo fin es el de aislarle de los cambios térmicos del suelo. La carga se hace por la parte superior del digestor. La descarga del líquido se efectúa por un tubo de drenaje colocado en l parte lateral inferior del biodigestor. La descarga de sólidos se hace tanto por la tapadera de inspección, como por unja compuerta lateral prevista para este fin, considerándose una capacidad adecuada para sus fines de hasta 5 m3 .

30

Figura 3.7 Biodigestor Tipo Individual

31

3.4.7 Completamente mezclados

A diferencia de lo s anteriores estos sistemas requieren menores tiempos de retención (10 a 30 días). Son aplicados a residuos con alto porcentaje de sólidos totales, a fin de lograr un mayor contacto entre la biomasa microbiana y el sustrato en cuestión.

En la actualidad, para garantizar la mezcla en el interior del reactor se emplean diversos sistemas tales como: sistema de paletas internas, los digestores con movimiento circular a través de un eje central, y por medio del retorno del propio biogás a presión.

El tiempo de mezclado varía en dependencia de la complejidad del sustrato empleado, regulándose en cada caso a fin de controlar la velocidad global del proceso (Rojas, 1995).

La principal desventaja de estos reactores la constituyen las bajas velocidades de carga con que pueden ser operados y los relativamente altos tiempos de retención requeridos, unido a la complejidad del sistema de mezclado, sobre todo en su construcción y mantenimiento.

3.4.8 De dos etapas Existen múltiples combinaciones de digestores de dos etapas. La concepción de estos sistemas está basada en el hecho de que varios grupos de bacterias involucradas en el proceso de descomposición de la materia orgánica compleja requieren de diferentes condiciones de pH y tiempo de retención para su crecimiento óptimo.

En estos sistemas, en el primer reactor ocurre la hidrólisis y acidogénesis de la materia orgánica compleja, mientras que en el segundo se lleva a cabo la acetogénesis y metanogénesis del material acidificado .

Las variantes estudiadas de estos sistemas de doble etapa presentan como desventaja largos tiempos de retención hidráulicos requeridos en la primera fase del tratamiento y las bajas eficiencias de conversión reportadas.

Aún con la aplicación de reactores de alta tasa en la segunda etapa, la velocidad de conversión total y la eficiencia global es determinada por la etapa de la hidrólisis y

32

acidificación, por lo que cualquier estudio en cuanto al mejoramiento de la velocidad de esta primera etapa sería de gran importancia a los efectos económicos de esta variante.

3.4.9 De digestión anaerobia seca Este tipo de digestión es en la que tiene lugar el proceso de degradación de residuos orgánicos con concentraciones de sólidos totales del orden del 20% o superiores. Las principales ventajas de este sistema comparado con los procesos de digestión de lodos anteriormente citados son los siguientes: 1. Bajos consumos de agua. Solamente se requiere una mínima cantidad de agua para llevar a cabo el proceso. 2. El volumen del reactor es relativamente pequeño, debido a la alta densidad de materia orgánica con que es operado 3. Los requerimientos energéticos, con el fin de mantener una temperatura controlada el sistema son bajos (producción endógena).

3.5 Producción de biogás

El biogás es producido por las bacterias durante la digestión o fermentación de la materia orgánica bajo la condición de exclusión del aire (proceso anaerobio) y es un combustible más confiable si el contenido de metano es más del 50 % .

De forma general, al biogás se ha definido como la mezcla de gases cuya composición varía de acuerdo a los detalles de su producción. La composición del biogás procedente de la digestión anaerobia de los excrementos de animales se muestra en el siguiente cuadro:

CUADRO 3.1 COMPOSICIÓN QUÍM ICA DEL BIOGAS COMPONENTE DEMANDA QUIMICA % APROXIMADO Metano

CH4

60 – 70

33

Gas carbónico

CO2

30 – 40

Hidrógeno

H2

1

Nitrógeno

N2

0,5

Monóxido de carbono

CO

0,1

Oxígeno

O2

0,1

H2 S

0,1

Acido sulfúrico

Fuente: Difusión de la tecnología de biogás en Colombia. Documentación de Proyecto Cali, 1987.

Entre sus propiedades físicas más notorias se encuentra su capacidad de quemarse casi sin olores, con llama azul. El componente combustible del biogás es el metano, que es un gas no tóxico, que posee un olor suave y desagradable. A continuación se muestra las características de los gases combustibles:

CUADRO 3.2 CARACTERÍSTICAS DE LOS GASES COMBUSTIBLES Gas

Componentes Composición

Densidad relativa Kg/m3 0,554 1,560 2,077 0,384

Velocidad de llama

100 100 100 65, 35

Poder calorífico KWh/m3 9,94 25,96 34,02 7,52

43 57 45 60

Demanda de aire M2 /m3 9,5 23,8 30,9 7,0

50, 26

4,07

0,411

82

3,7

60,40

5,98

0,940

40

5,7

% Metano CH4 Propano C 3 H8 Butano C 4 H10 Gas CH4 , H2 natural Gas de CH4 , H2 , N 2 ciudad Biogás CH4 , CO 2

Fuente: Difusión de la tecnología de biogás en Colombia. Documentación de Proyecto Cali, 1987.

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3.5.1 Principales usos del biogás Hesse (1983) mencionado por Sosa (2000) ha indicado que un metro cúbico de biogás totalmente combustionado es suficie nte para: generar 1.25 kwh de electricidad, generar 6 horas de luz equivalente a un bombillo de 60 watt, poner a funcionar un refrigerador de 1 m3 de capacidad durante una hora, o hacer funcionar una incubadora de 1 m3 de capacidad 30 minutos o hacer func ionar un motor de 1 HP durante 2 horas.

CUADRO 3.3 UTILIZACIÓN Y CONSUMO DE BIOGAS EQUIPO CONSUMO DE BIOGAS l/h Estufas domésticas 150 – 200 Estufa industrial 300 Lámpara de gas equivalente a una bombilla de 60 W 100 Calentadores para cría de cerdos 250 Calentadores para cría de pollos 150 Producción de 1 Kwh de corriente eléctrica con una mezcla 700 biogás – diesel Fuente: Difusión de la tecnología de biogás en Colombia. Documentación de Proyecto Cali, 1987.

3.5.2 Purificación del biogás

En la práctica la purificación del biogás es la remoción del dióxido de carbono o el sulfuro de hidrógeno o ambos. El dióxido de carbono es eliminado para aumentar el valor como combustible del biogás. El sulfuro de hidrógeno se elimina para disminuir el efecto de corrosión sobre los metales que están en contacto con el biogás.

3.6 Uso del efluente de los biodigestores Otro producto, quizá el más importante desde el punto de vista económico, es el afluente del biodigestor. Su uso

ha sido probado en

varios países y en diferentes cultivos,

35

reportando incrementos en las cosechas y mejoramientos en las propiedades del suelo a diferencia de los fertilizantes químicos que reducen la productividad de la tierra . También se utiliza para la acuicultura y se investiga en la alimentación de cerdos como suplemento .

En la tabla siguiente se expresa la concentración de nutrientes encontrados en efluentes de biodigestores con distintos tipos de excretas: CUADRO 3.4

CONCENTRACIÓN DE NUTRIENTES (EN % DE SOLIDOS TOTALES) ENCONTRADOS EN EFLUENTES DE BIODIGESTORES CON DISTINTOS TIPOS DE EXCRETAS Tipo de NRAG P2O5 K2O5 CaO MgO Excretas Vacuna 2.3 - 4.7 0.9 – 2.1 4.2 – 7.6 1.0 – 4.2 0.6 – 1.1 Porcina 4.1 – 8.4 2.6 – 6.9 1.6 – 5.1 2.5 – 5.7 0.8 – 1.1 Avícola 4.3 – 9.5 2.8 – 8.1 2.1 – 5.3 7.3 – 13.2 1.1 – 1.6 Fuente: Sosa, Roberto. Tratamiento y uso de recursos producidos con excretas porcinas. Instituto de investigaciones porcinas. Cuba, 2000.

A continuación, en los Cuadros 3.5, 3.6 y 3.7 se muestran los resultados de estudios del uso de efluentes de biodigestores en cultivos, plantas acuáticas y producción de peces.

CUADRO 3.5

EFECTO DEL USO DE EFLUENTES DE BIODIGESTORES SOBRE EL RENDIMIENTO EN LAS COSECHAS DE VARIOS CULTIVOS Cantidad de Rendimiento Rendimiento Incremento de Cultivo efluente con efluente con residual la cosecha % del (m3 /ha) (kg/ha) líquido (kg/ha) (kg/ha) incremento Boniato 17 24 000 21 500 2 500 12 Arroz 15 6 500 6 000 500 8 Maíz 22.5 5 000 4 600 400 9 Algodón 22.5 1 300 1 200 100 8 Fuente: Sosa, Roberto. Tratamiento y uso de recursos producidos con excretas porcinas. Instituto de investigaciones porcinas. Cuba, 2000.

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CUADRO 3.6 PRODUCCIÓN DE PLANTAS ACUATICAS EN ESTANQUES CUBANOS FERTILIZADOS CON AGUAS RESIDUALES Rendimiento (t/ha/año) Lemna Azolla Jacinto de agua Materia fresca 307 569 2190 Materia seca 18.4 34.2 131.4 Nitrógeno 5.9 9.6 23.7 Fuente: Sosa, Roberto. Tratamiento y uso de recursos producidos con excretas porcinas. Instituto de investigaciones porcinas. Cuba, 2000.

CUADRO 3.7 PRODUCCIÓN DE PECES EN LAGUNAS FERTILIZADAS CON AGUAS RESIDUALES Producción

País

(t/ha/año) 15

China

6.8-7.8

Tailandia

1.0

Malasia

15

Hungría

10

Tailandia

Fuente: Sosa, Roberto. Tratamiento y uso de recursos producidos con excretas porcinas. Instituto de investigaciones porcinas. Cuba, 2000.

3.7 El bioabono

Durante el proceso de digestión anaeróbica solamente se remueven los gases los gases generados, los cuales representan entre el 35 – 50% de la biomasa original.

También la viscosidad de la mezcla de excrementos disminuye significativamente, porque la cantidad de sólidos volátiles es reducida en un 50% durante la estabilización en el proceso de

37

fermentación, y por la hidrólisis de muchos constituyentes orgánicos.. por lo que al dar un tiempo de retención suficiente, casi todas las sustancias olorosas son completamente digeridas y entonces el efluente es mucho menos oloroso que el excremento fresco, no atrae vectores ni otros animales indeseables.

La importancia de la utilización del bioabono está relacionada con la cantidad de otros abonos convencionales que se puede ahorrar son detrimento de la producción, de los mejores rendimientos frente a los alcanzados con otros abonos; o el caso que no se acostumbre a usarlos, con el incremento de la producción al compararla con los suelos no abonados. Para poder aplicar el bioabono a los suelos en el momento fitofisiológicamente más ventajosos, se deberá almacenar durante cierto período de tiempo para evitar grandes pérdid as en el contenido de nitrógeno. El tipo de almacenamiento está muy relacionado con la calidad última del bioabono.

También se pueden causar ciertos daños ecológicos por la aplicación de excesivas cantidades de bioabono o durante tiempo inoportuno cuando la capacidad asimilativa de las plantas está disminuida. El arrastre de nitrógeno puede causar sobrefertilización en las aguas superficiales y/o subterráneas.

3.7.1. Compostaje Por este procedimiento se puede también biodegradar los remanentes hay dos formas compost y vermicompost. El primero sé la descomposición en una pila donde se alterna capas de 5 a 10 cm de material vegetal y animal se aplica agua y luego se compacta hasta lograr una pila de 1 m esta proceso dependiendo las condiciones ambientales puede tardas de 1 a 3 meses. Se debe tener encuentra estar volteando la pila y aplicarle agua. La Composición varia de acuerdo a los materiales originales, es necesario hacer análisis antes de aplicarlo para poder saber las cantidades que necesitan los difer entes cultivos. Por lo general los volúmenes a aplicar son bastantes altos. Las concentraciones de los elementos son en términos promedios menores a un 5 %.

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La utilización de la lombriz de tierra es otra forma de degradar a los remanentes este proceso puede reducir en un 50 % el tiempo necesario para obtener el vermicompost la lombriz utilizada es la eisenia foetida o comúnmente llamada lombriz roja, para ello se deben poner alrededor de 40 individuos por metro cuadrado de diferentes edades. El material debe estar en una adecuado nivel de humedad y protegido del sol. Antes de ser aplicado se debe tener el cuidado de eliminar las lombrices. También se recomienda hacer el análisis del Compost para determinar las dosis a aplicar.

3.8 Separador de sòlidos El equipo separador de sólidos Agroall, que se colocará próximamente en la granja porcina, aparece en el mercado para dar soluciones efectivas a los porcicultores en cuanto al tratamiento, manejo y control de sus efluentes porcinos. Con este equipo, además de obtener muchas ventajas colaterales, se consiguen fundamentalmente 4 objetivos: 1. Recuperación de sólidos valiosos. 2. Obtención de escurrimientos más limpios. 3. Reducción de olores desagradables. 4. Disminución del impacto ambiental. El equipo separador de sólid os Agroall ofrece un diseño novedoso con un mecanismo autónomo y efectivo con acero inoxidable en todas sus partes funcionales y con requerimientos de instalación muy sencillos.

Los porcicultores aprovechan los sólidos de forma inmediata como recurso alimenticio para bovinos y resuelven los problemas de orden ambiental que también son directa o indirectamente económicos.

Posee las siguientes características:

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•

Bajos costos en su operación, mantenimiento y consumo de energía.

•

Mayor eficiencia en los trabajos de limpieza en las porquerizas.

•

Recuperación del grano predigerido.

•

Menor contaminación en las lagunas de descarga

•

Se instala con una bomba para lodos de 1.5 H.P. 2" desc.

•

Capacidad de tratamiento de 5 y 10 litros por segundo de acuerdo al modelo.

•

Fabricada en acero inoxidable, montada en una estructura de acero al carbón, funciona con motor de 3 H.P.

•

No requiere se supervisión alguna para realizar su trabajo.

•

Estos equipos recuperan aproximadamente el 30% del alimento que se da a los cerdos (varía según el tipo de alimento).

•

La cerdaza puede ser utilizada como forraje para bovinos.

3.8.1 Datos técnicos 1. Demanda química de oxígeno (D.Q.O.) Se reporta una reducción del 53%, de 19,681 mg/l a 9327 mg/l aprox. 2. Sólidos solubles Totales (S.S.T.) Se reporta una reducción del 72%, de 21,000 mg/l a 5,579 mg/l aprox. 3. Sólidos Sedimentables (S.S.) Se reporta una reducción del 83%, de 625 mg/l a 105 mg/l aprox. 4. Porcentaje de humedad 30 a 34 % de humedad aprox.

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Fig.3.8 Separador de sólidos tipo Agroall

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CAPITULO 4

METODOLOGIA

4.1 Metodología

En la página siguiente se encontrará un flujograma con las actividades a desarrollar para la realización de este estudio. Como puede observarse se inicia con la aprobación del protocolo por parte del catedrático asesor y del Coordinador de Estudio Especial de la Escuela Regional de Ingeniería Sanitaria y Recursos Hidráulicos (ERIS)

4.1.1 Búsqueda de información

Para la búsqueda de información tanto del funcionamiento de las granjas de cerdos, así como de las características de estos animales con respecto a la cría y engorde, así como los diversos tipos de biodigestores existentes se estudió todo tipo de literatura al respecto, la cual puede observarse en la bibliografía. También se utilizó el internet, donde se consultaron varias páginas “web” de instituciones y organizaciones dedicadas a la investigación de sistemas de tratamiento para las granjas porcinas.

Luego de la investigación bibliográfica y en internet se procedió a la elaboración del marco teórico que respaldará toda la parte práctica que se describirá a lo largo de este capítulo.

4.1.2 Medición de caudales y caracterizaciones preliminares de las aguas residuales

Una vez obtenido el permiso por parte de las autoridades de la Escuela de Medicina Veterinaria y Zootecnia para la realización de la investigación en la granja a su cargo se

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FLUJOGRAMA DE ACTIVIDADES A DESARROLLAR Estudio Especial DISEÑO Y OPERACION DE UN MODELO PARA EL TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES PROVENIENTES DE LA GRANJA PORCINA DE LA FACULTAD DE MEDICINA VETERINARIA Y ZOOTECNIA DE LA USAC Protocolo de investigacion aprobado

Busqueda de Informacion para Diseño Biodigestores y marco teorico

Solicitar Permiso para construccion de modelo experimental en los predios de Veterinaria

Informacion para Marco Teorico Granjas Porcinas

Busqueda de Informacion para Diseño del Biodigestores

Elaboracion de Procedimientos de investigacion

Caracterizacion de las Aguas residuales Salientes en la Granja

Elaborar calendario de muestreo, definir analisis a realizar

Analisis e interpretacion de los resultados obtenidos en el muestreo preliminar Seleccion del Sitio Para la Construccion del Modelo Experimental

Elaboracion del Diseño del modelo experimental del biodigestor para la Granja Porcina de USAC

Contratacion y Construccion del modelo de investigacion en el sitio seleccionado

Siembre de lodos y espera del periodo de maduracion de la masa biologica

Caracterizacion Fisico-Quimica del Agua Entrante y Saliente Del modelo Experimental Tabulacion de de los Resultados Interpretacion de datos

Elaboracion de Manual de Operacion y mantenimiento del Digestor Propuesto

Diseño del Biodigestor con base en los resultados obtenidos del modelo experimental

Revision del Documento Final

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procedió a evaluar la forma cómo se realiza el lavado de la misma y durante seis días se midieron los caudales de lavado utilizando un método gravimétrico, o sea determinando el volumen de agua gastado en el periodo de lavado.

Se ubicaron los recolectores de las aguas residuales y luego se realizó la caracterización físico química de dichas aguas para elegir la ubicación del modelo del biodigestor. Las pruebas que se realizaron fueron las siguientes: temperatura, potencial de hidrógeno pH, oxígeno disuelto OD, demanda bioquímica de oxígeno DBO 5 con los métodos Winkleman y con el Oxitop, demanda química de oxígeno DQO, Sólidos totales, sólidos volátiles, sólidos suspendidos, sólidos disueltos y sólidos sedimentables. También se determinaron los nutrientes: nitritos, nitratos y fosfatos, utilizando el método Spands.

4.1.3 Diseño y construcción del modelo

Con los datos obtenidos en la caracterización del agua residual preliminar se diseñó el modelo del biodigestor y luego se dio a construir a un maestro de obras. Una vez en obra gris se procedió a realizar pruebas de infiltración e hidráulicas.

4.1.4 Funcionamiento del modelo

Una vez construido se inoculó con lodos activados provenientes de la Planta de Tratamiento de la USAC, se selló y se le dio un periodo de maduración de 25 días. Pasado ese tiempo se abrió la llave de ingreso de las aguas residuales y la de salida del biodigestor y 24 horas después se hizo el primer muestreo, tanto a la entrada como a la salida.

43

4.1.5 Caracterización físico química de las aguas residuales

El modelo fue evaluado por espacio de un mes, tiempo en el que se tomaron 10 muestras tanto a la entrada como a la salida. Las muestras fueron tomadas en recipientes de plástico con capacidad para 3,75 l y transportadas al laboratorio sin refrigeración, no obstante entre la toma de muestras y el inicio de los análisis de laboratorio no transcurre más de una hora.

Las pruebas realizadas fueron: temperatura, potencial de hidrógeno pH, demanda bioquímica de oxígeno DBO 5 con el método del Oxitop, demanda química de oxígeno DQO, sólidos totales, sólidos disueltos y sólidos sedimentables. También se determinaron los nutrientes: nitritos, nitratos y fosfatos, utilizando el método Spands.

4.1.6 Diseño final del biodigestor

Con los resultados obtenidos en la caracterización físico química de las muestras recolectadas, se procedió a hacer el diseño final del biodigestor, además de definir los principales puntos de la operación y mantenimiento del sistema propuesto. Finalmente se hace un presupuesto global de la obra.

Con todo lo anterior se procedió a elaborar el presente documento.

Toda la metodología anterior se hizo en la granja de la Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia de la Universidad de San Carlos de Guatemala, de la que se dan las principales características en los siguientes apartados.

4.2 Descripción de la granja porcina

La granja porcina se ubica en la parte sur de la Universidad de San Carlos de Guatemala y pertenece a la Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia.

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La granja fue diseñada por personal del Departamento de Mantenimiento de la Universidad y construida por el señor Emilio Samayoa, no fue posible localizar planos de dichas instalaciones. La granja funciona desde hace aproximadamente 20 años y en ella se realiza todo el proceso normal de una granja dedicada principalmente a la reproducción de cerdos. Donde los machos son comercializados y las hembras conservadas en la granja y preparadas para ser futuras madres. En dicha granja los estudiantes realizan todo tipo de prácticas veterinarias y de otras áreas.

4.2.1 Instalaciones La granja cuenta con un área total de 797 m2 y tiene una capacidad para albergar 250 cerdos en corrales grupales o individuales, no obstante según información brindada por el Lic. Edgar García Pimentel, jefe de la granja, la población promedio asciende a 180 cerdos.

La granja se divide en varias secciones donde los cerdos son colocados de acuerdo a la etapa en que se encuentran: gestación, maternidad, destete y futuras madres. Está construida con pisos de concreto y metal, paredes de concreto y cubierta de techos de láminas de hierro galvanizado clavadas en cerchas de madera. Del área toral, un 39,7% (316,6 m2 ) tiene como piso una losa de concreto, dicha zona de ahora en adelante será llamada zona A y el resto (478,4 m2 ) tiene como piso una rejilla de metal, que en adelante será llamada zona B. Para la medición de la granja se utilizó una cinta métrica de tela de 30 m de longitud. En la figura 4.1 pueden observarse las zonas A y B en que se divide la granja.

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CUADRO 4.1 AREA DE LA GRANJA Area total 797 m2 Area piso de concreto 316.6 m2 Area piso de rejillas 478.4 m2

4.1.2 El proceso de lavado

Previo al proceso de lavado el excremento es recogido con la ayuda de palas y escobas y es depositado en el lindero de la propiedad, lo cual pronto quedará sin efecto, ya que actualmente se construye un separador de sólidos, cuyas características se describieron en el apartado 3.8 de este trabajo. El lavado se hace con el agua proveniente de un pozo que es depositada en un tanque de concreto ubicado dentro de la granja que tiene un volumen de 3m3 . El agua es succionada por medio de una bomba eléctrica.

Es importante recalcar que el recogido de los sólidos es realizado por uno de los trabajadores de la granja con la ayuda de los estudiantes de primer ingreso. Tanto el trabajador como los estudiantes realizan estas tareas como parte de sus obligaciones, ya que el primero fue contratado para tal fin, mientras que los segundos deben realizarlo , ya que esta tarea forma parte de las prácticas de los cursos que llevan asignados, según se comprobó al conversar con ellos.

El agua de lavado proveniente de la zona A es conducida por medio de tubería y cunetas de concreto a una caja ubicada en la parte de atrás de la granja, de donde es conducida por medio de una tubería al barranco. No obstante existe incertidumbre si dichas aguas son conducidas a la planta de tratamiento de la Universidad, no obstante se recorrió toda la zona en compañía del señor Samayoa y del Lic. García y no se encontraron ind icios de esto.

46

El agua proveniente de la zona B cae de las rejillas a una losa de concreto y es conducida a un tanque ubicado en la parte de abajo de la granja, donde es almacenado y liberada cada 15 días, el tanque tiene un volumen de aproximadamente 20 m3 . La liberación se hace al girar 90° una tubería de PVC de 5”, que es llevada a una cuneta de concreto que conduce las aguas al barranco.

47

MODELO

27.40 PUNTO DE MUESTREO DE LA ZONA A

GESTACION

MATERNIDAD MATERNIDAD

GALPONES

GALPONES 24.79

GALPONES GALPONES GALPONES

PUNTO DE MUESTREO DE LA ZONA B

GALPONES

6.90

GALPONES

4.80

OFICINA

12.90

6,90

4,80

ZONA B ZONA A

Nota: Todas las medidas están dadas en metros. Fig. 4.1 Croquis de la granja porcina de la Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia de la USAC.

48

Fig. 4.2 Granja Porcina de la Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia de la USAC.

Fig. 4.3 Vista de uno de los corrales de la Zona A.

49

Fig. 4.4 Vista de los corrales individuales de la Zona B.

Fig. 4.5 Vista del tanque donde se almacena el agua de lavado de la granja.

50

51

Fig. 4.6 Bomba utilizada para el lavado de los corrales

Fig. 4.7 Caja de recolección de las aguas provenientes del lavado de la Zona B.

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Fig 4.8 Caja de recolección de las aguas provenientes de la Zona A.

Fig.4.9 Cunetas de recolección de las aguas de lavado de la Zona A.

54

Fig. 4.10 Codo de evacuación de las aguas de lavado de la Zona B, tarea que se realiza cada 15 días.

55

CAPITULO 5

DESARROLLO DEL MODELO

5.1 Cantidad de agua utilizada en el proceso de lavado

En el cuadro 5.1 se presentan los caudales de agua utilizada en el proceso de lavado de la granja para 6 días. CUADRO 5.1 GASTOS DE AGUA EN EL PROCESO DE LAVADO Caudal total Caudal Caudal punto Día (l/s) punto1(l/s) 2 (l/s) 4-Oct-02 0.20 0.10 0.20 7-Oct-02 0.35 0.37 0.34 8-Oct-02 0.27 0.41 0.23 9-Oct-02 0.35 0.36 0.38 10-Oct-02 0.34 0.25 0.46 11-Oct-02 0.12 0.07 0.16 Promedio 0.29 0.27 0.29 Fuente: Los datos fueron tomados midiendo el volumen de agua gastado durante el lavado.

5.2 Caracterización físico química del agua residual para el diseño del modelo

Para analizar las características del agua residual proveniente de la granja porcina, se efectuaron un total de dos muestreos para la Zona A y uno para la Zona B, para así proceder al diseño del modelo a evaluar. El diseño del modelo puede observarse en los anexos.

Para la Zona A el punto de muestreo se ubicó a la salida de la caja de registro final que recolecta la totalidad del agua residual, para la Zona B el punto de muestreo se ubicó a la salida del codo de 90°, descrito en el capítulo anterior.

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Los resultados pueden observarse en los cuadros siguientes:

CUADRO 5.2 CARACTERIZACION FISICO QUIMICA DEL AGUA CRUDA EN EL PUNTO A Parámetro Unidad Valor Valor Fecha 10-Oct-02 29-Oct-02 Temperatura °C 19.5 20 pH 8.074 7.017 OD mg/l 0.4 0.6 DBO (Winkleman) mg/l 1440 DBO (Oxitop) mg/l 1028 5904 DQO mg/l 2560 9280 Relación DBO/DQO 0.563 0.636 Sólidos totales mg/l 2643 5145 Sólidos volátiles mg/l 533 2645 Sólidos suspendidos mg/l 2110 2500 Sólidos disueltos mg/l 2222 Sólidos sedimentables ml/l/h 18 33 Nitritos mg/l 13.86 3.21 Nitratos mg/l 44 140 Fosfatos mg/l 96 220

CUADRO 5.3 CARACTERIZACION FISICO QUIMICA DEL AGUA CRUDA EN EL PUNTO B Parámetro Unidad Valor Temperatura °C 18 pH 6.579 OD mg/l 0.5 DBO mg/l 2140 DQO mg/l 3720 Relación DBO/DQO 0.575 Sólidos totales mg/l 2592 Sólidos volátiles mg/l 2052 Sólidos suspendidos mg/l 540 Sólidos disueltos mg/l 1420 Nitritos mg/l 0.248 Nitratos mg/l 110 Fosfatos mg/l 236

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El análisis de las muestras fue realizado en el laboratorio de Química y Microbiología Sanitaria de la Univ ersidad de San Carlos de Guatemala.

Como puede observarse de los dos cuadros anteriores la relación DBO/DQO está alrededor de 0,6; lo que indica que el agua residual es tratable biológicamente, además el pH se encuentra en el rango óptimo, según se describe en el anexo A. Dichas muestras cuentan también con nutrientes, que ayudarán el proceso de digestión anaeróbica.

Para la construcción del modelo se escogió la salida del agua residual de la Zona A (ver figura 4.19), ya que en dicho punto el agua discurre diariamente y no ocurre como en la salida del agua residual de la Zona B, punto en el que el agua se libera cada 15 días, según lo explicado en el capítulo anterior.

5.3 Diseño del modelo del biodigestor

Para el diseño del modelo del biodigestor se hizo primero el diseño total, para lo cual se utilizaron los datos obtenidos en el laboratorio producto del análisis de las aguas residuales provenientes de dicha granja, con los datos del cuadro 5.2.

5.3.1 Tanque de homogenización Para el cálculo se utilizaron los datos obtenidos en las pruebas de laboratorio: Sólidos Totales : 5145 mg/l (FR) Caudal Total : 0,27 l/s Caudal en el punto A : 0,26 mg/l (Q) Factor de retorno : 0,85 (FR) La cantidad de sólidos (CS) se obtiene de la ecuación 1: CS = Q * FR * ST CS = 0,26 * 0,85 * 5145 CS = 1137 mg/s

(1)

Por lo tanto la cantidad de sólidos en kilogramos por día será de 98,24 kg/día

58

Utilizando una relación 1:3 se obtiene que la cantidad de agua (CA), y por medio de la ecuación 2 es de: CA = 3 * CS

(2)

Al sustituir el valor de CS en la ecuación 2 se tiene: CA = 3 * 98,24 CA = 294,72 kg/día Al sumar la cantidad de sólidos (CS) y la cantidad de agua (CA) se obtiene la biomasa de mezcla al utilizar la ecuación 3 y sustituir los valores: Biomasa = CS + CA (3) Biomasa = 98,24 + 294,72 Biomasa = 392,96 kg/día = 0,393 m3 /día La mezcla se tiene que hacer diariamente y se deben dejar 5 cm de borde arriba del nivel del suelo. Las medidas del tanque son las siguientes: Largo = 1,0 m Ancho = 1,5 m Alto = 1,0 m

5.3.2 Tanque de biodigestión Para obtener el volumen del tanque de biodigestión se consideraron los siguientes criterios: Volumen de biomasa diaria : 0,393 m3 /día Tiempo de retención : 25 días (Trb) (Para una temperatura de 20°C y según Metcalf Y Eddy) El volumen del tanque de biodigestión se calcula con la ecuación 4: Vb = Biomasa * Trb

(4)

Al sustituir los valores se tiene que: Vb = 0,393 * 25 Vb = 9,83 m3 = 10 m3

5.3.3 Biogás

59

Para el cálculo se utilizaron los datos obtenidos en las pruebas de laboratorio: DBO5 afluente = 5904 mg/l Eficiencia = 90% DBO5 efluente = 590,4 mg/l Por lo tanto para calcular el volumen de gas metano se utiliza la ecuación 5, y al sustituir los valores se tiene que: VC H = 0,3516 * (DBO5afl – DBO5efl ) * 1/1000 VCH = 0,3516 * (5904 – 590,4) * 1/1000 VC H = 1,87 m3

(5)

Como el gas metano representa aproxima damente el 75% del biogás entonces el volumen de biogás se obtiene por medio de la ecuación (6): V = VC H / 0,67 V = 1,87/ 0,67 = 2,79 m3

(6)

5.3.4 Diseño final del modelo 5.3.4.1 Tanque de biodigestión para un volumen de 0,5 m3 Si se desea un volumen de 0,5 m3 y un tiempo de retención de 25 días, al despejar Biomasa de la ecuación 4 se obtiene que: Biomasa = Vb/ Trb Biomasa = 0,5/ 25 = 0,02 m2/día = 20 kg/día De acuerdo con la relación 1:3 y la ecuación 2 se tiene que: CS = 5,0 kg/día CA = 15,0 kg/día Al sustituir todos los valores en la ecuación 1 y despejar para Q, se obtiene que: Q = CS/ (FR * ST) Q = 5,0/ (0,85 * 5145) = 0,013 l/s 5.3.4.2 Tanque de biodigestión para un volumen de 0,25 m3 : Si se desea un volumen de 0,25 m3 y un tiempo de retención de 25 días, al despejar Biomasa de la ecuación 4 se obtiene que: Biomasa = Vb/ Trb 60

Biomasa = 0,25/ 25 = 0,01 m2/día = 10 kg/día De acuerdo con la relación 1:3 y la ecuación 2 se tiene que: CS = 2,5 kg/día CA = 7,5 kg/día Al sustituir todos los valores en la ecuación 1 y despejar para Q, se obtiene que: Q = CS/ (FR * ST) Q = 2,5/ (0,85 * 5145) = 0,0066 l/s CUADRO 5.4 RESUMEN DEL DISEÑO DEL MODELO Biodigestor de 0,5 m3 Biodigestor de 0,25 m3 Largo = 1,0 m Largo = 0,8 m Alto = 1,0 m Alto = 0,8 m Ancho = 0,5 m Ancho = 0,4 m Tanque de homogenización de 0,02 Tanque de homogenización de 0,01 m3 m3 Largo = 0,3 m Largo = 0,25 m Alto = 0,3 m Alto = 0,25 m Ancho = 0,3 m Ancho = 0,25 m Caudal = 0,013 l/s Caudal = 0,007 l/s Se escogió para su construcción el modelo de 0,25 m3 por ser de menor volumen y por comodidad al momento de construirlo y operarlo. Se muestran fotografías del modelo: 5.4 Caracterización físico química del agua residual a la entrada y a la salida del biodigestor

Para analizar las características del agua residual a la entrada y a la salida del modelo del biodigestor, se efectuaron un total de 10 muestreos. Tanto para el Cuadro 5.5 como para el 5.6 se han resaltado los valores correspondientes para la concentración más baja , así como para la más alta, para el primer caso y para los valores de entrada; y el porcentaje de remoción más alto y el más bajo, para el segundo caso.

61

CUADRO 5.5 CARACTERIZACION FISICO QUIMICA DEL AGUA A LA ENTRADA Y A LA SALIDA DEL BIODIGESTOR Fecha

6 - Mar - 03 10 - Mar - 03 13 - Mar - 03 17 - Mar - 03 18 - Mar - 03 24 - Mar - 03 27 - Mar - 03 31 - Mar - 03 2 - Abr - 03 7 - Abr - 03

Temperatura de la Sólidos pH Sólidos totales Sólidos disueltos muestra sedimentables °C mg/l mg/l ml/l/hr Entrada Salida Entrada Salida Entrada Salida Entrada Salida Entrada Salida 18.0 19.0 7.773 7.022 6900 1145 2967 438 65 1.0 20.0 18.0 7.575 7.085 5718 750 1961 248 70 1.0 20.0 19.0 7.791 7.039 9379 975 3658 237 50 0.8 18.0 19.0 8.037 6.852 5787 643 2488 276 25 0.4 17.0 17.0 7.984 6.727 2586 721 1112 314 23 0.4 18.5 19.0 7.957 6.918 3403 590 1463 225 20 0.2 19.0 19.0 7.425 6.828 6969 415 2390 139 27 0.3 17.5 18.0 7.561 7.084 5815 534 1628 230 14 0.5 19.0 20.0 8.406 7.064 4200 448 1806 193 78 0.5 80 19.0 20.0 7.856 6.985 8210 355 3530 142 0.3

cont. CUADRO 5.5 CARACTERIZACION FISICO QUIMICA DEL AGUA A LA ENTRADA Y A LA SALIDA DEL BIODIGESTOR Fecha

6 - Mar - 03 10 - Mar - 03 13 - Mar - 03 17 - Mar - 03 18 - Mar - 03 24 - Mar - 03 27 - Mar - 03 31 - Mar - 03 2 - Abr - 03 7 - Abr - 03

DBO

DQO

Nitritos

Nitratos

Fosfatos

mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l Entrada Salida Entrada Salida Entrada Salida Entrada Salida Entrada Salida 4300 1140 7150 1876 0.125 0.116 50.3 8.85 22.0 43.0 4280 915 4830 2263 0 0.116 66.0 125.40 23.0 22.5 5535 1310 9140 1750 2.530 0.033 63.8 94.60 40.0 14.0 3026 825 4830 1274 0.003 0.030 19.8 8.80 125.5 15.5 3410 975 4930 1787 0.347 0 38.7 16.72 74.5 63.0 3800 750 6910 1250 1.927 0 127.6 125.84 280.0 255.0 4100 1135 5840 2074 0.182 0.152 129.4 38.28 119.0 147.0 3950 875 6000 1350 0.450 0.102 47.9 10.86 110.0 23.0 3280 893 5480 1237 0.776 0.118 67.2 8.99 78.0 19.0 3000 844 4800 1713 0.347 0.098 100.8 19.88 130.0 45.0

62

Fecha 6 - Mar - 03 10 - Mar - 03 13 - Mar - 03 17 - Mar - 03 18 - Mar - 03 24 - Mar - 03 27 - Mar - 03 31 - Mar - 03 2 - Abr - 03 7 - Abr - 03 PROMEDIO ( % )

CUADRO 5.6 EFICIENCIA DEL BIODIGESTOR Sólidos Sólidos Sólidos totales disueltos sedimentables (%) (%) (%) 83.4 85.2 98.5 86.9 87.4 98.6 89.6 93.5 98.4 88.9 88.9 98.4 72.1 71.8 98.3 82.7 84.6 99.0 94.0 94.2 98.9 90.8 85.9 96.4 89.3 89.3 99.4 95.7 96.0 99.6 87.3 87.7 98.5

DBO

DQO

(%) 73.5 78.6 76.3 72.7 71.4 80.3 72.3 77.8 72.8 71.9 74.8

(%) 73.8 53.1 80.9 73.6 63.8 81.9 64.5 77.5 77.4 64.3 71.1

En el cuadro 5.6 puede verse que la remoción de los sólidos disueltos y totales es de alrededor del 87% y para sólidos sedimentables es del 98,5%, mientras que los sólidos sedimentables son removidos en un 98,5%. La remoción de la DBO y la DQO superan el 70%.

En los gráficos siguientes puede verse el comportamiento de los diversos parámetros mostrados en el cuadro 5.5, tanto a la entrada como a la salida del modelo del biodigestor.

63

Entrada Entrada 7 - Abr 03

27 - Mar - 03

24 - Mar - 03

18 - Mar - 03

17 - Mar - 03

13 - Mar - 03

10 - Mar - 03

6 - Mar 03

7 - Abr 03

9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 2 - Abr 03

pH

2 - Abr 03

FIGURA 5.2 31 - Mar - 03

Salida

31 - Mar - 03

27 - Mar - 03

24 - Mar - 03

18 - Mar - 03

17 - Mar - 03

13 - Mar - 03

10 - Mar - 03

6 - Mar 03

pH Temperatura (°C)

FIGURA 5.1

TEMPERATURA

25

20

15

10

5

0

Salida

68

Entrada

Entrada

1500 1000 500 0 27 - Mar - 03

24 - Mar - 03

18 - Mar - 03

17 - Mar - 03

13 - Mar - 03

10 - Mar - 03

6 - Mar 03

7 - Abr 03

3000 2500 2000

7 - Abr 03

4000 3500 2 - Abr 03

SOLIDOS DISUELTOS

2 - Abr 03

FIGURA 5.4

31 - Mar - 03

Salida

31 - Mar - 03

27 - Mar - 03

24 - Mar - 03

18 - Mar - 03

17 - Mar - 03

13 - Mar - 03

10 - Mar - 03

6 - Mar 03

Sólidos disueltos (mg/l)

Sólidos totales (mg/l)

FIGURA 5.3

SOLIDOS TOTALES

10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0

Salida

69

Entrada

7 - Abr 03

2 - Abr 03

31 - Mar - 03

Entrada

27 - Mar - 03

24 - Mar - 03

18 - Mar - 03

17 - Mar - 03

13 - Mar - 03

10 - Mar - 03

Sólidos sedimentables (ml/l/hr)

7 - Abr 03

2 - Abr 03

31 - Mar - 03

27 - Mar - 03

24 - Mar - 03

18 - Mar - 03

17 - Mar - 03

13 - Mar - 03

10 - Mar - 03

6 - Mar 03

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

6 - Mar 03

DBO (mg/l)

FIGURA 5.5

SOLIDOS SEDIMENTABLES

Salida

FIGURA 5.6

DBO

6000

5000

4000

3000

2000

1000

0

Salida

70

Entrada

3

2.5

2

1.5

1

0.5

0 31 - Mar - 03

27 - Mar - 03

24 - Mar - 03

18 - Mar - 03

17 - Mar - 03

13 - Mar - 03

10 - Mar - 03

6 - Mar 03

7 - Abr 03

NITRITOS

7 - Abr 03

FIGURA 5.8

2 - Abr 03

Salida

2 - Abr 03

31 - Mar - 03

Entrada

27 - Mar - 03

24 - Mar - 03

18 - Mar - 03

17 - Mar - 03

13 - Mar - 03

10 - Mar - 03

6 - Mar 03

Nitritos (mg/l)

DQO (mg/l)

FIGURA 5.7

DQO

10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0

Salida

71

Entrada

7 - Abr 03

2 - Abr 03

31 - Mar - 03

Entrada

27 - Mar - 03

24 - Mar - 03

18 - Mar - 03

17 - Mar - 03

13 - Mar - 03

10 - Mar - 03

6 - Mar 03

Fosfatos (mg/l)

7 - Abr 03

2 - Abr 03

31 - Mar - 03

27 - Mar - 03

24 - Mar - 03

18 - Mar - 03

17 - Mar - 03

13 - Mar - 03

10 - Mar - 03

6 - Mar 03

Nitratos (mg/l)

FIGURA 5.9

NITRATOS

140

120

100

80

60

40

20

0

Salida

FIGURA 5.10

FOSFATOS

300

250

200

150

100

50

0

Salida

CAPITULO 6

72

DISEÑO DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO En las figuras 6.1 y 6.2 se pueden observar un esquema general de las unidades de tratamiento y su ubicación, respectivamente.

6.1 Tanque de homogenización En dicho tanque se hará la mezcla diaria necesaria del agua residual cruda, que servirá como insumo dl biodigestor. Para su diseño se considerarán dos formas: el diseño basado en las tablas existentes en la diversa literatura al respecto y el diseño utilizando las pruebas de laboratorio.

6.1.1 Diseño utilizando las tablas existentes La tabla siguiente muestra las proporciones teóricas de la mezcla estiércol agua para el proceso de fermentación:

CUADRO 6.1 PROPORCIONES DE MEZCLAS ESTIÉRCOL AGUA PARA FERMENTACIÓN Proporción de mezcla (estiércol – agua) Material líquido (Ma) (kg/d) 1:1 8,17% ST 1:2 5,45% ST 1:3 4,07% ST Fuente: Proyecto Cali. Difusión de la tecnología de biogás en Colombia. 1987.

En el cuadro 6.2 se presentan los datos teóricos para el diseño del tanque de homogenización:

CUADRO 6.2 DATOS TEÓRICOS PARA EL DISEÑO DEL TANQUE DE MEZCLA N° de Peso % de % material sólido % material sólido Horas de cerdos promedio estiércol total de orgánico de estabulación (NC) (PM) kg (%E) fermentación fermentación diarias (%MST) (%MSO) (HE)

73

250

45

2

16

12

24

Fuente: Proyecto Cali. Difusión de la tecnología de biogás en Colombia. 1987 y elaboración propia

Al tomar los criterios del cuadro 2.3 y los datos del cuadro anterior, con la ecuación siguiente se calcula la cantidad total de estiércol (TE) en kg/d: TE = NC * PM * %E * HE/24

(1)

Al sustituir los datos del cuadro 6.2 en la ecuación se tiene: TE = 250 * 45 * 0,02 * 24/ 24 = 225 kg/d Se utilizan las ecuaciones 2, 3 y 4 para calcular la cantidad de agua de mezcla (Ma): ST = TE * %MST

(2)

Al sustituir en la ecuación 2, la cantidad de estiércol total obtenido en la ecuación 1 y el %MST del cuadro 7.2, se obtienen los sólidos totales para la mezcla: ST = 225 * 0,16 = 36 kg/d Del cuadro 6.1 se obtiene que: Ma = 4,07% * ST

(3)

Al tomar la ecuación anterior y considerando que la masa de estiércol agua es igual a la masa de agua (Ma) más los sólidos totales (TE) se obtiene la siguiente relación: ST/ (TE + Ma) = 4,07/ 100

(4)

Si se despeja Ma de la ecuación 4 se obtiene la ecuación 5: Ma = (ST * 100)/4,07 – TE

(5)

Al sustituir TE obtenido de la ecuación 1 y ST obtenido de la ecuación 2, se obtiene de la ecuación 5 la masa de agua de mezcla en kg/d: Ma = (36 * 100)/ 4,07 – 225 = 660 kg/d Al sumar los sólidos totales (TE) y la masa de agua (Ma) se obtiene la biomasa de la mezcla con la ecuación 6: BIOMASA = TE + Ma

(6)

74

Si se sustituyen los valores se tiene que: BIOMASA = 225 + 660 = 885 kg/ d = 0,885 m3 /d

6.1.2 Diseño utilizando los datos de laboratorio Para el cálculo se utilizaron los datos obtenidos en las pruebas de laboratorio: Sólidos Totales

: 5875 mg/l (ST)

Caudal Total

: 0,29 l/s

Factor de retorno

: 0,85 (FR)

La cantidad de sólidos (CS) se obtiene de la ecuación 7: CS = Q * FR * ST

(7)

CS = 0,29 * 0,85 * 5875 CS = 1448 mg/s

Por lo tanto la cantidad de sólidos en kilogramos por día será de 125,1 kg/día Utilizando una relación 1:3 se obtiene que la cantidad de agua (CA), y por medio de la ecuación 8 es de: CA = 3 * CS (8) Al sustituir el valor de CS en la ecuació n 8 se tiene: CA = 3 * 125,1 CA = 375,3 kg/día

Al sumar la cantidad de sólidos (CS) y la cantidad de agua (CA) se obtiene la biomasa de mezcla al utilizar la ecuación 9 y sustituir los valores:

Biomasa = CS + CA (9) Biomasa = 125,1 + 375,3 Biomasa = 500.4 kg/día = 0,500 m3 /día

6.1.3 Dimensionamiento del tanque de homogenización

75

Se comparan los resultados de ambos procedimientos y se tiene que: Según tablas : 0,885 m3 /día Según análisis de laboratorio: 0,500 m3 /día Por lo tanto para el diseño del tanque de homogenización se considera la primera opción. Las dimensiones de dicho tanque serán: Largo = 1,2 m

Alto = 1,10

Ancho = 0,8 m

Para la altura se consideran 10 cm de borde arriba del nivel del suelo. Los detalles se pueden observar en las figuras 6.3 y 6.4.

6.1.4 Materiales de construcción Para su construcción se utilizarán bloques de concreto para las paredes del tanque con columnas y vigas reforzadas. El fondo será una losa de concreto también reforzada. La salida del agua se hará por medio de una tubería de 6” de diámetro y en la parte superior del tanque se dejará prevista otra tubería de 4” de diámetro, que evacuará el exceso de agua del tanque de mezcla hacia el separador de sólidos.

6.2 Dimensionamiento del tanque de biodigestión Para obtener el volumen del tanque de biodigestión se consideraron los siguientes criterios: Volumen de biomasa diaria : 0,885 m3 /día Tiempo de retención

: 25 días (Trb) (Para una temperatura de 20°C y según Metcalf Y Eddy)

El volumen del tanque de biodigestión se calcula con la ecuación 10: Vb = Biomasa * Trb (10) Al sustituir los valores se tiene que:

76

Vb = 0,885 * 25 b = 9,83 m3 = 22 m3

Generalmente la geometría del biodigestor está compuesta de tres zonas, las cuales son:

Zona de biogas Vcu Hg

Rg

2 Hcu

Zona de digestión 3 Hci 5 Rcu 4 Rci

Zona de lodos

1,2 Hco

Zona de Biogás: Está formada por una cúpula en la parte superior donde se acumula el agua y el biogas. En la parte más alta de la cúpula se presenta el sello de agua con la caja de salida y tapas respectivas.

Zona de digestión: Está representada por un cilindro en la parte intermedia donde se realiza el proceso de digestión de lodos.

Zona de lodos: Constituida por un cono en la parte inferior donde se depositan los lodos. 77

Al definir las zonas del tanque, se formulan relaciones geométricas para proporcionar un cálculo sencillo de las mismas, en donde la unidad (x), representa la cantidad común en metros que tienen las diferentes dimensiones del tanque.

CUADRO 6.3 RELACIONES DE DIMENSION DEL TANQUE DE DIGESTIÓN Dimensión Proporción Altura de la cúpula (Hcu) 2x Altura del cilindro (Hci) 3x Altura del cono (Hco) 1,2 x Radio de cúpula (Rcu) 5x Radio de cilindro (Rci) 4x Fuente: Proyecto Cali. Difusión de la tecnología de biogás en Colombia. 1987.

Los volúmenes de cada zona se presentan en el cuadro siguiente:

CUADRO 6.4 ECUACIONES DE LOS VOLÚMENES DE CADA ZONA DEL TANQUE DE DIGESTIÓN Volumen (m3 ) Ecuación Volumen del cono (Vco) Vco = π * (Rci) 2 * Hco/3 (11) 2 Volumen del cilindro (Vci) Vci = π * (Rci) * Hci (12) 2 Volumen de la cúpula (Vcu) Vcu = π * (Hcu) * (Rcu – Hcu/3) (13) Fuente: Proyecto Cali. Difusión de la tecnología de biogás en Colombia. 1987.

El volumen del tanque de biodigestión se obtiene al sumar las ecuaciones 11, 12 y 13, con lo cual se obtiene la ecuación 14:

Vb = Vco + Vci + Vcu

(14)

Por lo que si se sustituyen las ecuaciones 11, 12 y 13 con las dimensiones en términos del radio del cilindro, en la ecuación 14 y despejando se obtiene la ecuación siguiente: Rci = ((240/269) * (Vb/π))1/3

(15)

En el cuadro 6.5 se registran los valores obtenidos en cada una de las dimensiones de las zonas del tanque de digestión, el valor x corresponde a una variable que en este caso se 78

le dio un valor de 0,45, el valor x puede variar hasta encontrar la geometría deseada del biodigestor. En el cuadro 6.6 los volúmenes respectivos:

CUADRO 6.5 DIMENSIONES DEL TANQUE DE DIGESTION Volumen del Radio de Altura de Radio de Altura de Altura de Unidad biodigestor Vb cúpula cúpula cilindro Rci cilindro Hci cono Hco x (m3 ) Rcu Hcu (m) (m) (m) (m) (m) (m) 22

2.25

0.90

1.84

1.35

0.54

0.45

Fuente: Proyecto Cali. Difusión de la tecnología de biogás en Colombia. 1987 y elaboración propia

CUADRO 6.6 VOLÚMENES POR ZONA DEL TANQUE DE BIODIGESTION Zona Volumen (m3 ) Cilindro Vci 15 Cúpula Vcu 5 Cono Vco 2 TOTAL 22 Fuente: Elaboración propia

Los detalles pueden observarse de las figuras 6.5 a 6.9.

6.2.1 Materiales de construcción

Se utilizarán ladrillos para las paredes del tanque con columnas y vigas reforzadas, el fondo y las paredes deberán ser repellados. Las tuberías de entrada y salida serán de PVC de 6” de diámetro, la tapa y sobretapa de la parte superior de la cúpula serán de concreto.

6.3 Dimensionamiento del gasómetro Con las siguientes ecuaciones se puede determinar el valor del radio Rg y la altura Hg para determinar el volumen del gasómetro. Rg = 0,5 * (8 * (Hcu – Hg) * (Rcu – ((Hcu – Hg)/2))1/2

(16) 79

Vg = π/5 * Hg * (3* Rg2 + 3 * Rci2 + Hg2 )

(17)

Si se considera una altura de gas Hg = 0,50 m y los valores calculados en el cuadro 7.5, se obtiene que: Rg = 1,28 m

Vg = 4,81 m3

6.3.1 Producción de biogás Para conocer la producción estimada de gas se analizaron dos opciones:

Opción basada en tablas existentes: El cuadro 6.7 indica datos teóricos necesarios para conocer el volumen estimado de producción de biogas, algunos datos son obtenidos del cuadro 6.2.

CUADRO 6.7 DATOS TEÓRICOS PARA LA PRODUCCIÓN ESTIMADA DE BIOGAS N° de Peso Horas de % de % material sólido Producción cerdos promedio estabulación por estiércol orgánico de de biogas P NC PM día HE %E fermentación L/kg MSO Kg %MSO 250 45 24 2 12 350 Fuente: Proyecto Cali. Difusión de la tecnología de biogás en Colombia. 1987 y elaboración propia

Con la ecuación 18 se obtiene la producción estimada de biogas Pg = NC * PM * HE/24 * %E * %MSO * P

(18)

Al sustituir valores en la ecuación anterior se tiene que: Pg = 9450 l = 9, 45 m3

Opción basada en datos obtenidos en el laboratorio: Esta opción está basada en la DQO última que se obtiene en la eficiencia de la remoción. La diversa literatura dice que a temperatura y presión normal, 1 kg de DQO

80

última oxidada anaeróbicamente rinde cerca de 0,35 m3 de gas metano. Con la ecuación 19 se obtiene la producción de gas: Pg = 0,35 * NC * Q * FR * DQOu

(19)

Al sustituir los valores, el de DQOu en kg/l, se tiene que: Pg = 35,22 m3 Por lo que se toma el criterio más conservador Pg = 35,22 m3 . El volumen del gasómetro necesario para almacenar el gas que se produce y no se puede acumular en la cúpula se obtiene con la ecuación 20: Vgasómet ro = Pg – Vg

(20)

Sustituyendo los valores se tiene que: Vgasómetro = 35,22 – 4,81 = 30,41 m3 Se considera una altura de tanque del gasómetro de 2,6 m y con la ecuación 21 se obtiene el radio del tanque: Rgas = (Vgasómetro /(2,6 * π ))1/2

(21)

Sustituyendo: Rgas = 1,98 m La pileta del gasómetro tendrá 1 m de profundidad y se colocará enterrada a 0,90 m, dejando un borde libre de 0,10 m, su radio será de 2,10 m.

6.3.2 Materiales de construcción:

Para el tanque del gas se utilizará como material fibra de vidrio. La pileta será de ladrillo con columnas y vigas reforzadas y llevará tubos cruzados de hierro galvanizado de 2” de diámetro que van desde la parte superior de la pileta a una altura de 0,60 m. La parte superior de las piletas llevará un tubo de rebalse de PVC de 1” de diámetro.

Los detalles del gasómetro se pueden observar en las figuras 6.10 y 6.11.

81

6.4 Caja de sellos de agua

Su función es de servir de protección a un sifón formado de la misma tubería que conduce el gas. Este sifón tiene como finalidad evitar la obstrucción por saturación del biogas con el agua y que ésta sea evacuada. Se construirá de ladrillo.

6.5 Filtro removedor de sulfuro de hidrógeno (H2 S) Se debe remover el H2 S, debido a que junto con el agua condensada forma ácidos corrosivos. Para ello se pasará el biogas por un filtro o trampa de limadura de hierro o una

esponjilla de brillo.

6.6 Tanque de almacenamiento del efluente

Su función principal es recibir el efluente proveniente del tanque de biodigestión, puede servir también como tanque de compensación y para futuras inspecciones y muestreos. El efluente tratado se conducirá hacia el regadío de pastos. Para sus construcción se proponen bloques de concreto, columnas y vigas reforzadas, las paredes y el fondo irán repelladas. El detalle se puede observar en el detalle 6.12.

6.7 Patio de secado de lodos

Es el lugar donde se descargan los lodos degradados provenientes del tanque de biodigestión, aquí se efectúa el proceso de secado y estabilizació n final del lodo, para luego ser utilizado como abono orgánico. El patio debe tener un ancho libre de 2 m, un largo de 8,5 m y un muro perimetral de 0.60 m de altura, para un volumen de

82

almacenamiento de lodos de 8,5 m3 . Se construirá con bloques de concreto y tendrá un sumidero para que escurra el agua hacia un drenaje.

6.8 Obras complementarias ü Construcción de una cerca perimetral para seguridad y protección de las unidades del sistema de tratamiento. ü Colocar un contador de gasa en la tubería de salida del gas del tanque de biodigestión, con el fin de medir y llevar un control de la cantidad y presión del gas. ü Construir un acceso para vehículos al sistema de tratamiento.

6.9 Operación del sistema

El arranque del biodigestor se debe realizar después de efectuar la prueba de presión, que consiste en llenar de agua el tanque de biodigestión, con el fin de verificar que no haya fugas en las paredes ni en el piso.

Conseguir material orgánico digerido para la inoculación, de alguna planta de tratamiento que esté en funcionamiento.

Colocar este material en el tanque de biodigestión (10% del volumen) y terminar de llenarlo con el agua residual proveniente de la granja., dejar reposar durante 25 días, abrir la válvula de salida del gas. Si efectivamente sale gas, recoger un poco en una bolsa de plástico y, con un fósforo, probar si produce llama. No aplicar la llama en le extremo de la tubería por el que sale el biogas del tanque.

Medir la acidez del agua del afluente. Si el valor del pH es bajo, añadir un poco de agua con cal al tanque de mezcla para regularlo.

Limpiar constantemente las cribas del canal de entrada.

83

Revisar periódicamente el sello de agua, las llaves de paso y la válvula de seguridad.

Llevar un control de la presión y la cantidad del gas generado diariamente, así como de los escapes.

Cambiar periódicamente el material del filtro que remueve el H2 S.

6.10 Mantenimiento del sistema

Las labores tanto de operación como de mantenimiento garantizan un adecuado funcionamiento de los biodigestores. En las plantas construidas generalmente se presenta flotación de material sólido en el tanque de compensación que debe ser evacuado ya que forma una capa gruesa obstaculizando la salida del efluente y deteriorando su calidad.

Se ha observado, que cuando el consumo de gas es bajo, la presión del gas arrastra material en digestión hacia las tuberías, debiendo efectuarse la limpieza de ellas para evitar accidentes o averías en la planta.

Cuando no se instala el filtro para la remoción del H2 S, este ocasiona sulfatación en las boquillas de los equipos impidiendo el paso de gas, debiendo por lo tanto realizar la limpieza de ellas.

En plantas donde haya sido instalado tubería de drenaje de lodos, se recomienda evacuar parte de ellos cada seis (6) meses.

Las campanas de los biodigestores o de los tanques donde se almacena el gas, construidas en lámina de hierro, requieren pintura anticorrosiva periódicamente para evitar perforaciones por la corrosión.

84

Las plantas instaladas han tenido una frecuencia de limpieza entre 2 y 3 años, debido a la acumulación de material sólido dentro de la planta que obstruye la entrada y la salida del biodigestor. Cuando se realiza esta actividad debe verificarse el estado de la planta interiormente.

En los sistemas construidos generalmente se presenta flotación de material sólido en el tanque de homogenización que debe ser evacuado ya que forma un capa gruesa obstaculizando la salida del efluente y deteriorando su calidad.

Cuando el consumo de gas es bajo, la presión del gas arrastra material en digestión hacia las tuberías, debiendo efectuarse su limpieza para evitar accidentes o averías en la planta.

Cuando no se instala el filtro para la remoción del H2 S, se ocasiona corrosión por la formación de sulfatos en las boquillas de los de los equipos, por lo que se debe realizar la limpieza de las mismas.

En los sistemas donde se haya instalado una tubería de drenaje de lodos, se recomienda evacuar parte de ellos cada 6 meses y se debe dejar por lo menos un 10% de lodos para que quede inoculado el tanque de biodigestión.

La limpieza y mantenimiento general de todo el sistema debe realizarse diariamente, con el fin de garantizar un funcionamiento eficiente.

Los lodos digeridos pueden utilizarse como abono orgánico o material de Compostaje para la estabilización de suelos, siempre y cuando se halla completado el proceso biológico para su uso.

6.11 Presupuesto global

Los precios que se describen en el Cuadro siguiente corresponden al 19 de mayo del año 2003 y a un tipo de cambio oficial de Q. 7,89 por U$ 1.

85

A continuación se presenta el presupuesto global para el sistema de tratamiento propuesto.

86

CUADRO 6.8 PRESUPUESTO GLOBAL Actividad Unidad Cantidad Precio Unitario (Q) Excavación m3 100 40 3 Concreto m 25 550 Levantamiento de m2 220 170 paredes Repello m2 150 45 Hierro ¼” qq 5 140 Hierro 3/8” qq 17 140 Hierro ½” qq 4 165 Compuertas de hierro 2 600 Pintura anticorrosiva galón 2 600 Cribas 2 1375 Tanque fibra de vidrio 1 3000 Tubo HG 2” 1 400 Acoples HG 2” 1 400 Codos HG 2” 4 75 Tubo PVC 6” 4 13 Tubo PVC 4” 1 200 Tubo PVC ¾” 7 125 Codo PVC 6” 7 25 Codo PVC 4” 2 45 Codo PVC ¾” 1 55 Yee PVC 1 ½” 12 5 Adaptador macho PVC 1 1 17 ½” Tapón con rosca PVC 1 1 14 ½” Reductor de PVC 6” a 4” 1 10 Llaves de paso de ¾” 3 75 Contador de gas 1 3000 Válvula de seguridad 1 800 Pegamento PVC 1 80 Cable eléctrico m 20 10 Motor agitador 1 600 Mano de obra Imprevistos (10%) TOTAL ( Q )

Precio Total (Q) 4000 13750 37400 6750 700 2380 660 1200 1200 2750 3000 400 400 300 52 200 875 175 90 55 60 17 14 10 225 3000 800 80 200 600 16000 9500 105850

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PERIFERICO INGRESOS

GRANJA AV. PETAPA

Fig. Fotografía aérea de la Universidad de San Carlos, ubicación de la granja porcina. Fuente: CONRED, abril del 2003-

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Fig. .1 Granja Porcina de la Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia de la USAC.

Fig. 2 Vista de uno de los corrales de la Zona A.

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Fig. 3 Vista de los corrales individuales de la Zona B.

Fig. 4 Vista del tanque donde se almacena el agua de lavado de la granja.

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Fig. 5 Bomba utilizada para el lavado de los corrales

Fig. 6 Caja de recolección de las aguas provenientes del lavado de la Zona B.

91

Fig 7 Caja de recolección de las aguas provenientes de la Zona A.

Fig. 8 Cunetas de recolección de las aguas de lavado de la Zona A.

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Fig. 9 Codo de evacuación de las aguas de lavado de la Zona B, tarea que se realiza Cada 15 dìas.

Fig. 10 Vista del proceso constructivo del modelo del biodigestor, nótese la caja de homogenización y el tanque biodigestor.

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Fig. 11

Derivación de la tubería de alimentación de aguas residuales para el modelo del biodigestor.

Fig. 12

Toma eléctrica para las hélices de agitación del tanque de homogenización.

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Fig. 13 Modelo del biodigestor.

Fig. 14 Salida del gas metano producido por l proceso de digestión anaeróbica.

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Fig. 15 Salida del agua tratada por el bodigestor

Fig. 16 Toma de muestras para el análisis físico químico posterior.

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Fig. 17 Toma de muestra del agua residual cruda.

Fig. 18 Realización de la prueba para determinar la DBO.

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Fig. 19 Movimiento de tierras para la construcción del separador de sólidos.

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LIMITACIONES 1. No fue posible encontrar los planos constructivos de la granja, por lo que no fue posible obtener información de determinados detalles de la infraestructura, como por ejemplo las dimensiones del tanque almacenador de aguas residuales de la Zona B, del cual se tuvo que estimar su volumen.

2. No fue posible tampoco la medición del oxígeno disuelto a las muestras analizadas debido a que no se contó con los químicos necesarios para la retención del oxígeno en las muestras, tampoco se contó con equipo portátil para tal fin.

3. Si bien se dio una buena remoción de contaminantes dando un tiempo de retención al biodigestor de 25 días, según lo recomienda determinada literatura; es necesario recalcar que también otros autores recomiendan tiempos de maduración más largos, hasta 40 días, para las condiciones de temperatura propios de las aguas residuales de la granja porcina. Por razones de tiempo en la elaboración de este trabajo, se dieron 25 días de maduración y no 40.

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HALLAZGOS Y LECCIONES APRENDIDAS Hallazgos 1. Se encontró un manejo inadecuado de los sólidos, que son recolectados antes del proceso de lavado y colocados en los alrededores de la granja, con el fin de que se degraden y sin recibir ningún tipo de tratamiento, con lo que se presenta contaminación del suelo y el posible arrastre a cursos de agua por la acción de las lluvias. Se observaron gran cantidad de aves de carroña en los alrededores de la granja.

2. Se da poca importancia a la operación de la granja en sí, ya que aparte de lo descrito en el punto anterior, en el tanque de almacenamiento del agua residual de la Zona B se lleva a cabo un proceso de degradación anaerobio incompleto, ya que el agua permanece en ese sitio por aproximadamente 15 días. Dicho tanque no cuenta con su respectivo escape de gases producidos por la digestión anaerobia.

3. Se obtuvo una buena eficiencia en la remoción de contaminantes al evaluar el modelo construido, se puede remover más de un 70% de la DQO y la DBO5 , y más de un 87% de los sólidos totales, disueltos y sedimentables. Lecciones aprendidas 1. Finalmente se pudo comprobar que se le da poca importancia a la operación y mantenimiento de la granja, además de un manejo inadecuado de los desechos, tanto a los sólidos como también a las aguas residuales, no obstante dentro de las lecciones aprendidas es importante recalcar que con la instalación de un separador de sólidos y la operación de un biodigestor, se puede mitigar la contaminación al ambiente, ya que el modelo evaluado demostró que es eficiente para la remoción de la contaminación.

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2. No obstante existe interés por parte de los encargados de la granja por acabar con esos problemas y a la fecha se encuentra en proceso de instalación un separador de sólidos, además existe el interés por la construcción de un biodigestor para el tratamiento de las aguas residuales, para poder así hacer reuso de esas aguas en otras actividades, que bien podría ser el regadío de pastos.

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CONCLUSIONES 1. De acuerdo con los análisis físico químicos realizados al agua proveniente de la granja porcina de la Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia de la Universidad de San Carlos, se puede concluir que presenta las condiciones necesarias para ser tratada utilizando medios biológicos.

2. De acuerdo con los resultados obtenidos a partir de la evaluación del modelo, se puede remover más de un 70% de la DQO y la DBO5 , ya que en el caso de la DBO 5 se obtuvieron valores de entrada de hasta 5 535 mg/l y en la salida se lograron reducir hasta 750 mg/l; y más de un 87% de los sólidos totales, disueltos y sedimentables; ya que en el caso de los sólidos totales se logró pasar de 9 379 mg/l como valor de entrada hasta 355 mg/l como valor de salida, con lo que se puede comprobar la hipótesis planteada al inicio del estudio. Es importante recalcar que de acuerdo con la temperatura del agua residual y la temperatura ambiental se dio un tiempo de partida de 25 días, según lo recomienda la literatura.

3. Con la aplicación de un biodigestor como sistema de tratamiento anaerobio y según se pudo comprobar con el modelo analizado, se obtienen muchos beneficios, tales como: reducción de la contaminación a los cuerpos receptores de las aguas residuales y a los suelos, por el uso del abono orgánico producido. Además se aprovecha el biogas como fuente de energía alterna, con el consecuente ahorro en la compra de combustibles); también hay ahorro en la compra de abonos químicos.

4. El tratamiento de dichas aguas residuales debe ser de forma económica dentro de los sistemas de tratamiento convencionales conocidos, por cuanto el costo de inversión no es muy alto y requiere de un área relativamente pequeña para su construcción. Por lo tanto se recomienda la construcción de un biodigestor.

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5. Se deja como aporte de este estudio, una base para futuros diseños de sistemas de tratamiento, utilizando la tecnología de biodigestores, como opción

para el

tratamiento de las aguas residuales de las granjas porcinas.

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RECOMENDACIONES 1. Proceder a eliminar el tanque de almacenamiento de agua residual ubicado en la Zona B y conducir el agua producida en toda la granja hacia el mismo sitio de disposición final. Asimismo proceder a eliminar la acumulación de sólidos en los alrededores de la granja, con la construcción del separador de sólidos.

2. No se debe dejar fuera de operación el biodigestor por periodos prolongados, porque esto ocasiona que el proceso de digestión y fermentación anaerobia se interrumpa. En caso de que se deba dejar fuera de operación por un tiempo prolongado se recomie nda mantener la carga diaria con material orgánico sustituto de origen animal o vegetal. Una forma de saber si la eficiencia está disminuyendo por interrupciones en el proceso, es midiendo la producción de biogas diaria.

3. Se debe incluir un manual de operación y mantenimiento con el diseño final, donde se indicarán las actividades del operador, equipo necesario y la frecuencia de limpieza, muestreos y análisis de laboratorio. El operador debe ser capacitado al respecto.

4. También se recomienda dar un tiempo de partida al biodigestor de 25 días, con el fin de estabilizar el proceso anaerobio y obtener así buenos resultados en la remoción de contaminantes.

5. Se deben realizar muestreos periódicos y sus respectivos análisis de laboratorio, tanto para el agua de entrada como de la salida del biodigestor, con el fin de evaluar la eficiencia en la remoción de la DQO, DBO 5, sólidos totales, entre otros; así como la producción de nutrientes (nitrógeno y fósforo), en este caso.

6. Es importante dar a conocer la tecnología de sistemas de tratamiento de aguas residuales utilizando biodigestores en las comunidades que lo requieran, ya que en la mayoría de nuestros países se conoce muy poco de los beneficios que tiene el

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tratar adecuadamente las aguas residuales. Solo al crear conciencia en la población en general y en los funcionarios de las instituciones involucradas con el tema, se puede lograr que se le de la debida importancia a los problemas sanitarios que generan las granjas porcinas y darles las soluciones correspond ientes, demostrando que la tecnología de los biodigestores es adaptable a cualquier nivel cultural y técnico, y que además no requiere de aspectos complejos, no compromete dependencia técnico – económica foránea.

7. Realizar un estudio similar a este estudio especial, solo que dando énfasis a la producción de biogas y a sus usos potenciales.

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BIBLIOGRAFÍA

1. CALVO GUTIERREZ, JORGE. Propuesta para el tratamiento y utilización de las aguas residuales provenientes del rastro de porcinos del municipio Santa Catarina Pinula de Guatemala. Estudio Especial presentado a la Escuela Regional de Ingeniería Sanitaria y Recursos Hidráulicos como requisito para optar por el título de maestro en Ingeniería Sanitaria. Guatemala, 1997.

2. CANASTUJ COYOY, MARIO MARGARI TO. Estudio del aprovechamiento del efluente de la planta de tratamiento de aguas residuales de la Universidad de San Carlos de Guatemala para el riego de pastos de corte en la finca de la Facultad de Veterinaria y Zootecnia.. Estudio Especial presentado a la Escuela Regional de Ingeniería Sanitaria y Recursos Hidráulicos como requisito para optar por el título de maestro en Ingeniería Sanitaria. Guatemala, 1999.

3. CENTRO PANAMERICANO DE INGENIERIA SANITARIA (CEPIS), Perú. 2001. Digestores anaerobios (en línea) Lima, Perú. Consultado el 17 de enero del 2003. Disponible en http://www.cepis.opsoms/eswww/proyecto/repidisc/publica/repindex/inpri54h.html

4. CHINCHILLA, MIGUEL et al. Diseño y construcción de biodigestores. Segunda Edición. Editorial Tecnológica de Costa Rica. Primera Edición. Costa Rica, 1985.

5. CVC, GTZ, OEKOTOP. Difusión de la tecnología de biogás en Colombia, Documentación del proyecto Cali. Colombia, 1987.

6. GTZ. Manual de disposición de aguas residuales: origen y descarga y tratamiento y análisis de aguas residuales. Tomos I y II. Perú, 1991.

7. INGENIERO AMBIENTAL, EUA. 2003. Biodigestores (en línea) Miami, EUA. Consultado el 15 de febrero del 2003. Disponible en http://www.ingenieroambiental.com/new3informes/cerdos.htm

8. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA (ITCR), C.R. 1999. El uso de tecnologías limpias (en línea) Cartago, C.R. Consultado el 17 de octubre del 2002. Disponible en http://www.infoagro.go.cr/tecnologia/CERDOS/CERDOS.html

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9. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA (ITCR), C.R. 1998. Producción Semi intensiva de cerdos y y uso de desechos para generar energía (en línea) Cartago, C.R. Consultado el 17 de octubre del 2002. Disponible en http://www.infoagro.go.cr/tecnologia/CERDO/memoriacerd.html

10. METCALF Y EDDY. Ingeniería de aguas residuales: Tratamiento, vertido y reutilización. Tomos I y II. Editorial Mc Graw Hill. México,1996.

11. MINISTERIO DE AGRICULTURA Y GANADERIA, C.R. 2000. Granja experimental Los Diamantes (en línea) San José, C. R. Consultado el 10 de enero del 2003. Disponible en: http://www.mag.go.cr/Estaciones/Diamantes.htm

12. MINISTERIO DE SALUD, C.R. 1998. Decreto sobre el funcionamiento de granjas porcinas (en línea) San José, C.R. Consultado el 17 de octubre del 2002. Disponible en http://www.netsalud.sa.cr/ms/decretos/dec7.htm

13. SOLIS ROJAS, OLDEMAR et al. Diseño de tratamiento de aguas residuales de granja porcina: Memoria de cálculo y manual de operación. Costa Rica, 2001.

14. SOSA, ROBERTO. Tratamiento y uso de recursos producidos con excretas porcinas. Instituto de Investigaciones porcinas. Cuba, 2000.

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ANEXO A PROCESOS DE DIGESTIÓN ANAEROBIA

Hoy, en los países industrializados, el tratamiento de los residuales es un deber apremiante. Todos están conscientes de las consecuencias que traen la sobrecarga del suelo y las aguas por los desechos orgánicos no tratados y vertidos en cualquier lugar. Además, el aumento de los precios de las materias primas exige un reciclaje más importante de estos materiales. Por otra parte en los países del Tercer Mundo las instalaciones de biogás significan ante todo la producción de energía para cocinar (Gopalakrishnan, 1984 y Eggeling et al.., 1985, mencionados por Sosa, 2000)

En principio, los residuales orgánicos, y dentro de estos las excretas porcinas, se estabilizan mediante tratamientos biológicos, los cuales se dividen en: aerobios (oxidación de la materia orgánica a través del oxígeno) y anaerobios (en éstos la concentración de oxígeno es perjudicial).

Dentro de los tratamientos aerobios podemos citar las siguientes tecnologías: a. Lodos activados. b. Lagunas de estabilización aerobias c. Filtros percoladores

En los anaerobios se encuentran: a. Filtros anaerobios b. Lagunas anaerobias c. Biodigestores

A.1 Ambiente aerobio y anaerobio

1

En el proceso aerobio la energía contenida en los enlaces químicos de la materia orgánica es liberada al permitirse el flujo de los electrones desde estos compuestos hasta el oxígeno, esta energía es utilizada por los microorganismos aerobios para sus procesos metabólicos de crecimiento y reproducción y se libera calor. En el proceso anaeróbico la energía contenida en los enlaces de los compuestos orgánicos queda en su mayor parte contenida en los enlaces del metano (CH4 ), que dada su característica gaseosa a condiciones normales de temperatura y presión, escapa hacia la atmósfera. El resto de la energía queda a disposición de los microorganismos para su uso en los procesos metabólicos.

La digestión anaeróbica se puede definir como el proceso de degradación de la materia orgánica por la acción coordinada de diversos grupos de microorganismos, en aquellos ambientes en ausencia de oxígeno u otros agentes oxidantes fuertes (SO4 = NO3 , etc.); como subproducto de ellas se obtiene un gas denominado biogás cuya composición básica es Metano y Dióxido de Carbono, 95%, y con la presencia adicional de Nitrógeno, Hidrógeno, Amoníaco y Sulfuro de hidrógeno (usualmente en proporciones menores del 1%).

A.1.1 Comparación entre proceso aerobio y anaerobio Históricamente el proceso aeróbico ha tenido una mayor aplicación en el tratamiento de las aguas residuales y solamente hasta la década de los 80 se desarrollaron reactores anaeróbicos que hacen factible competir en eficiencia, operatividad y costos con los aeróbicos.

A continuación se presenta una comparación entre los dos procesos:

CUADRO A.1 COMPARACIÓN ENTRE EL PROCESO ANAEROBIO Y AEROBIO ANAEROBIO AEROBIO Menor producción de lodos para disponer Mayor producción de materia celular por unidad de sustrato consumido Menores costos de operación ya que no requiere Altos costos de operación por la necesidad de oxígeno aireación 2

Producción de subproductos utilizables (Metano) Mejor eficiencia de remoción de contaminante Posibilidad de degradar compuestos policlorados Existe gran experiencia en el proceso tóxicos Acepta altas cargas orgánicas e hidráulicas Limitación física en las cargas orgánicas que pueda manejar Cont. CUADRO A.1 COMPARACIÓN ENTRE EL PROCESO ANAEROBIO Y AEROBIO Bajos requerimientos de nutrientes Alto consumo de nutrientes Sensible a cambios súbitos en la aplicación de Operatividad comprobada cargas dificultando su operación Arranque lento y delicado del proceso El efluente requiere de post tratamiento Procesos metabólicos menos eficientes Fuente: Apuntes de la clase de Química y Microbiología Sanitaria del Ing. Zenón Much S. Segundo semestre del 2002.

De lo anterior se puede concluir que si los procesos anaeróbicos superan las deficiencias de difícil operación y menor eficiencia, competirán favorablemente en costos en relación con los procesos aeróbicos, abriendo una opción más barata en el saneamiento ambiental en países como Colombia.

A.2 Aspectos bioquímicos de la fermentación metanogénica.

El conocimiento de los factores microbiológicos y bioquímicos que ocurren en la fermentación metanogénica es indispensable para entender la cinética de este proceso, y esto permite controlarlo e incidir sobre ellos para obtener resultados satisfactorios.

Hoy se admite que en la fermentación bacteriana intervienen poblaciones microbianas diversas, en la que se distinguen cuatro etapas: hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis.

Al menos cuatro grupos tróficos diferentes de bacterias han sido aislados en digestores anaerobios, pudiendo ser diferenciados sobre la base de los sustratos fermentados y los productos finales formados.

Estos cuatro grupos metabólicos son: 3

A.2.1 Hidrólisis Los sustratos complejos como celulosa, proteínas, lípidos, etc. son hidrolizados en compuestos solubles como azúcares, aminoácidos y grasas por la acción de enzimas extracelulares de las bacterias.

A.2.2 Acidogénesis Los compuestos solubles son fermentados en ácidos grasos volátiles (ácido acético, propionico y butúrico principalmente), alcoholes, hidrógeno y CO2. Esta etapa se conoce también como fermentativa.

A.2.3 Acetanogénesis Ocurre cuando las bacterias acetogénicas oxidan el ácido propiónico y butírico hasta ácido acético e hidrógeno que son los verdaderos sustratos metanogénicos.

A.2.4 Metanogénesis Es cuando el ácido acético y el hidrógeno son tomados dentro de las células bacteriales metanogénicas convirtiéndolos en metano y excretándolo fuera de la célula.

De modo que

la degradación de la materia orgánica para producir metano, depende de la

interacción de varios grupos diferentes de bacterias. Una operación estable del digestor requiere que estos grupos de bacterias se encuentren en un equilibrio dinámico y armónico. Los cambios en las condiciones ambientales pueden afectar este equilibrio, y resultar en un aumento de microorganismos intermediarios que pueden inhibir todo el proceso. Esto tiene una importancia extrema para comprender hacia qué direcciones se mueven los procesos microbiológicos y 4

bioquímicos y poder dirigir el sistema de digestión para producir biogás (Marchaim, 1992, mencionado por Sosa, 2000).

CUADRO A.2 PRINCIPALES GRUPOS DE MICROORGANISMOS ANAEROBIOS Bacterias productoras de ácido Bacterias Formadoras de ácido (butírico y propiónico) Bacterias acetogénicas ( ácido acético e hidrógeno) Bacterias productoras e metano Bacterias metano acetoclásticas (acetofílicas) Bacterias del metano (Hidrogenofílicas) Fuente: Apuntes de la clase de Química y Microbiología Sanitaria del Ing. Zenón Much S. Segundo semestre del 2002.

A.3 Factores que influyen en el proceso de digestión anaerobia.

El proceso de conversión anaerobia depende de diversos factores, por ejemplo: el pH, la temperatura, la disponibilidad de nutrientes, la presencia de sustancias tóxicas, el tiempo de retención, la relación carbono – nitrógeno (C/N ) y el nivel de carga.

A.3.1 pH

El rango de pH óptimo es de 6.6 a 7.6 (Yougfu et al.., 1989, mencionado por Sosa, 2000). Los ácidos grasos volátiles (AGV) y entre ellos el acetato, tienden a disminuir el pH del sustrato (Marchaim, 1992, mencionado por Sosa, 2000). Si las bacterias metanogénicas no alcanzan a convertir rápidamente los AGV como lo hacen las bacterias acetogénicas, éstos se acumulan y disminuyen el pH en el digestor. Sin embargo, el equilibrio CO 2-bicarbonato opone resistencia al cambio de pH.

Algunos valores de pH se dan en la tabla siguiente:

5

CUADRO A.3 VALORES DE pH PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOGAS PH TEMPERATURA (°C) 7 – 7,2 Óptima 6,2 Retarda la acidificación 7,6 Retarda la amonización Fuente: Documentación del Proyecto Cali. Difusión de la tecnología de biogás en Colombia. 1987.

Existen dos métodos prácticos para corregir los bajos niveles de pH en el digestor. El primero es detener la alimentación del digestor y dejar que las bacterias metanogénicas asimilen los AGV; de esta forma aumentará el pH hasta un nivel aceptable. Al detener la alimentación disminuye la actividad de las bacterias fermentativas y se reduce la producción de los AGV. Una vez que se haya restablecido el pH se puede continuar la alimentación del digestor pero en pocas cantidades, después se puede ir aumentando gradualmente para evitar nuevos descensos en el pH.

El segundo método consiste en adicionar sustancias buferantes para aumentar el pH como el agua con cal. Las cenizas de soda (carbonato de sodio) constituyen una variante más costosa, pero previenen la precipitación del carbonato de calcio. Los requerimientos de bufer varían según el residual, los sistemas de operación y tipos de operación.

A.3.2 Te mperatura

Los niveles de reacción química y biológica aumentan normalmente con el incremento de la temperatura. Para los digestores de biogás esto es cierto dentro de un rango de temperatura tolerable para diferentes microorganismos . Las altas temperaturas causan una declinación del metabolismo, debido a la degradació n de las enzimas; y esto es crítico para

la vida de las células. Los

microorganismos tienen un nivel óptimo de crecimiento y un metabolismo dentro de un rango de temperatura bien definido, particularmente en los niveles superiores, los cuales dependen de la termoestabilidad de la síntesis de proteínas para cada tipo particular de microorganismo.

6

Las bacterias metanogénicas son más sensibles a los cambios de temperatura que otros organismos en el digestor. Esto se debe a que los demás grupos crecen más rápido, como las acetogénicas, las cuales pueden alcanzar un catabolismo sustancial, incluso a bajas temperaturas.

Existen tres rangos de temperatura para la digestión de aguas residuales:

CUADRO A.4 TEMPERATURAS PARA LA DIGESTIÓN DE AGUAS RESIDUALES CATEGORIA TEMPERATURA (°C) Psicrofílicos 10 – 20 Mesofílicos 20 – 35 Termofílicos 50 – 60 Fuente: Documentación del Proyecto Cali. Difusión de la tecnología de biogás en Colombia. 1987.

El óptimo puede ser de 35 0 C a 55 0C (Gunnerson y Stuckey, 1986, citado por Sosa, 2000). La ventaja de la digestión termofílica es que la producción de biogás es aproximadamente el doble que la mesofílica, así que, los biodigestores termofílicos pueden ser la mitad en volumen que los mesofílicos, manteniendo su eficiencia general.

Se han realizado numerosos trabajos sobre la digestión termofílica en países templados. Sin embargo, se requieren considerables cantidades de energía para calentar los residuales hasta 55 0 C. El tercer rango (psicrofílico) ocurre entre los 10 y 25 0C. Existen algunas restricciones para el uso de esta temperatura en la digestión anaerobia, como son: la necesidad de utilización de reactores anaerobios de cama fija (UASB), inóculos mesofílicos, un tiempo de retención alto y mantener una acidificación baja.

A.3.3 Nutrientes

7

Además de una fuente de carbón orgánico, los microorganismos requieren de nitrógeno, fósforo y otros factores de crecimiento que tienen efectos complejos. Los niveles de nutrientes deben de estar por encima de la concentración óptima para las metanobacterias, ya que ellas se inhiben severamente por falta de nutrientes. Sin embargo, la deficiencia de nutrientes no debe ser un problema con los alimentos concentrados, pues estos aseguran cantidades adecuadas de nutrientes.

A.3.4 Relación C/N Por otra parte la descomposición de materiales con alto contenido de carbono ocurre más lentamente, pero el período de producción de biogás es mas prolongado. Los materiales con diferentes niveles de C/N difieren notablemente en la producción de biogás, por ejemplo, la relación de C/N en residual porcino es de 9 a 3 ; en vacunos de 10 a 20; en gallinas de 5 a 8; para humanos es de 8 y para residuos vegetales es de 35 . La relación óptima se considera en un rango de 30:1 hasta 10:1, una relación menor de 8 :1 inhibe la actividad bacterial debido a la formación de un excesivo contenido de amonio ( Werner, 1989, mencionado por Sosa, 2000).

A.3.5 Toxicidad Los compuestos tóxicos incluso en bajas concentraciones afectan la digestión disminuyendo los niveles de metabolismo. Las bacterias metanogénicas son generalmente las más sensibles, aunque todos los grupos pueden ser afectados.

Un nutriente esencial también puede ser tóxico si su concentración es muy alta. En el caso del nitrógeno, es importante mantener un nivel óptimo para garantizar un buen funcionamiento sin efectos tóxicos. Por ejemplo en alimentos para el ganado con elevado contenido de proteína, un desbalance debido a altos contenidos de nitrógeno y bajas disponibilidades energéticas, causa 8

toxicidad por generación de amonio. Usualmente, el nivel de amonio libre debe ser mantenido en 80 ppm (Anderson et. al., 1982, mencionado por Sosa, 2000). Sin embargo, una concentración alta, de alrededor de 1500-3000 ppm, puede ser tolerada (Gunnerson y Stuckey, 1986, mencionado por Sosa, 2000).

Se debe tener precaución para evitar la entrada al digestor de ciertos iones metálicos, sales, bactericidas y sustancias químicas sintéticas. Rodríguez et al.. (1996, mencionado por Sosa, 2000) han informado la reducción de gas cuando son utilizadas excretas de animales tratados con antibióticos.

A.3.6 Nivel de carga Este parámetro se calcula como la materia seca total (MS) o materia orgánica (MO) que es cargada o vertida diariamente por metro cúbico de volumen de digestor. La MO o sólidos volátiles (SV) se refiere a la parte de la MS o sólidos totales (TS), que se volatilizan durante la incineración a temperaturas superior a 500 0 C (AOAC, 1980). Los SV contienen componentes orgánicos, los que teóricamente deben ser convertidos a metano. Los residuales

de animales pueden tener un

contenido de MS mayor del 10 %. Según los requerimientos operacionales para un reactor anaerobio, el contenido de MS no debe exceder el 10 % en la mayoría de los casos, por eso, los residuales de granjas se deben diluir antes de ser tratados.

La eficiencia de la producción de biogás se determina generalmente expresando el volumen de biogás producido por unidad de peso de MS o SV. La fermentación de biogás requiere un cierto rango de concentración de MS que es muy amplio, usualmente desde 1% al 30%. La concentración óptima depende de la temperatura. En China, la concentración óptima es del 6% en el verano a temperaturas entre 25-27 0 C y entre 10 y 12 % en la primavera a temperaturas de 18-23 0C (Yongfu et al.., 1989, mencionado por Sosa, 2000).

9

A.3.7 Tiempo de retención Existen dos parámetros para identificar el tiempo de retención de las sustancias en el digestor:

1.

El tiempo de retención de los sólidos biológicos (TRSB) que se determinan dividiendo la cantidad de MO o SV que entra al digestor entre la cantidad de MO que sale del sistema cada día.

Se asume que

el TRSB representa la media del tiempo de retención de los

microorganismos en el digestor. 2.

El tiempo de retención hidráulico (TRH) es el volumen del digestor (VD) entre la media de la carga diaria.

Estos parámetros son importantes para los digestores avanzados de alto nivel, los cuales han alcanzado un control independiente del TRSB y del TRH a través de la retención de la biomasa. La medición del TRH es más fácil y más práctico que el TRSB al nivel de las granjas.

CUADRO A.5 TIEMPO DE RETENCION DE ACUERDO AL AMBIENTE ANAEROBIO Y LA TEMPERATURA CATEGORIA TEMPERATU RA (°C) TIEMPO DE RETENCION (DIAS) Psicrofílicos 10 – 20 > 40 Mesofílicos 20 – 35 10 – 40 Termofílicos 50 – 60 < 10 Fuente: Documentación del Proyecto Cali. Difusión de la tecnología de biogás en Colombia. 1987.

A.3.8 Amoniaco Este parámetro cobra importancia cuando se utilizan materiales que contienen un alto porcentaje de Nitrógeno, como es el caso de las aves. Para un correcto funcionamiento los niveles dentro del sistema

deben

mantenerse

por

debajo

de

los

2.000

mg/l.

10

11