Biogás a Partir de Basura Con La Mínima Tecnología

8/19/2019 Biogás a Partir de Basura Con La Mínima Tecnología

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Esta es la historia del desarrollo de un prototipo de biodigestor para tratar basura orgánica y generar biogás y biol en Bolivia, pero bajo el concepto de 'tecnología estrictamente necesaria', encontraposición a las tecnologías más sofisticadas y conocidas en Europa. Es la historia de un

proceso colaborativo donde han participado casi una decena de instituciones de Bolivia,Ecuador, España y Holanda, durante los últimos dos años.

Es una historia, que aun sin finali-zar, ya puede adelantar sus resul-tados, produciendo buena canti-dad de biogás de forma estable apartir de basura orgánica, sin ne-

cesidad de pretratamiento de la misma, y sin necesidad de sistemas de calefacción omezcla mecánicos.

El leitmotiv del diseño realizado se basóen el concepto ‘just right technology’, quetraducido al castellano vendría a ser ‘tecno-logía estrictamente necesaria’, y que ha tra-ído a la actualidad el profesor Ugo Bardi.Este concepto sería una evolución actuali-zada de aquella tecnología intermedia, oapropiada, que dio a conocer Schumacheren su libro “Lo pequeño es hermoso” delaño 1973. Lo que hay detrás de estos con-ceptos y prácticas no es más que evitar latecnificación, complejización y sofistica-ción, y ayudar a resolver los problemas dan-do la mínima solución tecnológica necesa-

ria adaptada a cada contexto.En la gestión y tratamientos de residuos

orgánicos existen mecanismos de aprove-chamiento energético y agrícola del proce-so como son los biodigestores, que produ-cen biogás y biol. Otros tratamientos,como compostaje o lombricultura ofrecenaprovechamiento agrícola por el fertilizantegenerado, mientras que en el caso de la in-cineración el aprovechamiento es única-mente energético.

Los biodigestores que se han venidoimplementando en Europa entran general-mente en el concepto de sofistificación tec-

nológica, y ya se cuenta con más de 14.000

plantas de biodigestión en Europa, 9.000de ellas en Alemania. Estos sistemas sofisti-cados se caracterizan principalmente porcentralizar el tratamiento de los residuos,por incluir sistemas de pre–tratamiento y homogenización de los residuos antes deentrar al biodigestor, por calefactar los bio-digestores usando parte del propio biogásgenerado, por disponer de sistemas mecá-nicos de mezcla continua del sustrato y porlos altos costes de inversión de capital y deoperación.

Quizás estos sistemas pueden ser consi-derados apropiados para los países llamadosdesarrollados en el contexto actual, pero nopara la mayoría de la población mundialque vive en los países llamados en vías dedesarrollo o directamente empobrecidos.Parecería que es Europa el líder en la tecno-logía del biogás, y más concretamente Ale-mania, pero esta es sólo la parte de los efec-tos especiales de la película. En otros países

el desarrollo e implementación de biodi-gestores es dos órdenes de magnitud supe-rior a la europea. Sólo China cuenta conmás de 40 millones de biodigestores insta-lados, India con más de 8 millones, y un pa-ís como Nepal, con menos de 30 millonesde habitantes, están llegando a los 300.000biodigestores. En todos estos casos habla-mos de biodigestores como tecnologíaapropiada, aquella caracterizada por su pe-queña escala, descentralización, máximouso de materiales locales, fácil manteni-miento y operación y accesibles para la ma- yoría de la población. Estos biodigestores

tratan los residuos de forma descentraliza-

da, normalmente a nivel familiar, no hay pre–tratamiento del sustrato, ni calefacciónactiva, y la agitación en el interior del biodi-gestor, cuando se hace, es aprovechando lapresión neumática producida por la genera-ción de biogás, siendo sistemas baratos, ac-cesibles, replicables y de bajo coste de ope-ración y mantenimiento.

En este contexto internacional, se hadesarrollado un prototipo de biodigestorpara el tratamiento de 100 kg diarios derestos orgánicos procedentes de un merca-do en Tiquipaya (Bolivia), a 2.600 metrossobre el nivel del mar, en los Andes bolivia-nos. Este prototipo se diseñó y construyócon el objetivo de cumplir dos funciones.Por un lado, para poder consolidar la pro-puesta tecnológica con enfoque ‘apropia-do’ y, por otro, a partir de los resultadosobtenidos, escalar el diseño para el trata-miento de una tonelada diaria de residuosorgánicos.

Antecedentes del proyectoLa Agència de Residus de Catalunya(ARC) inició una colaboración con Boliviaen 2010 para apoyar políticas de gestión in-tegral de residuos sólidos urbanos, y una desus contrapartes más exitosas es la del Go-bierno Autónomo Municipal de Tiquipaya.Este municipio, con apoyo de la ARC, pu-so en marcha una planta de compostaje y lombricultura de la fracción orgánica de losresiduos sólidos (Forsu) que sigue funcio-nando en la actualidad. Tiquipaya cuentacon 50.000 habitantes y se encuentra en el

valle interandino de Cochabamba, en el

IOENERGÍ

Biogás a partir de basura

con la mínima tecnología

JaimeMartí Herrero, DanielChemisana, Alex Gustavo Soria, Aitor Díaz de Basurto



centro del país, un lugar que disfruta de unmicroclima con temperaturas máximas deentorno a 30o C y mínimas siempre supe-riores a los 0o C, a pesar de su altitud de

2.600 m.Por otro lado, el Building Energy andEnvironment Group del Centre Interna-cional de Mètodes Numèrics en Enginyeria(Cimne), venía desarrollando tareas de in- vestigación, desarrollo e implementaciónde biodigestores en Bolivia en sinergia conotros actores internacionales (GIZ, Hivos,SNV, etc) y locales como la UniversidadMayor de San Andrés. Junto con esta universidad formaron el Centro de Investiga-ción de Biodigestores, Biogás y Biol(CIB3) ubicado en Viacha a 3.850 m en elaltiplano boliviano, no muy lejos del Lago

Titicaca y de la ciudad de La Paz.Desde diferentes ámbitos se demandóal CIB3 el desarrollo de una solución tec-nológica apropiada de biodigestores para eltratamiento de Forsu. En conversacionescon la ARC y el ayuntamiento de Tiquipa- ya, se ofreció un espacio y apoyo para la ins-talación y monitoreo de un futuro digestorde bajo coste.

Diseño y construcción delbiodigestor Para el diseño del biodigestor, Cimne y UMSA contaron con el apoyo de un estu-diante del máster en Ingeniería ambientalde la Escuela de Caminos de la UniversitatPolitècnica de Catalunya (UPC) que visi-tó Bolivia con el apoyo del Grupo deIngeniería y Microbiología del Medio Ambiente (GEMMA) y el Centre de Co-operació per al Desenvolupament (CCD)de esta universidad. Hivos, ONG holan-desa apoyó al Cimne para coordinar la in- vestigación y desarrollo del prototipo.

Las condiciones de diseño críticas, in-herentes en el tratamiento de Forsu, quedebía de superar el diseño, sin acudir apre–tratamientos y sistemas activos pro-pios de los sistemas sofisticados, son:

• La basura orgánica siempre está‘contaminada’ por impropios, como plás-ticos o metales. Esto se suele solucionar enlas propuestas sofisticadas por la inclusiónde sistemas de pre–tratamiento de la For-su, que suponen separación de impropios,trituración y homogenización.

• La basura orgánica tiene alto conte-nido de materiales fibrosos, que hacen queesta flote en el interior del biodigestor, lle-gando a formar una costra. Esto se sueleevitar en los sistemas sofisticados, ademásde por el tratamiento de trituración parareducir el tamaño de partícula, por una

agitación continua en el interior del biodi-

gestor.• Consumo energético para calefac-

ción del biodigestor, que se suele hacerusando parte del propio biogás generado.

¿Cómo se han enfrentado estos pro-blemas desde otros puntos de vista? Indiaes un universo en sí mismo que ha desa-rrollando soluciones propias, y variadas, atodos estos problemas. Las tecnologíaspropuestas en India pasan por sistemasque no requieren de pre–tratamiento, nide sistemas activos de calefacción ni agita-ción o mezcla. El sistema desarrollado porla ONG Biotech, por ejemplo, es capaz detrabajar 250 kg de Forsu por día sin nece-sidad de pre–tratamiento ni adición deagua, recirculando el efluente desde la sa-lida a la entrada mediante un bomba,usando un modelo de biodigestor cúpulaflotante clásico de 25 m3. En este caso elbiogás producido se utiliza para alimentarun generador eléctrico que abastece decorriente a todo el mercado e incluso alalumbrado público exterior. Otro caso esel sistema modular Astra, que trata 500

kg/d de Forsu, e incluso biomasa verde(residuos de poda) sin necesidad de pre–tratamiento ni adición de agua y ni siquie-ra de recirculación del efluente hacia la en-trada. Estas son soluciones creativas queabogan por una reducción en la sofistica-ción y por tanto en el capital de inversión y gastos de operación y mantenimiento.Sumado a estas experiencias está la propiaboliviana en el aprovechamiento de la ra-diación solar, mediante el diseño solar pa-sivo de los biodigestores, para calefactar-los. Con estas técnicas bioclimáticasaplicadas a biodigestores se ha logrado ha-

cer funcionar biodigestores a 4.300 m, en

lugares con noches en las que se alcanzalos 20o C bajo cero, manteniendo el biodi-gestor entorno a los 20o C. Con estos an-tecedentes se diseñó el biodigestor de Ti-quipaya.

El grupo de investigación en SistemasDinámicos Aplicados en Energía Solar(Sdaes) de la Universidad de Lleida (UdL) junto con su Oficina de Desarrollo y Coo-peración (ODEC) , iniciaron en colabora-ción con Cimne, la Universidad Mayor deSan Andrés y el ayuntamiento de Tiquipa- ya la construcción del prototipo para supuesta en marcha. Además, investigadoresde Sdaes desarrollaron un modelo mate-mático que describa el comportamientoenergético del biodigestor.

El biodigestor desarrollado es un siste-ma semienterrado de 12 m3 construido engeomembrana de polietileno, dimensio-nado para tratar 100 kg diarios de Forsu,

sin pretratamiento ni adicción de agua.Tal y como se puede observar en la figura1 y 2, para la carga del Forsu hay dos ‘chi-meneas’, para que en caso de que una seobstruya, poder usar la otra hasta que sedegrade la basura en la primera. Estas en-tradas conectan con la cámara de diges-tión anaerobia, cuya cubierta se encuentrapor debajo del nivel hidráulico, permitien-do dos cosas: por un lado la sumersiónforzosa de la Forsu (aprendido del modelo Astra de la India) y por otro la ganancia deradiación solar directamente sobre la faselíquida del biodigestor, y no sobre la fase

gaseosa como se venía haciendo hasta

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Esquema y fotografía del biodigestor instalado en Tiquipaya para el tratamiento de Forsu.



ahora. Para mantener este calor y no per-derlo hacia el suelo, la zanja donde está se-mienterrado el biodigestor está aisladacon 10 cm de poliestireno expandido

(aprendiendo de la experiencia del CIB3en Bolivia). La cámara de digestión se co-necta con otro sector donde se encuentrala cúpula donde se almacena el biogás. Laacumulación de biogás en esta cúpula ejer-ce presión sobre el lodo interior, despla-zándolo hacia la entrada y salida y bajandosu nivel en este sector. Cuando el biogás esliberado o consumido, el lodo interior vuelve a su nivel de equilibrio, producien-do un movimiento de sube y baja que ha-ce las veces de mecanismo natural de agi-tación (aprendido de los modelosCamartec de Tanzania). Este movimiento

también se puede aprovechar como siste-

ma para romper la costra que su pudieraproducir, si es que en el nivel medio se in-corporan barras transversales que el lodoatraviese en ese sube y baja (aprendido de

la Raman, 1989, India) . La última partees un volumen abierto de salida de biol,suficientemente ancho como para que unapersona pueda ingresar al interior, cuandosean requeridas tareas de limpieza y man-tenimiento. Desde este punto se bombeabiol a las chimeneas de entrada para facili-tar la carga de Forsu (aprendido del mo-delo Biotech de India).

Funcionamiento del biodigestor Para la caracterización de la fracción orgáni-ca de los residuos sólidos (Forsu), puesta enmarcha y monitoreo del comportamiento

térmico y de producción de biogás del bio-

digestor se cuenta con el apoyo de un estu-

diante de ciencias ambientales de la Univer-sidad Católica Boliviana San Pablo (Ucbsp),como parte de su tesis de graduación. Elbiodigestor inició su puesta en marcha enagosto de 2014 lleno de agua (y no se ha vuelto a añadir más) y comenzó a ser carga-do de manera semanal con 70 kg de rumen y estiércol de vaca mezclado de un matade-ro cercano, sin adicionar agua. A las cincosemanas se logró una producción estable debiogás y se comenzó con el cambio de dietadel biodigestor y la recirculación de pocomenos de 1.000 litros diarios de biol. Estose hizo de manera progresiva durante tres

semanas, amentando la frecuencia de carga y desplazando gradualmente parte de los 70kg de rumen por Forsu. Finalmente, desdediciembre de 2014 se está cargando el bio-digestor únicamente con Forsu.

En este artículo presentamos los resulta-dos del monitorio de producción de biogás y operación de 22 días en los cuales se mues-tra un comportamiento estabilizado en pro-ducción y carga, como se muestra en la figu-ra 4. A pesar de que el biodigestor estádiseñado para una carga diaria de FORSUde 100 kg/d, durante el periodo reportadosolo se ha llegado a una carga media de 54kg/d, debido a que los fines de semana y festivos, no se ha cargado y a problemas enla recolección del Forsu por mantenimientode maquinaria. Estos 54 kg/d de Forsu decarga media diaria han generando más de5.000 litros de biogás por día.

El biodigestor produce 95 litros de bio-gás por cada kg de Forsu que se carga. Estebiogás combustiona ya que se ha probadoin situ, pero aun no se ha analizado su cali-dad y porcentaje de metano. El biodigestorestá trabajando a una temperatura estabili-zada de 24o C gracias al aislamiento en zanja y la ganancia solar, mientras que la tempera-tura ambiente media es de cerca de 21o C.

El tiempo de retención de sólidos está dise-ñado para 60 días, pero debido a que se estácargando el biodigestor con menor canti-dad de Forsu, actualmente está en 78 días.El tiempo de retención hidráulico produci-do por la recirculación esta en poco más de13 días. La eficiencia actual del biodigestorestá en 0,43 metros cúbicos de biogás pormetro cúbico de biodigestor y día(m3/m3d), que se espera que aumentecuando se logre aumentar la carga diaria(actualmente de 1,19 kgSV/m3/d, mien-tras que estaba diseñado para 2,19kgSV/m3/d). La eficiencia de la digestión

anaerobia está en 0,36 m3/kgSV, dato que

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Momento de la instalación del biodigestor. Debajo, operación y comportamiento del biodigestor de Tiquipaya durante tres semanas.

El digestor en cifras

nº días monitoreo (d) 22 Tiempo de retención sólidos (d) 78.1nº días de carga (d) 17 Tiempo de retención recirculación (d) 13.1

Total FORSU cargado (kg) 1190 Temperatura ambiente (ºC) 20.79Media carga (kg/d) 54.09 Temperatura biodigestor (ºC) 24.21Total recirculado (m3/d) 20.22 Velocidad de carga orgánica (kgSV/m3/d) 1.19

Media recirculación (m3/d) 0.92 Producción específica de biogás (m3/kgSV) 0.36Biogás/d (m3/d) 5.18 Velocidad de producción de biogás (m3/m3/d) 0.43Biogás/kg (l/kg) 95.69 % Sólidos Volátiles en FORSU 26.32



sorprendente pues no está lejos del de siste-mas comerciales sofisticados como Valorga,Kompogas y Dranco que se mueven en unrango de 0,46 a 0,69 m3/kgSV.

El monitoreo del sistema en estado esta-cionario apenas lleva tres meses y convieneprolongarlo por al menos un año. Un factorclave será saber en qué momento es necesa-rio parar la carga de Forsu, evacuar la frac-ción líquida y entrar al biodigestor a retirarlos impropios que hayan entrado (plásticosprincipalmente) y materiales fibrosos queno se hayan descompuesto. Este es el preciode ahorrarse el sistema de pre tratamiento y de agitación mecánica (con partes móviles),a cambio de tener que dar mantenimiento alsistema cada cierto tiempo. De este modo sesustituye la debilidad de las partes móviles

por tecnologías más intensivas en mano deobra. Para una propuesta real se plantearíaun sistema modular de biodigestores, demodo que, mientras se da mantenimiento aun módulo, el resto sigue trabajando sinafectar al proceso de tratamiento global.

ConclusionesEl biogás producido siempre será mejor sise usa de forma térmica en las cercanías dela planta en algún proceso que lo requiera,pero de no ser el caso también se puedeproducir electricidad e inyectarla a la red oautoconsumo de la planta. Aunque el usomás adecuado sería usar el biogás de com-bustible para los camiones que hacen la re-cogida de basura en el municipio, cerrandoun ciclo y haciendo sostenible todo el siste-ma logístico y de tratamiento. El efluentelíquido que se produce, llamado normal-mente biol, tiene un fuerte potencial comofertilizante agrícola, tanto que la FAO lo hallegado a llamar ‘el oro marrón’ (por su co-lor) e Hivos ‘el fertilizante supremo’. Loslodos que se acumulan en el interior delbiodigestor tienen altas concentraciones demacro y micro nutrientes, siendo este unproceso válido para cosechar y reciclar nu-trientes, especialmente el fósforo, que es un

nutriente de origen fósil agotable y del cualdepende la agricultura mundial. Todos es-tos nutrientes deberán ser incorporados a laagricultura.

Con esta experiencia se ha demostradola viabilidad de tratar basura orgánica, sinpre tratamiento ni adición de agua, me-diante biodigestores de tecnología inter-media o apropiada, minimizando la sofisti-ficación. Esta experiencia, operada encondiciones reales, ya está arrojando opti-mizaciones y mejoras necesarias en el dise-ño como son las chimeneas de entrada lascuales convendrá hacerlas inclinadas en un

futuro para facilitar el ingreso de la basura,

o disminuir el númerode ángulos en el diseñopara que sea más fácil eltrabajo de soldadura de

las geomembranas. Lainvestigación sigue y esnecesario continuar conel monitoreo cubriendoun año completo, teneranálisis físico–químicosde los productos obte-nidos, aumentar la cargadel sistema, y tratar de ver en qué momento esnecesario darle mante-nimiento. De este mo-do podrá tener la infor-mación completa para

dar el siguiente de pasode escalar este prototipopara trabajar con 1.000kg de basura por día.

Una propuesta deeste tipo puede ser acce-sible para la mayoría denúcleos urbanos media-nos y pequeños, inclusopara grandes ciudades sise descentraliza el trata-miento de la Forsu pordistritos o barrios. Lapropuesta final siemprepasará por sistemas mo-dulares, que permitantener un módulo enmantenimiento y el res-to trabajando, y facilitanel aumento del tamañodel sistema simplementeincrementando mayornúmero de módulos.

*Jaime Martí Herrero.Centre Internacional de Mètodes

Numèrics en Enginyeria (Cimne),Building Energy and Environment Group, (Terrassa, Barcelona).Investigador Prometeo en elInstituto Nacional de EficienciaEner gética y Energías Renovables(INER). Quito, Ecuador.Daniel Chemisana.Grupo en Sistemas Dinámicos Aplicados en Energía Solar, Secciónde Física Aplicada delDepartamento de Medio Ambiente,Universitat de Lleida.

Alex Gustavo Soria.Universidad Católica Boliviana “SanPablo”. Cochabamba, Bolivia.

Aitor Díaz de Basurto.Grup de Recerca en Cooperació i Desenvolupament Humà (Grecdh),Universitat Politècnica de

Catalunya. Barcelona.

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