Biodigestor: para qué sirve, tipos, ventajas, desventajas
Un biodigestor es un tanque cerrado donde se genera gas metano y fertilizante orgánico a partir de la fermentación anaeróbica de materia orgánica. El fundamento biológico es la descomposición de la materia orgánica por la acción de bacterias mediante hidrólisis, acidificación, acetanogénesis y metanogénesis.
El biodigestor provee las condiciones controladas necesarias para el proceso de biodigestión. Luego de este proceso se obtienen como productos finales biogás (metano, bióxido de carbono, nitrógeno y ácido sulfhídrico), biosol (fertilizante sólido) y biol (fertilizante líquido).
El funcionamiento básico parte de agregar residuos orgánicos y agua a un contenedor hermético, en el cual se genera el proceso de fermentación anaeróbica. Luego se extrae el biogás para su almacenamiento, uso directo o como el fertilizante.
Los tres tipos básicos de biodigestores de acuerdo a su sistema de carga son discontinuos, semicontinuos y continuos. Los biodigestores discontinuos se cargan de desechos orgánicos una única vez en cada proceso de producción, luego se extrae el fertilizante para iniciar otro ciclo.
Los de carga semicontinua, se cargan en períodos regulares extrayendo la cantidad de fertilizante equivalente al volumen cargado. Los sistemas continuos son plantas industriales con una carga de materia orgánica permanente, así como la extracción del biogás y fertilizante.
Entre las ventajas de los biodigestores se encuentran el permitir un manejo adecuado de los desechos orgánicos, reciclandolos y reduciendo riesgos ambientales. Adicionalmente, se produce energía (biogás) y fertilizantes orgánicos, lo cual genera un valor económico y ambiental.
Sin embargo, también hay ciertas desventajas como el consumo de agua, la dificultad de mantener los niveles idóneos de temperatura y presencia de sustancias dañinas (ácido sulfhídrico, siloxenos). Igualmente resalta la acumulación de la materia prima cerca del área y riesgos de explosiones.
Se puede construir un biodigestor casero con relativo bajo costo y procesar los desechos orgánicos de la cocina. Para esto solo se requiere un tonel de tapa hermética y algunos materiales de fontanería (tubos PVC, llaves de paso, entre otros).
A una escala mayor, en casas de zonas rurales el sistema más económico y de construcción relativamente fácil es el salchicha. Este sistema consiste básicamente en una bolsa de polietileno sellada y con las conexiones correspondientes.
Índice del artículo
- 1 Para qué sirve
- 2 Cómo funciona
- 3 Tipos
- 4 Ventajas
- 5 Desventajas
- 6 Cómo hacer un biodigestor casero
- 7 Referencias
Los biodigestores son alternativas tecnológicas muy útiles bajo la óptica del manejo sostenible de desechos orgánicos y la producción de energía renovable. Por ejemplo, proporcionan una alternativa para el reciclaje de desechos orgánicos sólidos y líquidos, que se transforman en materia prima para el biodigestor.
Reciclar de esta forma los desechos orgánicos reduce su impacto contaminante y genera ahorros en su manejo. Los biodigestores se emplean para el tratamiento de aguas residuales, procesamiento de desechos orgánicos sólidos urbanos y de desechos agrícolas y pecuarios.
El proceso de digestión anaeróbica genera como productos biogás y fertilizante orgánico.
Biogás
El biogás tiene alrededor de 60% de gas metano que es un combustible de alto poder calórico y se puede emplear para la producción de energía. La misma puede ser utilizada para cocinar, generar energía eléctrica (turbinas a gas), mover motores o calentar.
Biofertilizantes
Los biofertilizantes resultantes de los biodigesteros se obtienen en estado (biosol) y líquido (biol) con altos niveles de macro y micronutrientes. A partir del biol se pueden obtener de forma aislada macronutrientes básicos (fósforo, nitrógeno y potasio) mediante procesos de ultrafiltración y ósmosis inversa.
El biol contiene cantidades importantes de hormonas de crecimiento útiles para el desarrollo vegetal como ácido indol-acético, giberelinas y citoquininas entre otras.
El biodigestor funciona generando un proceso de biogasificación mediante digestión anaeróbica, a partir de la descomponiendo la materia orgánica hidratada y en ausencia de aire. Esto ocurre mediante un proceso de fermentación que tiene como productos principales gas metano (CH4) y bióxido de carbono (CO2).
Se realiza a través del tanque de carga, el cual consiste en un depósito en el que se prepara la materia orgánica para ser agregada por el tubo de carga al biodigestor.
Procesamiento de la materia orgánica y carga
El biodigestor debe ser alimentado periódicamente con materia orgánica y agua suficiente para la capacidad de carga del mismo. En este sentido, se debe dejar el 25% del volumen del biodigestor libre para la acumulación del gas producido.
A su vez, el tipo y calidad de materia orgánica influirá también en la productividad y el uso o no del residuo sólido y líquido como fertilizante. Algunos desechos orgánicos pueden generar problemas en el proceso de fermentación, como los residuos de frutas cítricas que pueden acidificar demasiado el medio.
El material debe ser triturado o reducido al menor tamaño posible, y para facilitar la fermentación y la mezcla debe contener un 75% de agua y un 25% de materia orgánica. La misma se debe agitar periódicamente a fin de garantizar la homogeneidad del proceso de fermentación en la mezcla.
Temperatura y tiempo de retención
El tiempo de retención de la materia orgánica en el biodigestor para lograr su total fermentación dependerá del tipo de esta y de la temperatura. A mayor temperatura ambiente, más rápido será la fermentación (por ejemplo a 30 ºC puede tomar unos 20 días para recargar el biodigestor).
En el proceso actúan bacterias que requieren condiciones ambientales adecuadas como ausencia de aire, temperaturas superiores a 20 °C (ideal 30-35 ºC) y un medio no muy ácido. En estas condiciones se desarrollan tres fases:
Hidrólisis
En este proceso actúan bacterias hidrolíticas que secretan enzimas extracelulares. Por tanto, se descomponen las cadenas complejas de los carbohidratos, proteínas y lípidos en trozos menores solubles (azúcares, aminoácidos y grasas).
Acidificación o etapa fermentativa
Los compuestos solubles de la fase anterior son fermentados a ácidos grasos volátiles, alcoholes, hidrógeno y CO2.
Acetanogénesis
Entran en juego bacterias acetogénicas que oxidan los ácidos orgánicos como fuente de carbono. Las mismas generan ácido acético (CH3COOH), hidrógeno (H2) y bióxido de carbono (CO2) y se producen olores desagradables por la presencia del ácido sulfhídrico.
Formación de metano o fase metanogénica
En la última fase actúan bacterias metanógenas que descomponen los productos de la acetanogénesis generando metano. En la naturaleza estas bacterias actúan en pantanos, ambientes acuáticos y en el estómago de rumiantes.
Al final de esta fase la mezcla contiene metano (45 a 55%), bióxido de carbono (40 a 50%), nitrógeno (2 a 3%) y ácido sulfhídrico (1,5 a 2%).
La tasa de producción del biogás y fertilizante depende tipo de biodigestor, la materia orgánica que lo alimente y de la temperatura. El biogás se acumula en la parte alta del biodigestor y es extraído mediante tuberías a depósitos de almacenamiento.
Una vez finalizada la fermentación se extrae el fango (una mezcla de sólidos y líquido) mediante tuberías. La descarga se produce por el principio de vasos comunicantes, es decir, al cargar nuevo material la presión hace salir el excedente por el lado opuesto.
La proporción entre la cantidad de materia introducida (desechos orgánicos y agua) y el producto de salida (biosol y biol) es casi 1:0,9. Esto equivale a un rendimiento del 90%, donde la mayor proporción corresponde al biol (líquido).
El gas producido debe ser purificado para eliminar o disminuir el contenido de ácido sulfhídrico y de agua usando trampas para atrapar ambos compuestos. Esto es necesario para disminuir el riesgo de daño a los equipos por el poder corrosivo de estos componentes.
Trampa de agua
El agua arrastrada por el biogás precipita cuando la tubería se abre a un espacio mayor y el gas continúa por otra constricción. Esta tubería desemboca en un recipiente amplio y hermético para contener el agua que posteriormente es extraída por una llave de purga en la parte inferior.
Trampa de ácido sulfhídrico
El proceso para extraer el ácido sulfhídrico del biogás es similar al de la trampa de agua, pero la trampa intercalada en la trayectoria de la tubería debe contener virutas o esponjas de hierro. Cuando el biogás atraviesa la cama de hierro, el ácido sulfhídrico reacciona con este y precipita.
La mezcla de biosol y biol se somete a un proceso de decantación a fin de separar ambos componentes. El biosol puede emplearse solo o seguir un proceso de mezcla con compostaje para su posterior utilización como fertilizante sólido.
El biol se emplea como fertilizante foliar líquido o agregado en el agua de riego por lo que es muy útil en sistemas hidropónicos.
Los biodigestores se clasifican de acuerdo a su periodicidad de carga y forma estructural. Por su periodicidad de carga tenemos:
El sistema discontinuo o batch consiste en un tanque hermético que se carga completo y no se vuelve a cargar hasta que ya ha dejado de producir biogás. El gas se acumula en un colector flotante adosado en la parte superior del tanque (gasómetro).
Este tipo de biodigestor se emplea cuando la disponibilidad de desechos orgánicos es intermitente.
A diferencia del sistema discontinuo, las cargas y descargas se realizan a plazos determinados durante el proceso de producción de biogás. De acuerdo a su sistema constructivo existen tres tipos básicos:
Biodigestor de globo o salchicha
Se le llama también taiwanés y consiste en una fosa plana recubierta de concreto donde se instala una bolsa o cilindro de polietileno. A esta bolsa se le deben instalar las conexiones para el ingreso de los desechos orgánicos y la salida del biogás.
El cilindro se llena de agua y aire y posteriormente se va agregando la carga de desecho orgánico.
Biodigestores de domo fijo
Es el denominado biodigestor chino y consiste en un tanque subterráneo construido en ladrillo o concreto. El tanque es un cilindro vertical con extremos convexos o redondeados y dispone de un sistema de carga y otro de descarga.
El biogás se acumula en un espacio establecido para tal fin bajo la cúpula superior. El biodigestor funciona con una presión variable de biogás de acuerdo a su producción.
Biodigestor de domo flotante
Denominado biodigestor hindú, consiste en un tanque cilíndrico subterráneo con sistema de carga y descarga. Está construido en ladrillo o concreto y en su parte superior se encuentra un tanque flotante (gasómetro) en el cual se acumula el biogás.
El gasómetro de fibra de vidrio recubierta de plástico o de acero inoxidable flota sobre la mezcla gracias al biogás acumulado. Tiene la ventaja de que mantiene una presión de gas constante.
Posteriormente, el gasómetro sube y baja dependiendo del nivel de mezcla y cantidad de biogás. Por tanto, se requiere de rieles laterales o una vara guía central que evite el roce con las paredes.
En este caso, la carga y descarga del biodigestor es un proceso continuo, por lo que requiere de disponibilidad permanente de desechos orgánicos. Son sistemas industriales de grandes dimensiones empleados generalmente para el procesamiento de aguas servidas de comunidades.
Para esto, se emplean sistemas de tanques de recolección, bombas para el traslado a los biodigestores y extracción del fertilizante. El biogás es sometido a un sistema de filtrado y distribuido mediante compresión para garantizar su distribución a los usuarios.
La instalación de un biodigestor permite el reciclaje de los desechos orgánicos, reduciendo así la contaminación ambiental y obteniendo productos útiles. En el caso del medio rural es particularmente importante para el manejo de excretas animales en los sistemas pecuarios.
El biogás representa una fuente de energía eficiente y económica, principalmente en zonas donde la disponibilidad de otras fuentes de energía no es accesible. En zonas rurales de países económicamente deprimidos se cocina con leña, lo cual impacta al medio ambiente.
La disponibilidad de biogás puede ayudar a reducir la demanda de leña y por tanto tener un impacto positivo en la conservación de la biodiversidad.
Mediante los biodigestores se obtienen fertilizantes orgánicos sólidos (biosol) y líquidos (biol). Estos fertilizantes tienen un menor impacto ambiental y reducen los costos de la producción agrícola.
Al permitir un manejo adecuado de los desechos orgánicos se reducen los riesgos que estos representan para la salud. Se ha determinado que el 85% de los patógenos no sobrevive al proceso de biodigestión.
Por ejemplo, los coliformes fecales a 35 °C se reducen entre un 50 y un 70% y los hongos en un 95% en 24 horas. Por ello, al ser un proceso cerrado se reducen los malos olores.
El sistema es exigente en cuanto a disponibilidad de agua, ya que se requiere una mezcla. Por otra parte, el biodigestor debe estar cerca de la fuente de materia prima y del sitio de consumo del biogás.
El biodigestor debe mantener una temperatura constante cercana a los 35 °C y dentro de un rango entre los 20 y 60 ºC. Por tanto, se puede requerir un aporte externo de calor.
Se puede producir ácido sulfhídrico (H2S), que es tóxico y corrosivo, y siloxenos derivados de silicona contenidos en productos cosméticos y en la mezcla de desechos orgánicos. Estos siloxenos generan SiO2 (dióxido de silicio), el cual es abrasivo para maquinarias y componentes.
La presencia y concentración de estos subproductos depende de la materia prima empleada, proporción de agua y sustrato sólido entre otros factores.
Se requiere acumular los desechos cerca del biodigestor, lo cual trae consigo problemas logísticos y sanitarios que deben encararse.
Al tratarse de un sistema generador de un gas combustible, implica un cierto riesgo de explosiones si no se toman las debidas precauciones.
Aunque el mantenimiento y manejo del biodigestor es relativamente económico, los costos de instalación y construcción iniciales pueden ser relativamente altos
Un biodigestor requiere como elementos básicos y un tanque para la fermentación, tuberías de carga y descarga con sus respectivas llaves de paso. Además, son necesarios depósitos para el biogás y el fertilizante.
Es importante tener en cuenta que todo el sistema debe ser hermético para evitar las fugas de gas. Por otra parte, el sistema debe construirse con materiales inoxidables como PVC o acero inoxidable para evitar daños por el agua y el ácido sulfhídrico.
Puede emplearse un tonel o tanque plástico cuya capacidad dependerá de la cantidad de desechos orgánicos que se aspire procesar. Este depósito debe tener una tapa hermética o, en su defecto, la tapa debe ser sellada con pegamento plástico resistente a altas temperaturas.
El tanque debe tener cuatro orificios y todas las instalaciones realizadas en ellos deben ser selladas con silicona de alta temperatura.
Tapa de carga
Este orificio va en el centro de la tapa del tanque, debe tener al menos 4 pulgadas e instalarse un tapón sanitario con rosca. Este tapón irá conectado a un tubo de 4 pulgadas de PVC que entrará verticalmente en el tanque hasta 10 cm antes del fondo.
Esta entrada servirá para cargar los desechos orgánicos previamente desmenuzados o triturados.
Orificio 1 de desagüe de efluentes
Es importante recordar que el 25% del espacio del tanque debe dejarse libre para la acumulación del gas, por lo que se debe abrir un orificio en la parte lateral a ese nivel. En esta perforación se instalará un adaptador para tanque con un segmento de tubo PVC de 2 pulgadas de 15 cm de longitud con una llave de paso.
Este desagüe tiene por función permitir la salida del biol sobrenadante una vez que se recarga el tanque por la tapa de carga. El biol debe ser almacenado en envases adecuados para su posterior uso.
Orificio 2 de desagüe de efluentes
Este segundo desagüe debe ir en la parte inferior del tanque a fin de extraer la parte más densa del producto fermentado (biosol). Igualmente se empleará un segmento de tubo PVC de 2 pulgadas de 15 cm de longitud con llave de paso.
Salida de biogás
En la tapa del tanque se abrirá un orificio de 1/2 pulgada para instalar una tubería PVC de igual diámetro mediante un adaptador de tanque. Esta tubería tendrá una llave de paso en la salida.
El tubo de salida del biogás debe tener al menos 1,5 m de longitud, para poder intercalar en su trayectoria los sistemas de extracción de agua y de ácido sulfhídrico. Luego este tubo puede extenderse si es necesario para trasladar el gas a su lugar de almacenaje o uso.
Extracción de agua
Para sacar el agua la salida la tubería debe interrumpirse a los 30 cm para intercalar un envase plástico o de vidrio con tapa hermética. El tubo de traslado del gas debe tener una derivación mediante una conexión en T, a fin de que el gas penetre en el envase.
De esta forma el gas llena el envase, el agua se condensa y el gas sigue su camino por la tubería.
Extracción de ácido sulfhídrico
Luego de la trampa de agua, en los 30 cm siguientes se intercala un segmento de tubería de 4 pulgadas mediante las reducciones correspondientes. Este segmento debe llenarse con virutas de hierro o con esponjas metálicas comerciales.
El ácido sulfhídrico reaccionará con el metal y precipitará, mientras que el biogás va a continuar el recorrido hasta el envase de almacenamiento o sitio de uso.
- Aparcana-Robles S y Jansen A (2008). Estudio sobre el valor fertilizante de los productos del proceso de fermentación anaeróbica para producción de biogas. Germna ProfEC. 10 p.
- Corona-Zúñiga I (2007). Biodigestores. Monografía. Instituto de Ciencias Básicas e Ingeniería, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo. Mineral de la Reforma, Hidalgo, México. 64 p.
- Manyi-Loh C, Mamphweli S, Meyer E, Okoh A, Makaka G and Simon M (2013). Microbial Anaerobic Digestion (Bio-Digesters) as an Approach to the Decontamination of Animal Wastes in Pollution Control and the Generation of Renewable Energy. International Journal of Environmental Research and Public Health 10: 4390–4417.
- Olaya-Arboleda Y y González-Salcedo LO (2009). Fundamentos para el diseño de biodigestores. Módulo para la asignatura de Construcciones Agrícolas. Facultad de Ingeniería y Administración, Universidad Nacional de Colombia, sede Palmira. Palmira, Colombia. 31 p.
- Pérez-Medel JA (2010). Estudio y diseño de un biodigestor para aplicación en pequeños ganaderos y lecheros. Memoria. Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad de Chile. Santiago de Chile, Chile. 77 p.
- Yen-Phi VT, Clemens J, Rechenburg A, Vinneras B, Lenßen C and Kistemann T (2009). Hygienic effects and gas production of plastic bio-digesters under tropical conditions. Journal of Water and Health 7: 590–596.