UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE BIOLOGÍA “PROPUESTA PARA EL MANEJO SUSTENTABLE DE RESIDUOS SÓLIDOS DE ORIGEN PECUARIO (EXCRETAS DE BOVINO) MEDIANTE UN DIGESTOR ANAERÓBICO” TESINA TRABAJO DE EXPERIENCIA RECEPCIONAL QUE PRESENTA: JONATHAN HERNÁNDEZ MARTÍNEZ DIRECTOR: JOSÉ ATZIN GARCÍA XALAPA, VER. 12 DE FEBRERO 2010 ÍNDICE. 1. INTRODUCCIÓN. .................................................................................................................. 1 1.1. Análisis del Sector. Panorama General ........................................................................ 1 1.2. Interrelación Ganadería-Ambiente. Problemática ambiental ....................................... 5 1.3. Importancia de la Propuesta ......................................................................................... 6 2. MARCO TEÓRICO ............................................................................................................... 7 2.1. Marco Jurídico .............................................................................................................. 7 2.2. Aspectos Generales de los Digestores……………………………………………..10 Los Digestores Anaeróbicos Frente a la Contaminación de Residuos Pecuarios ...... 10 Tratamiento de Excretas ............................................................................................ .11 2.3. Aspectos de la Digestión Anaeróbica……………………………………………..12 Microbiología y Bioquímica de la Digestión Anaeróbica .......................................... 12 Factores que Influyen en el Proceso de Digestión Anaeróbica .................................. 13 2.4. Usos y Beneficios del Producto final del Digestor………………………………....17 El Biogás. Sus Propiedades Físicas, Utilización y Purificación................................. 17 Beneficios de Productos de un Digestor..................................................................... 19 3. ANTECEDENTES ................................................................................................................ 21 4. OBJETIVO ............................................................................................................................ 24 5. METODOLOGÍA ................................................................................................................. 25 6. RESULTADOS…………………………………………………………………………...29 6.1. Memoria de Calculo ............................................................................................................... 29 Volumen Requerido .......................................................................................................... 29 2 Volumen Diseñado ............................................................................................................ 30 6.2. Memoria Descriptiva de Construcción del Digestor Anaeróbico .............................. 31 6.2.1. Preparación del área........................................................................................ 31 6.2.2. Excavación para Recipiente y Rellenos.......................................................... 31 6.2.3. Revestimiento, Compactación e Impermeabilización .................................... 32 6.2.4. Importancia de Instalación de Geomembrana ................................................ 33 6.2.5. Despliegue o tendido de Geomembrana ......................................................... 35 6.2.6. Anclaje de la Geomembrana........................................................................... 36 6.2.7. Métodos de Unión de Geomembranas de Polietileno .................................... 37 6.2.8. Control de Calidad .......................................................................................... 39 6.2.9. Instalación de Sistema de Extracción de Biosólidos o lodos ......................... 40 6.2.10. Cobertura del Recipiente y Conclusión del Digestor ..................................... 40 6.2.11. Otros Elementos Accesorios del DIANA ....................................................... 41 6.3. Programa de Manejo Ambiental................................................................................. 43 7. CONCLUSIÓN ...................................................................................................................... 45 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................................... 46 3 1. INTRODUCCIÓN 1.1. Análisis del Sector. Panorama general. En México, la producción de carne de bovino es de gran importancia socioeconómica para el país (Suarez, 1996), ya que ha sido respaldo para el desarrollo de la industria nacional, por que proporciona alimentos y materias primas, divisas, empleo, distribuye ingresos en el sector rural y utiliza recursos naturales que no tienen cualidades adecuadas para la agricultura u otra actividad productiva. Esta actividad se realiza en todas las regiones agroecológicas del país (Ruíz, 2004). Para lograr éxito en la producción de bovinos de alta calidad, se recurre al sistema de engorda intensiva en corrales o engorda estabulada, como una tecnología de producción de carne con los animales en confinamiento, aplicándoles dietas con ingreso energético alto y cómoda digestibilidad (Arimany, 2002). En éste tipo de sistema, se provee óptimas cantidades de alimento de inmejorable valor nutritivo, para la máxima satisfacción del animal, lo que permite expresar todo su potencial genético, logrando con ello obtener una mayúscula producción y excelente calidad de carne en el menor tiempo posible (Grosseto, 2001). Otros factores que se suman, son la edad, raza, sexo, prácticas de manejo y proceso de matanza (Arroyo, 2006). Las ventajas adicionales de esta tecnología, son que por el confinamiento de los animales, las enfermedades que pueden contraer son mínimas debido a la factibilidad y fácil manejo de vectores, como las moscas o garrapatas; toda la alimentación se les brinda en el comedero con personal capacitado, evitando el gasto energético y exposición a factores de riesgo por pastoreo. Además, las instalaciones son funcionales y prácticas, con pisos de cemento, lo que hace accesible la recolección de excretas para tratamiento, impidiendo con ello posibles impactos al medio ambiente. En el sistema de engorda estabulada que manejamos, la población con novillos se inicia con un peso de 300 Kg y la finalización para comercializarlos, debe alcanzar como promedio los 600 Kg. El ciclo de engorde comprende como promedio 90 días (Costa, 2003). Durante el proceso, cada mes se evalúa la ganancia de peso. Para ello se sacrifican algunos ejemplares y se les cuantifica el 4 rendimiento en canal, determinando la conversión a biomasa en forma de carne-economía (Arroyo, 2006). La producción de ganado por este sistema rinde carne de alta calidad nutricional y sanitaria, lo que cumple con los altos estándares exigidos por las normas aplicables al caso. Posibilitando la exportación, principalmente a Japón y Estados Unidos. La clasificación de la carne bovino en México se rige por la norma mexicana NMX-FF-078-SCFI-2002. Esta reglamenta la cadena de producción, proceso, comercialización y consumo de carne de bovino, y define las características de calidad que deben reunir los canales. Se instrumenta en plantas de sacrificio y rastros TIF (Tipo Inspección Federal) registrados por SAGARPA que operan bajo condiciones de sanidad e higiene establecidas en la norma oficial mexicana NOM-008-ZOO-1998 (Barrera, 1993). De acuerdo a datos recabados por SAGARPA (2006), México dispone de 39 plantas de sacrificio Tipo Inspección Federal (TIF), de las cuales 29 están acreditadas por el servicio de inocuidad de inspección de los alimentos (USDA/FSIS) para exportar carne bovina a los Estados Unidos y estas se encuentran en Aguascalientes, Baja California, Coahuila, Chiapas, Chihuahua, Durango, Jalisco, Nuevo León, Puebla, San Luís Potosí, Sinaloa, Sonora, Tabasco, Tamaulipas, Veracruz, Yucatán y Zacatecas. La capacidad estimada para cada planta es de 2.9 millones de cabezas (Canizal, 2007). Según datos de INEGI, en el 2008, la producción nacional anual de bovinos para consumo humano fue de 23, 316 942 de cabezas, Veracruz se encuentra en el primer lugar con una producción de 2, 454 171, seguido por Jalisco con una producción de 1, 931 546, Chihuahua con 1, 708 887, Chiapas con 1, 405 419 y Sonora con 1,351 642 (Figura 1). 5 2500000 Existencias de Ganado 2000000 1500000 1000000 500000 0 Veracruz Jalisco Chihuahua Chiapas Sonora Figura 1. Entidades Fe Federativas con mayor existencia.. INEGI (2008) En el 2005, las ganancias en la venta de carne de bovino ascendieron a 1,500 millones de pesos, representando el 1.5 % del PIB, según datos recabados por el banco de México (Figura (F 2). (Gallardo, 2006). 1800 Miles de Millones de Pesos 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Figura 2. Producto interno bruto nacio nacional nal de carne de bovino. Gallardo (2006) 6 Para el año 2007, el valor de la producción para par la carne en canal, fue de $ 50,516.52 millones y para ganado en pie $ 51,812.67 millones de pesos (Figura 3). 60000 Millones de pesos 50000 40000 Pie 30000 En Canal 20000 10000 0 2003 2004 2005 2006 2007 Figura 3. Valor de la producción de ganado bovino 2003-2007. 2003 2007. Financiera Rural (2009) Esta actividad genera anualmente más de 50 mil empleos directos y supera los 500 mil indirectos. El valor or de la producción es superior a los 21 mil millones de pesos anuales, con un valor de ventas de más de 26 millones de pesos (Guadalupe, 2007). Como se puede observar el sector ganadero es muy importante debido a que es una fuente de empleo considerable.. También, es sustento importante en la economía nacional, y por otro lado, representa venero de proteína de buena calidad sanitaria a precio accesible, lo que se traduce en bienestar social y mejoramiento de calidad de vida para las personas que se involucran en esta actividad. 7 1.2. Interrelación ganadería-ambiente. Problemática ambiental El reconocer la importancia del sector, no excluye su responsabilidad frente al medio ambiente cuando también, se hace un cálculo de los residuos generados durante el proceso de engorda. El tratamiento y disposición final de las excretas de bovino utilizado con mayor frecuencia en México, es su secado al aire libre. Estas son depositadas en un terreno cercano al establo sin recibir ningún manejo; se requiere de 8 a 12 meses o más para que las excretas se estabilicen mediante un proceso aerobio (Castellanos, 1984, citado por Young, 1985). Este irresponsable manejo, es la principal razón por la que las excretas de bovino causan graves problemas al ambiente. En los sistemas estabulados, un bovino excreta por día alrededor del 5 al 6% de su peso vivo. En un novillo de 400 Kg de peso vivo, es alrededor de 20 a 25 Kg diarios de excretas. Dado su porcentaje de humedad del 80 - 85%, finalmente son en promedio 3.8 Kg diarios de residuos sólidos en peso seco, por animal que se eliminan (Susana y Gil, 2006). La producción anual de excretas en México se estima en 61 millones de toneladas, considerando únicamente los que son provenientes de ganado estabulado y semiestabulado (SAGARPA, 2007). Las excretas, promueven otro tipo de problemas ambientales, tales como malos olores, por agentes contaminantes que provocan malestares respiratorios, alteraciones psicológicas, desagrado en los vecinos, que en conjunto afectan el bienestar y la calidad de vida de las personas. Estimula la aparición de fauna nociva principalmente dípteros, las cuales son portadores de microorganismos que transmiten enfermedades que causan diarrea, fiebre, tifoidea y cólera que afectan seriamente la salud humana (Susana y Gil, 2006). Otro gran problema ocasionado por estos residuos, es la contaminación química debida a la evacuación de grandes cantidades de nitrógeno, fósforo y potasio. Este puede ser llevado por escorrentías y filtraciones, convirtiéndolos en un peligro potencial de los cursos de agua superficiales y acuíferos, ya que si los nitratos se mezclan con el agua, le confieren un mal sabor, así como una elevada concentración tóxica que es dañina al ser humano. Estas contaminaciones también contribuyen al proceso de eutrofización de los ecosistemas acuáticos, ya que si estos residuos llegan a los cuerpos de agua sin ningún tratamiento, aumentan la cantidad de nutrientes 8 para los organismos productores los que aumentan su biomasa. En los momentos de oscuridad, por su actividad metabólica consumen oxígeno disuelto en agua, disminuyendo su disponibilidad para la vida acuática (Susana y Gil, 2006). También se generan problemas ambientales de tipo global. Como productos de la digestión, se emiten a la atmósfera, dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) y óxido nitroso (N2O), lo que conduce a un “efecto invernadero” contribuyendo de forma importante al Cambio Climático. 1.3. Importancia de la Propuesta De los datos presentados, al menos de los registrados oficialmente, y de los aspectos relacionados al medio ambiente, el panorama representa un reto a resolver, dejando en claro que de no ser manejado oportuna y acertadamente los residuos generados, se conviertan en una fuente de contaminación importante. Es precisamente aquí, donde reside la contribución y valor de nuestra propuesta. Que con su aplicación apropiada en el tratamiento de las excretas, logre eliminarlos y paralelamente reciclar la energía y nutrientes como recursos muy valiosos, haciendo sustentable la actividad ganadera. Este trabajo propone una posible mejora de las técnicas utilizadas en los sistemas estabulados para el tratamiento de los residuos de manejo especial, especialmente las excretas generadas en este tipo de establecimientos, mediante la digestión anaeróbica en un digestor, la cual es una secuencia de procesos metabólicos que originan la degradación de sustancias orgánicas en un ambiente exento de oxígeno disuelto. En el proceso anaeróbico, la materia orgánica es licuada, gasificada, mineralizada y transformada en materia orgánica más estable, eliminándose una parte importante de la materia carbonácea bajo la forma de metano (CH4). Con el uso de este procedimiento se intenta promover un aprovechamiento más eficaz de la materia orgánica considerada como desperdicio o como simple fertilizante, pues el uso adecuado de estos desechos no solo favorece a la producción pecuaria al verse beneficiados los productores en sus ingresos económicos al poder comercializar un producto que se había constituido en un generador de mayores costos de producción sino que también contribuye a la protección y cuidado del medio ambiente. 9 2. MARCO TEÓRICO. 2.1. Marco Jurídico. La normatividad mexicana existente para los residuos sólidos de manejo especial que el digestor va a tratar, son básicamente de competencia estatal y federal. Entre ellas destacan: Normas Federales: Norma Oficial Mexicana NOM-083-SEMARNAT-2003. Especificaciones de protección ambiental para la selección del sitio, diseño, construcción, operación, monitoreo, clausura y obras complementarias de un sitio de disposición final de residuos sólidos urbanos y de manejo especial. Norma Oficial Mexicana NOM-004-SEMARNAT- 2002. Protección ambiental.- lodos y biosólidos.-especificaciones y límites máximos permisibles de contaminantes para su aprovechamiento y disposición final. Esta norma determina la disposición de los biosólidos, como producto final de la digestión, al suelo para ser utilizado como aportador de nutrientes. Según las especificaciones siguientes, mostradas en las tablas 1, 2 y 3: Norma Federal 004. Tabla 1. LÍMITES MÁXIMOS PERMISIBLES PARA METALES PESADOS EN BIOSÓLIDOS CONTAMINANTE EXCELENTES BUENOS (determinados en forma total) mg/kg en base seca mg/kg en base seca Arsénico 41 75 Cadmio 39 85 Cromo 1200 3000 Cobre 1500 4300 Plomo 300 840 Mercurio 17 57 Níquel 420 420 Zinc 2800 7500 10 Norma Federal 004. Tabla 2 LÍMITES MÁXIMOS PERMISIBLES PARA PATÓGENOS Y PARÁSITOS EN LODOS Y BIOSÓLIDOS Indicador Clase bacteriológico de Patógenos Parásitos contaminación Huevos de Coliformes fecales Salmonella spp. NMP/g en base seca NMP/en base seca A Menor de 1 000 Menor de 3 Menor de 1 (a) B Menor de 1 000 Menor de 3 Menor de 10 C Menor de 2 000 000 Menor de 300 Menor de 35 helmintos/g en base seca . (a): Huevos de helmintos viables NMP: Número más probable Norma Federal 004.Tabla 3. APROVECHAMIENTO DE BIOSÓLIDOS EXCELENTE EXCELENTE O BUENO EXCELENTE O BUENO A durante su aplicación. - Los establecidos para clase B y C. - Usos urbanos son contacto público B C Usos urbanos con contacto público directo directo durante su aplicación. - Los establecidos para clase C. - Usos forestales. - Mejoramiento de suelos. - Usos agrícolas. 11 Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEMARNAT-1996. Que establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales en aguas y bienes nacionales. Esta nos define las concentraciones máximas permisibles de los contaminantes en el efluente para disposición final en el suelo como cuerpo receptor. De acuerdo a esta norma, los contaminantes básicos que deben controlarse, son la presencia de bacterias coliformes fecales (concentración no superior a las 2000 de número más probable por cada 100 ml), materia flotante (ausente) y la concentración de grasas y aceites, hasta el límite permisible de 15 mg/L. valor de pH entre 5 y 10. El resto de parámetros NO aplican por el tipo de cuerpo receptor (Tabla 4). Norma Federal 001.Tabla 4. LIMITES PERMISIBLES DE DESCARGA DE AGUA RESIDUAL TRATADA PARA RIEGO NOM-001-SEMARNAT-1996 Constituyentes básicos Concentración COLIFORMES FECALES NMP/100 ML 2,000 Sólidos suspendidos totales NA Sólidos sedimentables NA Demanda bioquímica de O2 (DBO5) NA Nitrógeno total NA Fósforo total NA Grasa y aceites 25 Mg/Lt Materia flotante Ausente Potencial Hidrógeno 5-10 12 Estatales: Las excretas de bovino se catalogan, en nuestro caso por cantidad generada, como Residuos sólidos de manejo especial por la Ley 847 de prevención y gestión integral de residuos sólidos urbanos y de manejo especial para el estado de Veracruz de Ignacio de la Llave, regula y normaliza el tratamiento de estos y los define en el Artículo 3 Fracción XXIX como: “...Aquellos generados en los procesos productivos, que no reúnen las características para ser considerados como peligrosos conforme a la normatividad ambiental vigente o como residuos sólidos urbanos, o que son producidos por macrogeneradores de residuos urbanos…”. 2.2. Aspectos generales de los digestores Los digestores anaeróbicos frente a la contaminación de residuos pecuarios. Los instrumentos tecnológicos frecuentemente utilizados para el tratamiento de las excretas generadas en el sector pecuario, son los digestores anaeróbicos por su capacidad de degradar residuos con alta carga orgánica, con obtención de biofertilizantes para mejoramiento de productividad del campo y la generación de combustible en forma de biogás (metano). Las tecnologías de tratamiento biológico por vía anaerobia para el tratamiento de lodos o residuos sólidos industriales o agropecuarios, en este caso los digestores, a pesar de requerir una elevada inversión inicial, comparable a una planta de tratamiento de aguas residuales, son una opción adecuada, ya que presentan ventajas importantes al lograr la conversión y reducción biomasa contaminante sin la necesidad de agregar insumos y sus costos de operación y mantenimiento son relativamente bajos (Noyola, 1994). Algunas ventajas son el potencial para generar electricidad, gas y reprocesar el calor generado durante el proceso; reducción de patógenos, virus, protozoarios y otros organismos causantes de enfermedades; mejoramiento en la aplicación de nutrientes al suelo, porque casi 70% del nitrógeno orgánico contenido en las excretas se convierte en amonio; reducción de malos olores, y disminuye la demanda de oxígeno biológico hasta 90% en el efluente tratado, reduciendo así el riesgo de contaminación en los acuíferos. 13 Desde el siglo pasado, la India y China hicieron uso de procesos fermentativos para producir el biogás y tratar ecológicamente las excretas de animales de forma artesanal. Son en estos países, donde se construyeron los primeros digestores que trataban este tipo de residuos. En estas instalaciones donde ocurren estos procesos, se obtienen además un efluente líquido cuyo valor económico como fertilizante es equivalente al del biogás. Diversos estudios realizados, han demostrado que el uso del efluente líquido, representa económicamente más beneficio que el propio biogás. El tratamiento anaerobio de residuales orgánicos (específicamente de excretas de animales), imita a los procesos que ocurren en la naturaleza donde no existen los desechos o desperdicios, sino materia prima para crear otro tipo de material útil para la vida. Es de destacar que en los últimos años el desarrollo de esta tecnología ha estado centrado en los aspectos técnicos principalmente en la identificación del tipo de planta más apropiado para las condiciones dadas, lo que ha permitido su generalización en las zonas rurales. Los primeros digestores que se construyeron en China y en la India fueron de cúpula fija y campana flotante respectivamente; más tarde se desarrollaron otros más sencillos, rápidos de hacer y con materiales más baratos como goma, cloruro de polivinilo (PVC), red-mud-plastic (RMP) y polietileno. En los últimos años en varios países subdesarrollados se están utilizando digestores tubulares de polietileno con el objetivo de reducir los costos de producción mediante el uso de materiales locales y la simplificación de las instalaciones, la operación y el mantenimiento. Tratamiento de excretas 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. En principio, los residuales orgánicos 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). 14 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. Digestores Para residuales con una DBO5 menor de 4,000 mg/L se recomiendan los tratamientos aerobios y para los residuales con DBO5 mayor o igual a 4,000 mg/L los anaerobios. 2.3. Digestión anaeróbica Microbiología y bioquímica de la digestión anaeróbica 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: 1. Las bacterias hidrolíticas y fermentativas, las cuales convierten una variedad de compuestos orgánicos como polisacáridos, lípidos y proteínas en otros productos como el ácido acético, H2, CO2, compuestos monocarbonados, ácidos grasos orgánicos y otros compuestos policarbonados. 15 2. Las bacterias acetogénicas productoras de hidrógeno, las cuales incluyen obligatoriamente a las dos especies facultativas que pueden transformar los productos del primer grupo, los ácidos orgánicos de más de dos átomos de carbono, por ejemplo el butírico y el propiónico y los alcoholes policarbonados como el etanol y el propanol en hidrógeno y acetato. 3. Las bacterias homoacetogénicas, las cuales pueden convertir un espectro amplio de compuestos multi o monocarbonados en ácido acético. 4. Las bacterias metanogénicas, que transforman el H2, CO2 y compuestos monocarbonados, como el metanol, CO y la metilamina en acetato; o pueden formar metano de la decarboxilación del acetato. 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 bioquímicos y poder dirigir el sistema de digestión para producir biogás. Factores que influyen en el proceso de digestión anaeróbica. El tipo de digestor que se propone es el de régimen continuo, es decir será alimentado con excretas durante todo el tiempo de su vida útil, por lo tanto, las consideraciones que en seguida son tomadas en cuenta estarán de acuerdo a ello. 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. 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 ácidos grasos volátiles (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 16 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. La temperatura. 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 (Schmid y Lipper, 1969). Las altas temperaturas causan una declinación del metabolismo, debido a la degradación 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. 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 (Schimd y Lipper, 1969). Existen tres rangos de temperatura para la digestión de residuales, el primero es el mesofílico (de 20 a 45 oC), el segundo es el termofílico (por encima de 45 ºC). El óptimo puede ser de 35 ºC a 55 ºC (Fair y Moor, 1937, citado por Gunnerson y Stuckey, 1986). La ventaja de la digestión termofílica es que la producción de biogás es aproximadamente el doble que la mesofílica, así que, los digestores 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, (Gunnerson y Stuckey, 1986). Sin embargo, se requieren considerables cantidades de energía para calentar los residuales hasta 55 0C. El tercer rango (psicrofílico) ocurre entre los 10 y 25 0C (Cullimore et al., 1985). Existen algunas restricciones para el uso de esta 17 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 (Marchaim, 1992). Nutrientes. 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. Por otra parte, la descomposición de materiales con alto contenido de carbono ocurre más lentamente, pero el período de producción de biogás es más 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). 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 (Marchaim, 1992). 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 toxicidad por generación de amonio. Usualmente, el nivel de amonio libre debe ser mantenido en 80 ppm (Anderson, 1982). Sin embargo, una concentración alta, de alrededor de 1500-3000 ppm, puede ser tolerada (Gunnerson y Stuckey, 1986). Se debe tener precaución para evitar la entrada al digestor de ciertos iones metálicos, sales y sustancias químicas sintéticas (Yongfu et al., 1989). 18 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 superiores a 500 ºC (Yongfu et al., 1989). 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 (Loher, 1974). 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 (Yongfu et al., 1989). Tiempo de retención. Existen dos parámetros para identificar el tiempo de retención de las sustancias en el digestor: a. El tiempo de retención de los sólidos biológicos (TRSB), se determina dividiendo la cantidad de materia orgánica (MO) o sólidos volátiles (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 sólidos en el digestor. b. 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 (An, 1996). 19 2.4. Usos y beneficios del producto final del digestor. El Biogás. Sus propiedades físicas, Utilización y purificación. 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 % (Sasse et a.l., 1991). De forma general, al biogás se ha definido como la mezcla de gases cuya composición varía de acuerdo a los detalles de su producción (Hesse, 1983). Según Prats la composición del biogás procedente de la digestión anaerobia de los excrementos de animales es la siguiente: CH4, 50 al 70 %; CO2, 30 al 50 %; H2S, 1 %; H2, 2 %. Entre las propiedades físicas del biogás más notorias, se encuentra su capacidad de quemarse casi sin olores, con llama azul y un calor de combustión equivalente a 21.5 MJ m3 (573 BTU por pie cúbico o 5,135 kcal m3), valor que puede variar entre 19.7 y 23 MJ m3. Su temperatura de autoignición es similar a la del metano puro y varía de 923 K hasta 1023 K (650-750 °C). Como media, el biogás no purificado produce de 20 a 23 MJ m3 (4700-5500 kcal m3). Hesse ha indicado que un metro cúbico de biogás totalmente quemado, es suficiente para: generar 1.25 kw/h 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 funcionar un motor de 1 HP durante 2 horas. En principio, todos los motores pueden ser adaptados a biogás, pero los más comúnmente usados son los motores de gas-Otto y los de gas-Diesel (Dohne, 1976). Esto quiere decir que un metro cúbico de biogás puede compararse con 0.4 kg de aceite diesel, 0.6 de petróleo o 0.8 kg de carbón. La presión a la que se encuentra el biogás almacenado define la distancia a la que se puede transportar a través de tuberías. Se ha calculado (Borda citado por Hesse, 1983), que a la presión de 0.8 kN m2 (8 cm de columna de agua) puede transportarse 1 m3 de biogás por hora en una tubería de 1.27 cm (1/2”) a una distancia de 20 m, así como en tuberías de 1.91 cm (3/4”) a 20 150m de distancia. Para un diámetro de 2.54 cm (1”) podrá transportarse a 500 m. Si se precisa de 2m-3 por hora se deben disminuir las distancias. 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 (Hesse, 1983). Para las comunidades rurales es más práctico no ocuparse de la remoción del dióxido de carbono. En general los campesinos prefieren un gas menos eficiente que tener tiempo ocupado en el control del mismo, por lo que en las pequeñas granjas esta labor se considera innecesaria. Para grandes plantas de biogás y otras específicas donde los aspectos técnicos son menos onerosos, existen justificaciones económicas para la purificación. El método químico más simple y eficiente de remoción del dióxido de carbono es su absorción en agua de cal. Este método necesita mucha atención por cuanto el agua de cal se agota y necesita recambiarse frecuentemente, lo que trae como consecuencia su preparación frecuente sino se obtiene comercialmente. El agua de cal puede sustituirse por una solución acuosa de etanolamina la cual absorbe el dióxido de carbono (y también el sulfuro de hidrogeno), aunque este proceso es caro para hacerlo rutinario en la purificación del biogás debido al calentamiento periódico a que tiene que ser sometida esta sustancia para su regeneración (Hesse, 1983). Otra alternativa, es utilizar otro residual fuertemente alcalino como medio de absorción de estos gases como son los efluentes de cultivos de microalgas. El líquido efluente del digestor es vertido directamente en un tanque de gran tamaño para producir el alga spirulina. El alga es filtrada para ser usada como alimento de cerdos o patos o bien como aditivo, y el agua residual que tiene un valor de pH de 10 o más es almacenada en un tanque cilíndrico. Esta agua se hace atravesar en contracorriente al biogás. El agua que queda como resultado de esta reacción contiene carbonato de hidrogeno la cual es reutilizada en el cultivo de las algas. 21 El dióxido de carbono es bastante soluble incluso en agua neutral (878 ml/litro a 20 °C) bajo presión atmosférica, así que el lavado con agua ordinaria es quizás el método más sencillo de eliminación de impurezas. El CO2 es soluble en agua mientras que el metano no lo es. A alta presión, la solubilidad del CO2 aumenta proporcionalmente permitiendo que la concentración de metano en el biogás se incremente (Lau-Wong, 1986). Además de los métodos tradicionales de desulfuración con limallas de hierro existe un procedimiento basado en la adición de aire al 1.5 % del volumen de biogás producido (Henning, 1986). Con este método se asegura una disminución del contenido de H2S de aproximadamente 120 ppm o 0.012 % en volumen de biogás. Beneficios de productos de un digestor anaeróbico A manera de recordatorio y tomando en consideración el tipo de actividad así como la forma de llevar a cabo el proceso de producción de ganado bovino de excelente calidad, retomaremos algunas bondades del metabolismo anaeróbico que harán sustentable la actividad y que deben ser tomadas como valor agregado. Una digestión anaeróbica (DA) es en forma sintética, un proceso biológico natural que desarrollan las bacterias para transformar moléculas de peso molecular alto, tales como carbohidratos, grasas y proteínas, a moléculas más simples, bióxido de carbono (CO2), metano (CH4), agua (H2O), ácido sulfhídrico (H2S) y biomasa . Dicha conversión es parte del ciclo natural del Carbono. Tal dinámica molecular cuando es bien manejada, hace de las prácticas pecuarias, una actividad sustentable, económica, balanceada con el medio ambiente, y amigable con los vecinos. La digestión se realiza dentro de un digestor, al cual se canalizan las excretas, la primera ventaja detectable, es el recobro de energía concentrada en las biomoléculas. Ello se debe a un metabolismo bacteriano anaeróbico que produce biogás, dentro de éste, la concentración del metano es mayor. Tal resultado permitirá, por utilización de un generador alimentado por dicho 22 gas, disponer de energía eléctrica para abatir costos de suministro y en consecuencia de producción. El generador durante su operación disipa calor el que puede ser conducido al digestor para elevar la temperatura y hacerlo más eficiente en el proceso de transformación y eliminación de contaminantes orgánicos. Cuando al digestor se le sacan lodos acumulados, con un alto contenido energético (Corlay, 2006) y se genera composta útil para enriquecer el suelo y hacerlo más apto para la agricultura. El efluente puede ser utilizado para fertirrigación al suelo con aporte de nutrientes, lo que resultará benéfico para las prácticas agrícolas asociadas. La producción de metano es un proceso que se realiza en varios pasos o fases. Dos diferentes tipos de bacterias son requeridas. En el primer grupo encontramos todas aquellas que tienen como principal acción la fermentación de las diversas especies de moléculas que conforman los desechos. El producto de su actividad son principalmente ácidos orgánicos de bajo peso molecular, como el hidrógeno y bióxido de carbono. El segundo grupo es exclusivo de bacterias metanogénicas, las que llevan a cabo la reducción del CO2 a metano. La temperatura a manejar se encuentra en el rango mesófilo, la mayoría de instalaciones de éste tipo funcionan alrededor de los 35-40 grados centígrados. Su funcionamiento es bastante estable y de fácil operación. Conjuntamente a la producción de metano como combustible, el uso de digestores reduce la emisión de gases que producen el efecto invernadero. También el proceso metabólico estimula una alta y rápida eliminación de patógenos, alta reducción de sólidos volátiles, eliminación de olores, evita la dispersión de microorganismos al ambiente por corrientes de aire, impide la presencia y proliferación de fauna nociva y establece buenas y amigables relaciones con asentamientos humanos vecinos. Además debemos sumarle otras bondades, este sistema no sufre presión extra por fenómenos atmosféricos, como son la precipitación pluvial extrema y en nuestro caso la deposición de partículas sólidas que forman el polvo y no permite colonización externa de microorganismos que perturben el sistema. 23 3. ANTECEDENTES El tratamiento de los residuos de manejo especial, especialmente las excretas de bovino, resulta cada vez más importante, dada la dimensión del problema que implica, no sólo por el aumento de los volúmenes generados, sino por su mal manejo y disposición final. El uso de los digestores ha propiciado, a través de los años, una excelente tecnología de tratamiento de estos residuos, ya que se obtiene beneficios económicos al tratar correctamente las excretas. Se tiene conocimientos que fue en la India, donde se construyó la primera instalación para producir biogás, en fecha cercana al año 1900; a partir de ese momento se ha incrementado el número de digestores, y actualmente funcionan en ese país alrededor de doscientas mil unidades. China es hoy la región que tiene un mayor número de este tipo de instalaciones, aproximadamente 6,7 millones. A partir del uso y funcionamiento exitoso de los digestores, se ha presentado un gran desarrollo de obras y publicaciones con diferentes enfoques referentes a su uso y aprovechamiento. A continuación se describen algunos trabajos que por su relación con el tema que nos ocupa, destacan: En 1987, Botero y Preston, en su trabajo, biodigestor de bajo costo para la producción de combustible y fertilizante, realizan una metodología de diseño y construcción de biodigestores de flujo continuo, exponiendo los materiales y tiempo que dura la construcción de estos. Guevara (1996) en Fundamentos básicos para el diseño de biodigestores anaeróbicos rurales, exponiendo los elementos básicos que debe contener el diseño de un biodigestor anaeróbico, para el tratamiento de desechos orgánicos de origen doméstico y agropecuario así como para la producción y aprovechamiento energético de los gases y lodos producidos. Fillipin (2001), en Diseño de un biodigestor para obtener gas metano y fertilizantes, desarrolla las condicionantes de inversión, energía, biomasa, tamaño del digestor, uso de efluente y temperatura como determinantes para el diseño. 24 En años posteriores Luís y Ly (2006) integran una metodología sobre la fabricación de un digestor tubular, con los beneficios que con llevan estas tecnologías, específicamente en generación de energía eléctrica, en su trabajo biodigestores como componentes de sistemas agropecuarios integrados. Casas, Rivas y otros (2009) realizaron un estudio de factibilidad que se llevó a cabo tomando en cuenta los costos del equipo y tecnología necesarios para la puesta en marcha de un digestor anaerobio tipo laguna y las ganancias que se generarían a través de la obtención de bonos de carbono basados en el valor de los bonos en el mercado del carbón y la producción de energía eléctrica de acuerdo al valor de los kw/h en establos de 200, 300, 400, 500, 1000, 1500 y 2000 de cabezas de bovino. En el uso de los productos finales de los digestores, encontramos trabajos, los cuales se mencionan a continuación: Cañas (2004), en su trabajo Utilización de biogás para la generación de energía, propone un diseño de dos biodigestores del tipo media bolsa con canal de agua los digestores fueron alimentados diariamente con el estiércol producido por 100 vacas durante 8 horas de ordeño, el objetivo de estos digestores, fue procesar el estiércol de las vacas lecheras, para producir biogás, el cual se utilizo para generar electricidad y cubrir las demandas de energía de los distintos procesos productivos de una finca agropecuario, obteniendo excelentes resultados, al producir energía para las 8 horas que dura el ordeña del ganado. Otros resultados de este trabajo fueron el control de fauna nociva, reducción del efecto invernadero entre otros. Capulín y Núñez (2001), evaluaron la eficiencia del extracto líquido del estiércol bovino en tres formas, en comparación con una solución nutritiva inorgánica con cuatro niveles de conductividad eléctrica en hidroponía. En el 2007 Gropelli, en su publicación, El camino de la biodigestión, expone datos técnicos de los biodigestores, mostrando los beneficios ambientales que producen, así como las ventajas 25 económicas que ofrecen a las familias que cuentan con un sistema agropecuario, las cuales pueden obtener abono rico en nutrientes y producción de gas para cocinar. En 2005, González y Sandoval, en su trabajo de tesis: Diseño de Sistemas de Tratamiento y Aprovechamiento de Purines de Origen Bovino, diseñaron 3 sistemas de tratamiento anaerobios (sistema de digestión anaerobia, lagunas anaerobias y lagunas anaerobias cubiertas), evaluaron la ventaja económicamente los 3 diseños, siendo la laguna, la más económica, tanto en mantenimiento y construcción, también obtienen ventajas significantes, ya que se produce biogás y abonos, los cuales son de relevancia económica en la lechería Fundo Santa Teresa, aprovechando los purines como fertilizante orgánico para el riego de praderas y la obtención de energía a partir de biogás. En trabajos más recientes, González y González (2008) realizaron la construcción de un biodigestor en la granja la estrella localizada en Guanajuato, en donde obtuvieron alrededor de un ahorro aproximado del 40 % de ahorro de ingresos al tratar el biogás producto de la digestión anaeróbica de los residuos provenientes de esta granja, así como abonos, para cultivos que estaban dentro de la granja con resultados gratificantes al obtener frutos con un alto grado nutritivo. Se han realizado también guías para el manejo de engordas estabuladas (“feedlots”), dirigidos a los productores para la producción de carne de calidad, evitando que ocasionen daños a la salud pública y al medio ambiente, entre ellos podemos citar: Pordomingo (2003) en guía de buenas prácticas, manual que intenta resolver la problemática de la instalación y manejo de “feedlots” bajo un perfil ambientalmente saludable. Pretende que este mismo sirva, por un lado como guía para el estudio de la factibilidad ambiental de la instalación de sistemas intensivos para bovinos para carne y, por otro, para identificar carencias de información y legislación, para desarrollar herramientas o políticas que permitan generar un producto sano en un ambiente saludable, y evitar daños al medio ambiente por los residuos generados en estos sistemas mediante la instalación de digestores o lagunas anaeróbicas. 26 En el 2003, la Secretaría de agricultura, ganadería, desarrollo rural, pesca y alimentación establece el “Manual de buenas prácticas pecuarias en el sistema de producción de ganado bovino de carne en confinamiento”, instrumento que sirve a los productores como una guía para ofrecer mercancías seguras y de alta calidad para el consumidor. La aplicación de las buenas prácticas pecuarias aporta beneficios como son evitar que durante la producción primaria la carne presente riesgos de contaminación física, química y microbiológica y proporcionar al consumidor productos estándares de inocuidad confiables que permitan competir en el mercado nacional e internacional. Este mismo contempla sistemas de manejo de ganado estabulado y medidas de acción para las heces de la misma actividad, sugiere su tratamiento mediante depósitos naturales, lagunas artificiales y compost. Como se puede observar, en los últimos años se han desarrollado una serie de trabajos para el tratamiento de las excretas de bovinos, los cuales permiten reducir algunas características indeseables de estos residuos, de manera tal, que se pueda obtener un material estable, con amplias posibilidades de utilizarse como fertilizante y a la vez minimizar el riesgo de contaminación al ambiente. 4. OBJETIVO Proponer una metodología fundamentada en la digestión anaeróbica (digestor anaeróbico), para dar el tratamiento adecuado a los residuos sólidos de manejo especial (excretas) generados en el proceso de engorda de ganado bovino estabulado. 27 5. METODOLOGÍA La metodología, para el caso, se refiere a todo el proceso de diseño y construcción del digestor que debe ser dependiente de los cálculos volumétricos de requerimientos, de medidas de prevención de impactos ambientales, eficiencia, de implementación de programa de manejo preventivo y mantenimiento, por último, el manejo de residuos, los cuales se establecen en los resultados. Para sustentar y lograr lo anterior se revisaron documentos técnicos, libros, artículos, manuales, etc. En el caso particular de nuestra propuesta, el digestor anaeróbico, es prácticamente un contenedor cerrado, hermético e impermeable, dentro del cual se deposita el material orgánico a fermentar, en determinada dilución de agua para que se descomponga, produciendo gas metano y fertilizantes orgánicos ricos en nitrógeno, fósforo y potasio. Debido a las grandes ventajas que presenta esta tecnología, se propone como medida para tratar las excretas de bovinos, entre los beneficios que han derivado del uso de los digestores anaeróbicos, es el recobro de energía concentrada en las biomoléculas. Ello se debe a un metabolismo bacteriano anaeróbico que produce biogás, dentro de éste, la concentración del metano es mayor. Tal resultado permitirá, por utilización de un generador alimentado por dicho gas, disponer de energía eléctrica para abatir costos de suministro y en consecuencia de producción. El generador durante su operación disipa calor el que puede ser conducido al digestor para elevar la temperatura y hacerlo más eficiente en el proceso de transformación y eliminación de contaminantes orgánicos. Cuando al digestor se le sacan lodos acumulados, se genera composta útil para enriquecer el suelo y hacerlo más apto para la agricultura. Por otro lado, el acoplamiento de una laguna de evaporación o reciclado, permite un manejo del agua óptimo. El agua puede ser reciclada al interior de las instalaciones, evaporación para formación de nubes-lluvia con recarga del acuífero y en otro caso, para riego con aporte de nutrientes, lo que resultará benéfico para las prácticas agrícolas asociadas. Consúltese la figura 4. 28 Figura 4. Diagrama de Flujo de la Actividad 29 El metabolismo metanogénico produce esencialmente igual cantidad de metano y bióxido carbono. Sin embargo, las concentraciones típicas obtenidas a partir de un digestor corresponden un 65 % de metano y 35 % de bióxido de carbono. La diferencia radica en que el CO2 es altamente soluble en la fase acuosa contrariamente al CH4 que es liberado con cierta facilidad. El valor energético del biogás (BTU´s) es directamente proporcional al contenido de CH4. El metano puro, tiene aproximadamente 1000 BTU´s por pie cúbico. De tal manera que el biogás producido en el digestor tiene un valor de 650 BTU´s. por pie cúbico. El ácido sulfhídrico se produce dentro del digestor en trazas, un concentración típica es de alrededor del 0.2 %. En el caso de excretas de cerdos se pueden alcanzar valores de 0.5 %. Su solubilidad es relativamente baja, permitiendo su liberación lo que explica la frecuente detección de fuertes olores. Desde el punto de vista técnico, será un recipiente aislado con geomembrana y cubierto con una estructura sintética similar, ambos unidos, lo que permitirá el confinamiento del metano para su posterior manejo. El diseño, por supuesto incluye dispositivos de extracción de biosólidos, un sistema de recolección, tratamiento y quema del biogás. En la culminación del proceso del digestor anaeróbico (DIANA), debe ser considerada un área para instalar el generador de electricidad que será alimentado con el metano producido. Consulte la Figura 5. El DIANA es el tipo de obras que requieren de baja inversión, pero con alta recuperación energética contenida en el producto final. Para el caso particular que nos ocupa y de ser posible, una laguna de reciclado o evaporación estará acoplada al digestor para concentrar el efluente, lo que nos facilitará su retorno al interior del digestor y cuando sea necesario, incorporarlo al suelo para aumentar su productividad. 30 Extractores de lodos Cobertura de Geomembrana Motogenerador Quemador Cárcamo de descarga Purificador de Gas Lodos Figura 5. Esquema general del digestor anaeróbico. 31 6. RESULTADOS En base a la propuesta que se pretende implementar para el manejo de las excretas, y tomando en cuenta aspectos relacionados al cuidado del medio ambiente para hacer de la actividad su aliado, se dan como resultado, aspectos técnicos importantes que deben ser respetados y seguidos, con precisión para lograr construir un sistema eficiente en el tratamiento de los residuos. Por lo anterior, describiremos de la forma más clara y sintética, los diversos y fundamentales aspectos en que se sustenta un buen diseño y operación del digestor: 6.1. Memoria de cálculo Volumen requerido Éste cálculo de volumetría, se realizo considerando las siguientes condiciones: Población del Ganado 1000 cabezas Peso de Entrada 300-350 Kilos/ Cabeza de ganado Finalización del Ciclo de Engorde 90 días Peso del Ganado al Finalizar el Ciclo 600 Kilos Producción Promedio de Excretas 20 Kilos/ Cabeza. Producción diaria: 20,000 kilos 20 toneladas de excretas. Densidad aproximada de la excreta 0.8 Kg/L Volumen aproximado diario 25 m3 Volumen por Ciclo 2,250 m3 Capacidad mínima a proyectar 2,250 m3 32 Volumen diseñado De acuerdo a la forma del recipiente con pendientes de 3:1 y una profundidad de 4.5 metros, se utiliza una fórmula prismoidal (Landaverde, 1963): V = Área superficial + Área de fondo + 4 (Área media) (profundidad/6) Debido a la forma del recipiente, con una profundidad de 4.5 metros, las dimensiones requeridas son: DIMENSIONES LARGO ANCHO SUPERFICIE Superior 30 m 20 m 600 m2 Media 27.5 m 18.5 m 508.75 m2 Fondo 25.5 m 17 m 433.5 m2 600 + 433.5 + (4) (508.75) x (4.5/6) 600 + 433.5 + (2035) (0.75): 600 + 433.5 + 1526.25 Volumen a proyectar para el digestor: 2,559.75 m3 VOLUMEN MÍNIMO REQUERIDO PARA TRATAMIENTO DE EXCRETAS 2,250 m3 VOLUMEN TOTAL DISEÑADO 2,560 3 33 6.2. Memoria descriptiva de construcción de digestor anaeróbico a 6.2.1. Preparación del área Sobre el sitio se trazan las líneas dimensionales de la laguna. Toda el área que será utilizada se limpia de cobertura vegetal (pasto), raíces, piedras, rocas, troncos, etc., para realizar el trabajo se utiliza maquinaria adecuada. recipi y rellenos 6.2.2. Excavación para recipiente La excavación se inicia utilizando maquinaria pesada, el material extraído se limpia de piedras que tengan más de 15 cm de diámetro, y otros materiales que puedan presentar inconveniente en la compactación. El material se concentra en un sitio estratégico para su posterior uso. Una vez terminada la excavación, se da inicio a los rellenos y la formación ción del dique, taludes y fondo Figura 6.- Excavación de tierra. (Figura 6). El relleno será conducido cido en capas horizontales que no excedan 22.86 centímetros de espesor cuando estén sueltas y previas a compactarse. Cada capa será compactada por una cubierta completa con el equipo de transporte y expansión o aplanadora de apisonamiento estándar u otro método equivalente. El equipo uipo de compactación viajará en Figura 7. Cortes y Rellenos una dirección paralela al eje principal del relleno. Los suelos arcillosos deben compactarse con una “pata de cabra” o una aplanadora de apisonamiento. La compactación del material de relleno será de d acuerdo con los requerimientos especificados para compactación y humedad. Se utilizan materiales que al compactarse hagan de la superficie una estructura impermeable. Deben tomarse precauciones durante la construcción para prevenir erosión e excesiva y sedimentación imentación (Figura 7). 34 6.2.3. Revestimiento, compactación e impermeabilización Con el propósito de evitar la infiltración de agua residual, y garantizar la calidad del acuífero, se debe realizar en todos, un estudio geotécnico del sitio, particularmente del área que será afectada. En dicho estudios, se determinan las propiedades mecánicas del suelo, los pesos volumétricos secos de cada estrato, con la finalidad de establecer variaciones volumétricas naturales, a estados compactados para los terraplenes, fondo y taludes del recipiente. Los resultados se presentan como perfiles estratigráficos. De lo anterior, se derivan las especificaciones técnicas de compactación de materiales, para lograr impermeabilizar el recipiente. En resultado final, es la obtención del coeficiente de permeabilidad (K). El valor NO debe ser superior a 1.25 x 10-7 cm/seg lo que equivale a 39.42 cm/año, que de acuerdo al ANUAL BOOK de ASTM (2000), se considera prácticamente permeable a impermeable. Cuando se encuentra material no apto (tierra), será removido mayor volumen del fondo, hasta una profundidad abajo del grado final especificado (4.5 m). Posteriormente éste fondo o cimiento será llenado de nueva cuenta con material que reúne características adecuadas, descritas en el estudio geotécnico. Si el contenido de humedad no es suficiente, se agregará agua para asegurar el óptimo. La compactación del revestimiento incluye la colocación de elevaciones de 22.86 centímetros y compactación de al menos 90 por ciento del máximo de ASTM D698 peso unitario seco del material de revestimiento. Cuando una elevación previa esté lisa o dura, será escarificada y humidificada como se necesite antes de colocar la siguiente elevación. Es oportuno insistir que debe ser consultado el estudio geotécnico. 35 Para lograr una adecuada impermeabilidad en el revestimiento, se requiere un patrón de secuencia de uso del equipo de compactación, lo que contribuye a la uniformidad en su colocación y a un buen proceso de compactación. Una aplanadora de apisonamiento es el tipo de equipo de compactación preferible (Figura 8). El fondo del recipiente del digestor y las caras laterales serán uniformes desde la superficie hasta el fondo. Tanto el Figura 8. Hidratación del material para Compactación fondo como los declives laterales se escarifican a una profundidad mínima de 15.24 centímetros y se compactan con una aplanadora de apisonamiento para reducir la permeabilidad. Durante la construcción, un inspector de calidad designado debe estar presente. Un examen de calidad de materiales de construcción (arcillas) será requerido cuando se considere necesario. También se debe verificar que el revestimiento se instale apropiadamente. El revestimiento debe ser examinado y confirmar una conductividad hidráulica máxima ya señalada, de no ser así, el recipiente debe ser revestido con una nueva capa de material especificado en el estudio, debe promediar un grosor de 30-60 centímetros sobre taludes y fondo. Compactada con material al 95 % de su PVSM de la prueba Proctor CNA. De éste modo se garantiza la no infiltración. Finalmente, cuando se encuentren drenajes naturales sobre terreno, deben desviarse a un mínimo de 4.57 metros de los taludes, como medida perpendicular. Con ello se logra una protección contra la erosión, manteniendo la estructura del recipiente. 6.2.4. Importancia de instalación de geomembrana Una vez terminada la obra civil del recipiente, se inicia el tendido de geomembrana, como parte integral del digestor. El objetivo principal, es lograr una absoluta protección del acuífero y colateralmente, evitar fuga de biogás y malos olores, productos de la digestión anaeróbica de los residuos. 36 La utilización de geomembranas de polietileno como revestimiento impermeable, es bastante extensa, y presenta una gran versatilidad y multiplicidad de aplicaciones, siendo normalmente utilizada para el revestimiento de estructuras de hormigón, presas de tierra, canales de conducción, túneles, estanques de contención y/o regulación, pilas de lixiviación, estanques decantadores, etc. Desde el punto de vista de la resistencia química de las geomembranas de polietileno, estas se utilizan como revestimiento impermeable para la contención de gran diversidad de soluciones agresivas y/ó sólidos, tanto ácidas como alcalinas. Las geomembranas, por sus múltiples características y ventajas, son usadas como revestimiento impermeable en los suelos, para proyectos de ingeniería geotécnica o civil, las geomembranas de HDPE (Polietileno de alta densidad), LDPE (Polietileno de baja densidad), o en su caso las de PVC (Cloruro de polivinilo), presentan las siguientes características: 1. Las láminas de HDPE se fabrican con material resistente a los rayos UV (Ultravioleta) y son alternamente impermeables por ello se recomiendan para su uso en el revestimiento de canales de irrigación y conducción de líquidos que no logran el nivel continuo de líquidos. 2. Las láminas de HDPE tienen buena resistencia química a una variedad de ácidos álcalis y sales, hidrocarburos, solventes y altas temperaturas por lo cual son altamente recomendables para el revestimiento de lagunas de oxidación en plantas de tratamiento de agua, revestimientos y cubiertas de rellenos sanitarios, sistemas de diques de contención de derrames de líquidos contaminantes, etc. 3. Para la estética de canales, lagunas o embalses artificiales las láminas de HDPE se recomiendan ampliamente ya que actualmente se cuenta en el mercado con láminas blancas y verdes así como la tradicional lámina negra de PVC que tienen la capacidad de pigmentarse en una amplia gama de colores. 4. Para el revestimiento de depósitos de agua (lagos, presas, estanques, embalses artificiales, tanques y cisternas) no reaccionan con el agua ni despiden gases tóxicos. 5. No son biodegradables. 37 6. Las láminas o geomembranas de HDPE poseen un amplio rango de elongación hasta ruptura y no está sujeto a esfuerzos de estrés (stress cracking), comparado con otros materiales que tienen un rango de elongación o cadencia limitado. 7. Son fáciles de instalar en campo ya que se adaptan a las irregularidades del terreno. 8. En las geomembranas de PVC que contienen malla de refuerzo se proporciona una resistencia adicional a la tensión, rasgado y punzonamiento superior a las similares son malla de reforzamiento. 9. Para el sellado de grietas en presas y el revestimiento de tubos de concreto se recomienda ampliamente para evitar filtraciones de cualquier tipo. Estos tipos de materiales se liberan con un estricto control de calidad en planta; y las uniones termo soldadas pueden ser probadas para asegurar la hermeticidad. 6.2.5. Despliegue o tendido de geomembrana La superficie deberá ser lisa y sin elementos que puedan perforar o cortar la geomembrana, nivelada en forma continua y uniforme; sin cambios abruptos de pendiente. La superficie de apoyo debe estar compactada, generalmente se considera una compactación igual ó superior al 90% del Proctor modificado, de manera tal que evite asentamientos diferenciales que puedan inducir deformaciones importantes a la geomembrana. En líneas generales, el despliegue debe ejecutarse en el sentido de máxima pendiente de la superficie, no aceptándose soldaduras horizontales en taludes. El traslape debe estar comprendido entre 7 cm y 15 cm según el tipo de soldadura, para asegurar que los excedentes a ambos costados de la línea de soldadura son suficientes para ser sometidos a ensayos destructivos y que la fusión sea ejecutada completamente en el interior del Figura 9. Tendido de geomembrana traslape (Figura 9). 38 6.2.6. Anclaje de la geomembrana Zanjas de anclaje para estructuras de tierra. Para el anclaje de revestimientos de estructuras de tierra, tales como piscinas o pilas de lixiviación, se utiliza una zanja de anclaje perimetral excavada en el terreno y rellena con el mismo material proveniente de dicha excavación; la superficie de apoyo de la zanja de anclaje es uno de los puntos de fijación del revestimiento por lo que debe estar nivelada y compactada, además debe estar libre de afloramientos rocosos, grietas, depresiones y cambios abruptos de pendientes (Figura 10). Figura 10. Excavación en el perímetro para anclaje de la geomembrana Anclaje de geomembranas a hormigón. Para el revestimiento de hormigones, se utilizan perfiles de polietileno (Polylock) que se instalan durante la colocación del hormigón, con el objetivo principal de posibilitar la ejecución de una soldadura entre el perfil y la geomembrana, y de esta manera, asegurar el sello impermeable (Figura 11). Figura 11. Ahogo de la geomembrana 39 6.2.7. Métodos de unión en geomembranas de polietileno Unión por termofusión en el área de traslape de paneles por medio de una máquina autopropulsada, provista de dos rodillos entre los cuales se encaja el traslape de las geomembranas a unir. La aplicación de temperatura se produce antes de los rodillos, mediante una cuña calefactora, a medida que la soldadora avanza propulsada por los rodillos, estos presionan las partes calentadas por la cuña logrando dos líneas de soldadura paralelas separadas por un área libre que constituye el denominado "canal de aire". Tanto la temperatura, como la presión de contacto de las geomembranas y la velocidad de avance de los rodillos son ajustadas Figura 12. Soldadora de termofusión. mediante controles independientes en la soldadora (Figura 12). La selección de los parámetros de soldadura las realiza el operador, según el tipo de polímero, que conforma la geomembrana y las condiciones ambientales, además del espesor de las láminas a unir, entre otras variables (Figuras 13 y 14). Figura 13. Soldadura por cuña caliente. Figura 14. Soldadora por extrusión de material de aporte. 40 Unión por termofusión, con aporte de material de las partes a unir. La soldadura se ejecuta mediante una soldadora guiada manualmente, provista de una cámara de fusión de material de aporte, una boquilla para la extrusión del aporte y una boquilla de precalentado de la superficie que recibirá el material de aporte o extraído. Esta técnica será usada en la construcción del digestor (Figura 15). Figura 15. Sección transversal de una soldadura por cuña. caliente El material de aporte, ya sea como rodón o granulado, es ingresado a la cámara de fusión donde por medio de un tornillo sin fin es hecho fluir a través de la boquilla de extrusión. Mientras el operador guía la boquilla de extrusión apoyándola sobre las partes a unir, un flujo de aire caliente expelido por la boquilla de precalentado prepara las superficies previamente pulidas para su perfecta adherencia con el cordón de soldadura. Las variables de control para este tipo de máquina son la temperatura de fusión del material de aporte, que dependerá del tipo de polímero empleado y la temperatura del flujo de aire caliente, que dependerá del espesor de las láminas y de las condiciones ambientales. La totalidad de los detalles, parches y uniones especiales pueden ser ejecutados por medio de este método. Previa a la ejecución de la soldadura las superficies a soldar por el método de extrusión deben ser previamente unidas a modo de garantizar el contacto pleno de las superficies bajo el cordón de soldadura. Tal es el caso que nos ocupa (Figura 16). Figura 16. Proceso de soldadura por extrusión en HDPE 41 6.2.8. Control de calidad 1. Ensayos no destructivos. Una vez ejecutada la línea de soldadura y antes de realizar la extracción de los testigos para ensayos destructivos, la estanqueidad del sistema en las zonas de unión debe ser comprobada por medio de ensayos no destructivos. Existen fundamentalmente tres tipos de ensayos no destructivos para la verificación de la estanqueidad de las uniones, ellos son los que a continuación se indican. Caja de vacío: Se ejecuta sobre las uniones realizadas por extrusión. Consiste en someter la totalidad del cordón de soldadura a una presión de vacío determinada por el espesor de la geomembrana. Prueba de chispa eléctrica (Spark Test): La prueba de chispa eléctrica se utiliza en cordones de extrusión a los cuales se les ha dejado inserto un alambre de cobre previo a la colocación del material de aporte. Este ensayo se lleva a cabo utilizando un dispositivo semejante a una escobilla metálica conectado a una fuente de energía eléctrica, la existencia de porosidades o discontinuidades en la soldadura producirá que la unidad emita una señal audible o chispa eléctrica. Prueba de canal de aire: Consiste en la aplicación de aire a presión dentro del canal de aire o espacio dejado por la soldadora de cuña caliente, y se verifica que no exista perdida de presión. 2. Ensayos destructivos. A diferencia de los ensayos no destructivos, que tienen como objetivo determinar la estanqueidad de todas las uniones del revestimiento, los ensayos destructivos sirven para evaluar estadísticamente la calidad de las soldaduras. Los ensayos son ejecutados en probetas cortadas directamente desde el revestimiento recién unido, ya sea por extrusión o por cuña caliente. Para ambas uniones los ensayos son de dos tipos: Corte: Consiste en someter la unión entre las láminas de la probeta de ensayo a un esfuerzo de corte directo ejecutado a una velocidad determinada. Para esto, se fijan los extremos (respecto al eje de soldadura) a las respectivas tenazas del tensiómetro y se procede con el ensayo. Una vez finalizado el ensayo se registra la máxima resistencia de la probeta y se indica si la falla se produjo fuera o en la soldadura. 42 Desgarre: El procedimiento es semejante en metodología y condición de aprobación al ensayo de corte. Su diferencia radica en que para someter a desgarre la soldadura, los extremos de la probeta, asidos por las tenazas, corresponden a las láminas ubicadas a un mismo extremo de la soldadura. La aprobación de la probeta requiere que la eficiencia al desgarre iguale o exceda las especificaciones de construcción. Este ensayo es ejecutado para ambos extremos de la probeta en el caso que la unión esté provista de canal de aire. Tomando como sustento lo anterior, resulta evidente que no existirá infiltración a los mantos acuíferos. 6.2.9. Instalación de sistema de extracción de biosólidos o lodos Antes de que el recipiente sea cubierto e inicie su operación, es importante la instalación de tuberías de PVC hidráulico de alta especificación, perforado con orificios de 10-15 mm de diámetro, sobre el talud y en ramales encima la geomembrana de la base del fondo. A ellos en el futuro, se conecta una bomba de extracción para drenar los biosólidos y recuperar la capacidad volumétrica del DIANA. En otros casos, se podría instalar agitadores mecánicos para mezcla de su contenido, estimulando la biodegradación y la producción de metano. 6.2.10. Cobertura del recipiente y conclusión del digestor Una vez terminado el tendido de la geomembrana sobre el recipiente del digestor anaeróbico (DIANA), se procede antes de la descarga de residuos, el vaciado de aproximadamente unos 10,000 m3 de agua cruda para inicio de operación. La mezcla de excretas con agua representa un inóculo excelente para arranque de la digestión. En las fotografías que se exponen más adelante, se puede observar el sistema interno de extracción de lodos o biosólidos del DIANA. Aparece como tubería de PVC de color blanco. Durante los siguientes días la descarga continúa hasta su llenado, posteriormente se procede a su cobertura. 43 La cobertura de DIANA se hace soldando una nueva geomembrana, a la anteriormente comentada. Se realiza el trabajo sobre los extremos perimetrales. De esta manera queda cubierto. La captura del biogás, sucede de forma inmediata. Las siguientes fotografías corresponden al digestor con cobertura y al inicio de captura del mismo. De ellas, resulta evidente la producción constante de Biogás (Figuras 17, 18 y 19). Figura 18. Inicio de descarga, sobre amortiguador de agua para mezcla de residuos en el recipiente Figura 17. Recipiente de DIANA. Sistema interno de extracción de Biosólidos. Figura 19. Cobertura y Producción de Biogás 6.2.11. Otros elementos accesorios del DIANA Otros componentes de DIANA, son el medidor de flujo y secado de biogás, el quemador, el motogenerador de electricidad alimentado con metano, producto de la digestión y una laguna de reciclado o de evaporación. Para dar una idea más concreta, resulta más adecuado mostrarlo en fotografías. A continuación presentamos algunas de ellas (Figuras 20, 21 y 22). En la laguna reciclado o de evaporación, se concentrará el efluente. La forma de construir es similar al recipiente de DIANA. El efluente se reciclará al suelo, su contenido de nutrientes, principalmente nitrógeno y fósforo, incrementará la productividad del mismo. En otro caso, se 44 reciclara al interior del DIANA, para mantener constante la cantidad de fase líquida en su interior. Los parámetros fisicoquímicos y biológicos de la descarga, se pronostica que estarán dentro de norma. Los lodos, serán extraídos por succión. Ellos son ricos en nutrientes, por lo mismo se tiene pensado utilizarlo como mejorador de la calidad nutricional del suelo. Figura 20. Quemador Figura 21. Medidor de flujo y tanque de secado de biogás. Figura 22. Motogenerador para producir electricidad 45 6.3. Programa de manejo ambiental Para mantener al DIANA en perfecto estado físico y operacional, para que represente un ejemplo de responsabilidad ecológica de tratamiento de residuos sólidos de manejo especial en su modalidad excretas, producto de evacuaciones de engorda estabulada de ganado bovino, es importante implementar un programa de administración ambiental básico que considere los siguiente puntos. PROGRAMA BÁSICO DE ADMINISTRACIÓN AMBIENTAL ACTIVIDADES. ESTRATEGIA Construcción de la estructura Compactación de taludes, inferior. Recipiente de fondo, e confinamiento de excretas impermeabilización Tener cuidado en BENEFICIO ECOLÓGICO Cuidado del manto acuífero el proceso de soldado de tramos de geomembrana. Compactación Instalación de geomembrana. en perímetro de Revisión diaria proceso Prueba de el anclaje. del instalación. de resistencia. Se garantiza la NO infiltración al subsuelo. Mantenimiento de la calidad del agua subterránea Prueba de soldado 46 ACTIVIDADES. ESTRATEGIA BENEFICIO ECOLÓGICO Soldadura cuidadosa de la Confinamiento de biogás. geomembrana. Cobertura del digestor diaria Revisión No contingencia por del proceso de precipitación pluvial instalación. Prueba de Se evita presencia de fauna resistencia. Prueba de nociva soldado Se evita dispersión de olores Vigilancia continúa en el equipo de medición de No emanación de biogás a la presión Operación del digestor del biogás atmósfera. producido. Se impide Quema del biogás. global. el calentamiento Vigilancia constante de la Se evita la presencia de malos estructura superficial para olores. evitar fugas Limpieza de áreas circundantes a digestor. Revisión de zona de Revisión de flujo de efluente a anclaje. Mantenimiento la laguna secundaria o de reciclado Extracción de lodos. Análisis de inocuidad de lodos. Mantenimiento de bondades del sistema en beneficio del medio ambiente Mejoramiento de la calidad del suelo Mantenimiento de la vocación del suelo Utilización de lodos como abono. 47 ACTIVIDADES. ESTRATEGIA BENEFICIO ECOLÓGICO El agua a reciclar estará en Análisis de calidad de norma por lo que será útil para efluente aportar nutrientes Análisis de la calidad del Determinación acuífero Monitoreos suelo. de la vulnerabilidad del acuífero Análisis de calidad del Aumento aire. al Presencia bacteriopatógenos de la calidad y de vocación del suelo Mantener la calidad del aire Bitácora de producción de Evaluación del método y su biogás correlación con el mejoramiento ambiental 7. CONCLUSIÓN El digestor anaeróbico (DIANA), representa una metodología segura y sustentable para el tratamiento de residuos sólidos de manejo especial generados dentro de instalaciones de engorda estabulada de ganado bovino. Elimina los contaminantes producidos por las excretas y su biota asociada; proporciona energía en forma de metano que puede ser transformado a energía eléctrica a través de un motogenerador; los biosólidos extraídos y el efluente, es útil para aumentar la fertilidad del suelo; participa sustancialmente en la represión del calentamiento global; mantiene la calidad del aire, al impedir la diseminación de contaminantes biológicos (patógenos) y malos olores; impide la proliferación de fauna nociva, principalmente insectos. Hace de la ocupación pecuaria una actividad sustentable con amplio margen de valor agregado. 48 LITERATURA CONSULTADA An, X. The Impact of Low-Cost Polyethylene Tube Biodigesters on Small Farms in Vietnam; MSc Thesis. Univ. Uppsala. Uppsala.1996 Anderson, G.K. Donnelly, T. y McKeown, K.J. Process Biochem. 17: 28-32. AOAC. 1980; Official methods of analysis; Association of official analytical Chemits,Washington. 1982 Arimany, D. 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