PRODUCCIÓN DE BIOGAS CON RESIDUOS SOLIDOS URBANOS

I.          Introducción

En la presente investigación tratamos un tema de suma importancia como es el aprovechamiento de los residuos sólidos orgánicos urbanos para la producción de biogás mediante la biometanización. En este sentido podemos decir que la biometanización, también conocida como digestión anaerobia, consiste en la degradación de la materia orgánica en ausencia de oxígeno para la obtención del biogás como producto principal; el biogás está compuesto principalmente por metano y contribuye al 20% del efecto invernadero antropogénico; aplicando esta tecnología se consigue reducir el volumen de residuos destinados a los vertederos, con la consecuente emisión de metano a la atmósfera, y el aprovechamiento del biogás como fuente de energía sostenible (Cuesta, 2015). Es así que la importancia del aprovechamiento de los residuos orgánicos urbanos empieza a adquirir una mayor dimensión por el acelerado crecimiento urbanístico y la necesidad que se tiene de reutilizar materias primas desechadas. Puesto que, los residuos sólidos han ocasionado impactos ambientales negativos por su disposición inadecuada y porque cada vez son más, asociado al incremento de la población humana, a los procesos de transformación industrial, y a los hábitos de consumo de la población (Jaramillo y Zapata, 2008). Por otra parte, se puede afirmar que, el biogás, como fuente de energía renovable, ha despertado un gran interés en los últimos años, siendo tal vez una de las tecnologías de más fácil implementación, sobre todo en los sectores rurales (Varnero, 2011). Asimismo, podemos agregar que, el biogás, que es una mezcla de metano, dióxido de carbono y otros gases minoritarios, puede ser utilizado como combustible puesto que, si bien su composición depende de la materia orgánica digerida, la riqueza en metano suele estar entorno al 60% (Condorchem, 2019)

En cuanto a los antecedentes internacionales, se han encontrado algunas investigaciones similares con nuestro tema; es así que tenemos en primer término una investigación titulada obtención de biogás a partir de residuos sólidos urbanos para su inyección a red, estudia las diferentes etapas del proceso de digestión anaerobia; debido a que en la actualidad esta tecnología está siendo utilizada en la Comunidad de Madrid, en concreto en el municipio de Rivas Vaciamadrid, explicando de manera general el tratamiento que reciben los distintos residuos que llegan a dichas instalaciones (Cuesta, 2015). Por otra parte en una monografía acerca del aprovechamiento de los residuos sólidos orgánicos en Colombia, pretenden consolidar y sistematizar la información existente para hacer un análisis reflexivo en torno al aprovechamiento de los residuos sólidos orgánicos urbanos que sirva de insumo en la formulación de lineamientos y directrices para los entes reguladores (Jaramillo y Zapata, 2008). De igual forma en una tesis sobre la producción de biogás a partir de residuos orgánicos de búfalo mediante la biodigestión en el municipio de Rionegro, Santander, estudia el potencial de biometanización del estiércol de búfalo producido en una finca ubicada en Rionegro, Santander mediante la digestión anaerobia con la finalidad de obtener biogás que supla su demanda mensual de gas licuado de petróleo para uso doméstico (Vega y Silva, 2020). Asimismo, se tiene un artículo acerca del estudio de la generación de biogás a partir de basura orgánica, usando un biodigestor domestico; concluyen que, el proceso de digestión anaeróbico usando biodigestores modulares domésticos, es una alternativa viable para generar biogás para ser usado en la cocción de los alimentos (Quechulpa et. al., 2020).

Con respecto a los antecedentes de índole nacional se tiene un artículo publicado por la Universidad Nacional de Trujillo titulado Sistemas de producción de biogás: fundamento, técnicas de mejora, ventajas y desventajas; manifiestan que, el biogás es una fuente de energía que se puede utilizar como combustible para generar electricidad, calor y/o energía mecánica a partir de fuentes renovables como cultivos energéticos, de residuos urbanos, agrícolas y agroindustriales; además, juega un papel importante en la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero (Mamani et. al., 2021). De igual manera en un artículo acerca de la tecnología del biodigestor para el desarrollo rural, publicado por el Midagri, plantea estrategias que permitirían, no solo la adopción masiva de biodigestores, de efecto inmediato contra el cambio climático, sino que procuraría bienestar a las familias y permitiría reducir la desigualdad y la pobreza rural actuales (Botero, 2011). Asimismo se tiene un artículo  en el que dice que solo aprovechamos el 1% de residuos orgánicos e inorgánicos que generamos; al respecto plantea que, uno de los problemas de salud pública que también debemos hacer frente es el de la adecuada gestión de los residuos sólidos; para lo cual se necesita invertir adecuadamente en la gestión sostenible de residuos, ya que los desechos no recogidos o mal eliminados tienen un impacto significativo en la salud, el ambiente y el desarrollo económico; y uno todavía mayor en las poblaciones vulnerables y de menores recursos (ComexPerú, 2022). Por último, tenemos un folleto sobre la segregación de residuos sólidos y cambio climático, que nos plantea que, el aumento de los residuos y sus inadecuados procedimientos de manejo y disposición final siguen causando daños a la salud humana, al medio ambiente, y en un contexto de cambio climático la situación se agrava de manera preocupante; por ello consideran de suma importancia que la población de nuestro país se sume a la tarea de segregar los residuos sólidos en casa (Fovida, 2018).

Para un adecuado desarrollo de la presente investigación se ha tenido por conveniente tener en consideración lo siguiente: En primer lugar como aspectos preliminares tenemos el resumen, abstract, la introducción y los objetivos, tanto general, como los específicos. Seguidamente se desarrolla el tema de los residuos sólidos orgánicos urbanos, en donde se hace referencia a la situación actual de la segregación de los residuos sólidos orgánicos urbanos, las alternativas energéticas de los residuos sólidos urbanos, las características fisicoquímicas y biológicas de los residuos sólidos orgánicos urbanos, los procesos de biodigestión como son la digestión aeróbica y la anaeróbica. Posteriormente se tienen los parámetros determinantes para la biometanización, aquí desarrollamos los parámetros ambientales, los parámetros operacionales y las técnicas de mejora para la producción de biogás. Asimismo tenemos la aplicación de la biometanización en biodigestores, en donde se hace mención a los principales biodigestores en el medio rural y la relevancia que tiene la biometanización en la actualidad. También se dan a conocer las ventajas y desventajas de la producción de biogás, el potencial del uso del biogás en la generación de energía, las ventajas del biogás frente otras energías renovables y las desventajas que implica la producción de biogás. Finalmente se presenta la conclusión a la que se arribó luego del desarrollo de nuestro trabajo y las referencias bibliográficas consultadas para la adecuada elaboración de la presente investigación.

 

II.         Objetivos

 

2.1.     Objetivo general

Revisar la información bibliográfica sobre el uso de la biometanización para producción de biogás con residuos sólidos urbanos.

 

2.2.     Objetivos específicos

a)         Conocer la realidad de los residuos sólidos orgánicos urbanos y sus características.

b)         Conocer los parámetros determinantes para la biometanización y su aplicación en biodigestores.

c)         Conocer las principales ventajas y desventajas que conlleva la producción de biogás.

 

III.        Residuos sólidos orgánicos urbanos

 

3.1.      Situación actual de la segregación de los residuos sólidos orgánicos urbanos

Con respecto a la segregación de residuos sólidos orgánicos, la mayoría de las sociedades modernas está logrando su desarrollo sin controlar adecuadamente todas las presiones ambientales generadas sobre su entorno. Este desarrollo se ha forjado mediante procesos y actividades que llevan implícitos la producción de una gran cantidad de residuos, los cuales en su mayoría son orgánicos. Las pautas de consumo y la actividad económica están dando lugar al aumento de la generación de residuos y de los problemas derivados de su inadecuada gestión, sin que se produzca el desacoplamiento entre crecimiento económico y producción de los mismos (Jaramillo y Zapata, 2008). De igual manera con referencia a este punto, se entiende por gestión de residuos el conjunto de acciones que se deben desarrollar con el fin de proporcionar a estos el mejor destino posible, desde una perspectiva ambiental, social y económica. En este sentido se pueden establecer cinco niveles de jerarquía en la gestión de residuos. Estos son: prevención, reutilización, reciclaje, valorización energética y eliminación (Hernández, 2016). Todas las personas generamos residuos sólidos en nuestras actividades. Cada uno de nosotros genera aproximadamente 1 kilogramo de residuos sólidos por día. Su acumulación en las ciudades y su manejo inadecuado ocasiona problemas ambientales que afectan la salud de hombres y mujeres. Los residuos sólidos contaminan el aire, nuestros suelos y el agua. Solo en Lima Metropolitana se generan casi 18 mil toneladas diarias de residuos sólidos, los cuales son recolectados, acumulados y dispuestos en los rellenos sanitarios (Fovida, 2018). Dentro de este contexto tenemos cifras del Ministerio del Ambiente (Minam), donde nos dice que, en el año 2020, el país generó 7.9 millones de toneladas de residuos sólidos municipales. De estos residuos, el 76.4% lo conforman residuos orgánicos e inorgánicos que tienen potencial de valorización (es decir, de ser aprovechables); sin embargo, solo se llegó a valorizar 59,021 toneladas, equivalentes a un 0.98% (ComexPerú, 2022).

Asimismo, tenemos que, en el caso concreto de los residuos domésticos, la gestión comienza con la recolección de estos en los hogares y la puesta a disposición de los servicios de recogida, pudiendo ser de dos tipos: no selectiva y selectiva. En la primera de ellas, los residuos se depositan mezclados, sin ningún tipo de separación mientras que, en la segunda, se separan los residuos en diferentes contenedores en función de la clase; para que este sistema funcione adecuadamente se requiere de un alto grado de concienciación y colaboración por parte de los ciudadanos. Para poder determinar el proceso de transformación más oportuno al que serán sometidos, habrá que tener en cuenta las propiedades físicas, químicas y biológicas de estos residuos (Hernández, 2016). Además, actualmente se están generando una gran cantidad de residuos, a los que en su mayoría no se les da un tratamiento adecuado para su valoración o incorporación. Tal es el caso de los desechos orgánicos generados en los hogares los cuales pueden ser usados como sustrato para la generación de biogás. Es por esta razón que, resulta importante conocer la cantidad de residuos orgánicos susceptibles de ser usados para la producción de biogás (Quechulpa et. al. 2020). En nuestro país los residuos sólidos son desechos orgánicos e inorgánicos que se generan tras el proceso de fabricación, transformación o utilización de bienes y servicios. Si estos residuos no se manejan adecuadamente, producen contaminación ambiental y riesgos para la salud de las personas. Por su composición, estos residuos son, en mayor cantidad restos orgánicos, de cocina y alimentos (47%), plástico (9.48%) y residuos peligrosos (6.37%), es decir, aquellos residuos que representan riesgos para la salud de las personas, como relaves mineros y residuos industriales u hospitalarios. En este sentido según la Ley General de Residuos Sólidos, son los gobiernos locales los que tienen la misión de orientar a los pobladores hacia buenas prácticas en el manejo de residuos. Los municipios se hacen cargo de educar a los ciudadanos asignando recursos que permitan reducir, reusar y reciclar residuos sólidos, así como educarlos para rechazar su generación y reflexionar acerca de estos temas. Asimismo, con respecto a la nueva legislación sobre gestión integral de residuos sólidos nos dice que, un primer gran cambio de paradigma está referido a considerar el residuo sólido como un insumo para otras industrias. La nueva Ley deja de concebirlo como basura para pensarlo como materia prima en otras industrias que pueden darle valor al desperdicio de otras industrias. Este es el primer cambio conceptual que propone la nueva ley. Un segundo gran aporte de la nueva Ley es que pone las bases para el desarrollo de una gran industria del reciclaje a nivel internacional. El Perú podría convertirse en un hub regional de tratamiento de residuos sólidos, de manera que generemos mayores ingresos, inversión, mayor empleo y altos estándares de manejo ambiental (Ministerio del Ambiente, 2017). En este sentido la Encuesta Nacional de Programas Presupuestales, entre sus múltiples temas de investigación, estudia también la correcta gestión integral de residuos sólidos en el área urbana de nuestro país, cuyo objetivo es determinar si el hogar cuenta con servicio de recolección domiciliaria de basura, conocer la habitualidad de separar la basura según la importancia del tipo de residuo que genera y selecciona el hogar, así como también conocer la disposición del hogar de participar en la segregación de los residuos sólidos ya que el adecuado manejo es de importancia en la mejora de la calidad ambiental y la disminución de riesgos de salud pública (INEI, 2019). Al respecto, a mayo del 2021, el Minam nos informa que solo el 1% de los residuos municipales generados en el país se estaban recuperando, mientras que el 99% se desecha completamente, generando que muchos gases contaminantes escapen a la atmósfera. En ese sentido, es momento de que nos cuestionemos si estamos haciendo lo suficiente para poder cambiar los hábitos que impactan negativamente al planeta; es así que uno mismo puede empezar a hacer la diferencia desde casa para cuidar el medioambiente, y a la vez cuidar la economía y la salud de la familia. El primer consejo más común es segregar, reutilizar y reciclar, es decir, clasificar los desechos por categorías para posteriormente recuperarlos (López, 2022).

De lo anteriormente expuesto, se puede decir que el problema de los residuos sólidos urbanos es uno de los grandes desafíos que se debe atender de manera integral si se quiere salvaguardar la salud futura de la población en general.

 

3.2.     Alternativas energéticas de los residuos sólidos urbanos

 Waste to energy (WtE) hace referencia a una familia de tecnologías de tratamiento de residuos para recuperar energía en la forma de calor, electricidad o combustibles alternos, tales como el biogás. El alcance del término ‘Waste-to-Energy’ es sumamente amplio, y abarca un rango de tecnologías de diferente escala y complejidad. Puede incluir la producción de gas para cocina en digestores domésticos a partir de residuos orgánicos, la recolección de gas metano de rellenos sanitarios, el tratamiento térmico de residuos en plantas de incineración del tamaño de una compañía de servicios, el coprocesamiento de combustible derivado de residuos en plantas cementeras o la gasificación. Estas cinco tecnologías aprovechan diferentes flujos de residuos y tienen funciones y características distintas, por lo que su aplicabilidad debe evaluarse en forma independiente con base en el contexto local y el flujo de residuos en cuestión (Mutz et. al., 2017). El aprovechamiento energético de los RSU proporciona una forma adecuada, alternativa e innovadora de eliminar o procesar los desechos biomásicos. Representa un medio muy rentable y eficaz para proporcionar una fuente limpia de energía y permite valorizar de manera adecuada los residuos, incrementando los beneficios económicos derivados de su tratamiento. Además, se destaca la bioenergía como estrategia de mitigación ambiental que atiende de manera conjunta dos de los principales retos a subsanar en las metas de los objetivos de desarrollo sostenible, a saber: a) la eficiente gestión de los RSU, y b) el suministro de energías asequibles y limpias. Es así que, además del reto de optimizar la gestión de los residuos sólidos urbanos, la situación actual de escasez de recursos naturales nos lleva a la necesidad de encontrar fuentes de energía alternativas que sustituyan a los combustibles fósiles. Es decir, energías renovables. La valorización energética constituye una alternativa para generar esta energía renovable que necesitamos, a partir de los RSU. El biogás es un gas versátil cuyos usos en el ámbito doméstico e industrial incluyen la generación de calor, el uso como combustible o para crear electricidad en el funcionamiento de motores. En definitiva, este tipo de valorización energética de los RSU es una alternativa sostenible para su gestión, permitiendo que el proceso siga los principios de la economía circular, resultando rentable y beneficioso para el medioambiente (Sosa, 2022).

 Así pues, se establecen los procesos productivos de cada bioenergético, mencionando sus aplicaciones y analizando las ventajas y limitantes de su implementación. En primer término se tiene el calor industrial, que consiste en la transferencia de calor por la combustión directa (incineración) de la biomasa contenida en los RSU a temperaturas superiores a los 900°C, con el fin de aprovecharla como suministro de energía calorífica directa o, incluso, en sistemas de cogeneración. Luego tenemos el biogás, el cual es una mezcla gaseosa conformada principalmente de CH4 y CO2, que se produce a partir de la digestión anaeróbica de la biomasa. En el caso de los RSU, la digestión anaeróbica se realiza en los propios rellenos sanitarios o en reactores diseñados para tal fin, tomando en cuenta las variables que afectan su producción: la temperatura, el pH, el tiempo de retención y el tipo de inóculo que se utilice. Las ventajas del aprovechamiento del biogás con fines de producción eléctrica vienen a ser las siguientes: reducir las emisiones de Gases de Efecto Invernadero por parte de los rellenos sanitarios y obtener ganancias económicas por la comercialización de electricidad (Lerch, 2016). Posteriormente se tiene el bio-hidrógeno: el hidrógeno (H+) no está disponible de forma natural. Debe sintetizarse la molécula (H2) a partir de compuestos que la contengan, mediante el uso de combustibles fósiles. El hidrógeno es el compuesto más abundante en el Universo. Cuando interactúa con el oxígeno para formar agua, libera una gran cantidad de energía. El producto resultante de esta reacción es agua pura, que puede ser reutilizada para volver a producir hidrógeno y oxígeno. Para lograr esto se requiere de un sistema que permita romper la molécula de agua para obtener estos gases, al igual que un sistema que permita utilizar los iones de hidrógeno (H+) para producir gas hidrógeno (H2) (Gonzales y Castaño, 2012). Con respecto al bioetanol, el cual es un alcohol carburante con fórmula química C2H5OH, que surge de la fermentación de los azúcares contenidos en la biomasa. El bioetanol es un tipo de alcohol que se obtiene a partir de diferentes tipos de plantas ricas en celulosa, como la caña de azúcar, la remolacha o algunos cereales como el maíz. Aunque es posible cultivar estas materias primas vegetales con el objetivo de destinarlas directamente a la producción de bioetanol, este combustible también puede obtenerse a partir de restos de silvicultura o residuos agrícolas (Repsol, 2022). Mientras que, el carbón vegetal y pellets, a partir de los RSU, se pueden aprovechar los materiales lignocelulósicos provenientes de podas urbanas, desechos de muebles o desechos forestales utilizados como ornato durante el invierno, con el fin de obtener combustibles sólidos. El carbón vegetal es un producto forestal que viene diversificando sus usos con grandes potencialidades. Es así que ahora se le puede encontrar como pigmento en la industria alimentaria, en la producción de acero debido a su baja reactividad, como purificador de aguas y en la industria médica como fármaco para tratar problemas digestivos. Gracias a estas nuevas utilidades, el horizonte del carbón vegetal está tomando revuelo sobre su tradicional uso energético y se inserta cada vez más en la industria mundial. Las ventajas de estos combustibles se visualizan en la valorización de los RSU, y la sustitución de combustibles como la leña, debido a que tienen un poder calorífico homogéneo (Díaz et. al., 2010).

 

3.3.      Características fisicoquímicas y biológicas de los residuos sólidos orgánicos urbanos

 Características físicas: Las características físicas más importantes de los RSU incluyen: peso específico; contenido de humedad; tamaño de partícula y distribución del tamaño; capacidad de campo y porosidad de los residuos compactados. En este sentido el peso específico se define como el peso de un material por unidad de volumen (por lo general kg/m³) y se le denomina también densidad. El conocimiento del peso específico es importante para poder conocer la masa y el volumen de los residuos y poder aplicar estos datos a la gestión de los mismos. El contenido de humedad de los residuos sólidos se puede expresar de dos formas. En el método de medición peso-húmedo, la humedad de una muestra se expresa como un porcentaje del peso del material húmedo; en el método peso-seco, se expresa como un porcentaje del peso seco del material. El contenido de humedad peso húmedo se expresa como:

En donde:

M = Contenido de humedad, (%).

W = Peso inicial de la muestra según se entrega (kg).

d  = Peso de la muestra después de secarse a 105 °C (kg).

El tamaño y la distribución del tamaño de los componentes de los materiales en los residuos sólidos son de una consideración importante dentro de los procesos mecánicos y físicos de recuperación de materiales. Para ello es importante conocer la dimensión más larga de la partícula y así saber su capacidad para pasar por una criba. En función de estas características se dimensionaran los equipos de separación citados. El tamaño medio de los componentes de los RSU está entre 178 y 203 mm, dependiendo del material. La capacidad de campo de los residuos sólidos es la cantidad total de humedad que puede ser retenida por una muestra de residuo sometida a la acción de la gravedad; es de gran importancia para determinar la formación de la lixiviación en los vertederos. El exceso de agua sobre la capacidad de campo se emitirá en forma de lixiviación. La capacidad de campo varía con el grado de presión aplicada y el estado de descomposición del residuo. Con respecto a la permeabilidad de los residuos compactados, la conductividad hidrológica de los residuos compactados es una propiedad física importante que, en gran parte, gobierna el movimiento de líquidos y gases dentro de un vertedero. El coeficiente de permeabilidad se expresa como:

Donde:

K = Coeficiente de permeabilidad

C = Constante sin dimensiones o factor de forma

d = Tamaño medio de los poros

 g = Peso específico del agua

μ = Viscosidad dinámica del agua

k = Permeabilidad intrínseca (Ríos, 2009).

Respecto a este tema es necesario conocer algunas de las propiedades de los residuos para prever y organizar los sistemas de prerrecogida, recogida y tratamientos finales de recuperación o eliminación, y para decidir sistemas de segregación en el caso de los residuos que generen riesgos especiales para el medio ambiente. Dentro de las propiedades físicas de los residuos sólidos urbanos, destacan las siguientes: humedad, peso específico y granulometría (Ambientum, 2022).

Características químicas: Las propiedades químicas de los RSU son importantes a la hora de conocer la capacidad de estos residuos para ser procesados y/o recuperados, ya sea para estudiar la viabilidad de la incineración, las posibilidades de compostaje o el depósito en vertedero autorizado con el fin de obtener biogás. Cuando se pretenda emplear los residuos sólidos como combustibles, se deberá conocer el análisis físico, el punto de fusión de las cenizas, el análisis elemental y el contenido energético. Es así que el análisis físico incluye los siguientes ensayos: Humedad, materia volátil combustible, carbono fijo, ceniza. El punto de fusión de la ceniza se define como la temperatura en la que la ceniza resultante de la incineración de residuos se transforma en sólidos (escoria) por la fusión y la aglomeración. En el análisis elemental de los componentes de residuos sólidos se determina el porcentaje de carbono, hidrogeno, oxigeno, nitrógeno, azufre y ceniza; debido a la preocupación acerca de la emisión de compuestos clorados durante la combustión, se incluye la determinación de halógenos en el análisis elemental. Con estos análisis se determina la composición química de la materia orgánica de los residuos sólidos urbanos. También se usan para conseguir relaciones C/N aptas para los procesos de conversión biológica. El método analítico se basa en la oxidación completa e instantánea de la muestra que transforma todos los compuestos en productos de combustión (Wordpress, 2015). Los datos sobre el análisis elemental de materiales combustibles individuales se presentan a continuación:

El contenido energético de los componentes de los residuos es la capacidad calorífica de los componentes de los residuos, importante a la hora de conocer cuál es la recuperación de energía que se pueda alcanzar con una determinada cantidad de residuo. Asimismo, se expresa que, las propiedades químicas de los residuos urbanos son factores condicionantes para algunos procesos de recuperación y tratamiento final. El poder calorífico es esencial en los procesos de recuperación energética, al igual que el porcentaje de cenizas producido en los mismos. Otras características como la eventual presencia de productos tóxicos, metales pesados, contenido de elementos inertes, etc. (Cortina y Palacio, 2018).

Características biológicas: Por otra parte, excluyendo el plástico, goma y cuero, la fracción orgánica de la mayoría de los residuos sólidos urbanos se puede clasificar de la siguiente forma: Constituyentes solubles en agua, tales como azucares, féculas, aminoácidos y diversos ácidos orgánicos (ácido cítrico y ácido tartárico). Hemicelulosa, un producto de condensación de azucares con cinco o seis carbonos. Celulosa, un producto de condensación de glucosa de azúcar con seis carbonos. Grasa, aceites y ceras, que son esteres de alcoholes y ácidos grasos de cadena larga. Lignina, un material polímero que contiene anillos aromáticos, cuya fórmula exacta aún no se conoce, presente en algunos productos de papel como periódicos y en tablas de aglomerado. Lignocelulosa, una combinación de lignina y celulosa. Proteínas, están formadas por cadenas de aminoácidos. No obstante, la característica biológica más importante de la fracción orgánica de los RSU es que casi todos los componentes orgánicos pueden ser convertidos biológicamente en gases y sólidos orgánicos e inorgánicos relativamente inertes (Rollandi, 2006). La producción de olores y la generación de moscas están relacionadas a las propiedades biológicas y a la naturaleza putrefactible de los RSU. Las propiedades biológicas son importantes para la tecnología de la digestión aerobia/anaerobia en la transformación de residuos en energía y en productos finales beneficiosos. El proceso anaerobio implica la descomposición biológica de residuos alimenticios con productos finales de metano, dióxido de carbono y otros. El grado de biodegradabilidad de la fracción alimenticia de los residuos sólidos viene dado por: BF = 0.83 – 0.028 LC

Donde:

BF = Fracción biodegradable expresada en base a sólidos volátiles (VS).

LC = Contenido de lignina de los VS, % en peso seco. (Cerrato, 2005)

 

3.4.     Procesos de biodigestión

3.4.1.  Digestión aeróbica

Al respecto la digestión aeróbica consiste en procesos realizados por diversos grupos de microorganismos, principalmente bacterias y protozoos que, en presencia de oxígeno actúan sobre la materia orgánica disuelta, transformándola en productos finales inocuos y materia celular. La principal ventaja del proceso aeróbico es la simplificación en las operaciones de disposición de los lodos comparada con la relativa complejidad operativa del proceso de digestión anaeróbica. La digestión aeróbica es un proceso mediante el cual los lodos son sometidos a una aireación prolongada en un tanque separado y descubierto. El proceso involucra la oxidación directa de la materia orgánica biodegradable y la autooxidación de la materia celular. La digestión aeróbica presenta diversas ventajas dentro de las cuales destacan la facilidad de operación del sistema, bajo capital de inversión, no genera olores molestos y reduce la cantidad de coliformes fecales. El proceso presenta también sus desventajas, entre las que se suele mencionar los altos costos de operación causados por los altos consumos de energía, la falta de parámetros y criterios claros para el diseño y la dificultad que presentan los lodos digeridos aeróbicamente para ser separados mediante centrifugación y filtración al vacío (Varnero, 2011). En tal sentido afirma que, la digestión aeróbica consiste en la fermentación de la materia orgánica por la acción de microrganismos para la obtención de un producto final inocuo. Esta técnica se aplica generalmente al tratamiento de lodos de depuradora que son expuestos a una aireación prolongada (Cuesta et. al., 2017).

 

3.4.2.  Digestión anaeróbica

Por otra parte la digestión anaeróbica es un proceso biológico complejo y degradativo en el cual parte de los materiales orgánicos de un substrato son convertidos en biogás. Utilizando el proceso de digestión anaeróbica es posible convertir gran cantidad de residuos vegetales, estiércoles, efluentes de la industria alimentaria, fermentativa, papelera y de algunas industrias químicas, en subproductos útiles. Se trata de un proceso complejo en el que intervienen diferentes grupos de microorganismos. La materia orgánica se descompone en compuestos más sencillos que se transforman en ácidos grasos volátiles, que son los principales intermediarios y moduladores del proceso. Estos ácidos son consumidos por los microorganismos metanogénicos, que producen metano y dióxido de carbono. Todos estos procesos tienen lugar de forma simultánea en el reactor. La digestión anaeróbica proporciona una gran cantidad de beneficios en el tratamiento de corrientes de efluentes desafiantes al tiempo que ofrece la oportunidad de generar valor en el proceso. La digestión anaeróbica produce energía en forma de biogás, uno de los recursos más valiosos típicamente recuperados del proceso. El biogás producido contiene hasta un 70% de metano, que puede utilizarse para alimentar generadores eléctricos para reducir así las facturas de energía de la planta de tratamiento (Fluence, 2020). De manera semejante la digestión anaerobia es una fermentación microbiana en ausencia de oxígeno que da lugar a una mezcla de gases, conocida como biogás y a una suspensión acuosa o lodo que contiene microorganismos responsables de la degradación de la materia orgánica (Vega y Silva, 2020).

En la digestión anaeróbica, los microorganismos metanogénicos desempeñan la función de enzimas respiratorios y, junto con las bacterias no metanogénicas, constituyen una cadena alimentaria que guarda relación con las cadenas enzimáticas de células aeróbicas. De esta forma, los residuos orgánicos se transforman completamente en biogás que abandona el sistema. Sin embargo, el biogás generado suele estar contaminado con diferentes componentes, que pueden complicar el manejo y aprovechamiento del mismo. El proceso anaeróbico se clasifica como fermentación anaeróbica o respiración anaeróbica dependiendo del tipo de aceptores de electrones. Es así que, en la fermentación, el sustrato es parcialmente oxidado y por lo tanto, sólo una pequeña cantidad de la energía contenida en el sustrato se conserva. La respiración anaeróbica es un proceso biológico de óxido-reducción de monosacáridos y otros compuestos en el que el aceptor terminal de electrones es una molécula inorgánica distinta del oxígeno, y más raramente una molécula orgánica. No debe confundirse con la fermentación, que es un proceso también anaeróbico (Tortosa, 2014). Mientras que, el proceso de la digestión anaerobia se desarrolla en las siguientes cuatro etapas: Hidrólisis, acidogénesis o fermentación, acetogénesis y metanogénesis; para que estas etapas se lleven a cabo, deben hacerse en una estructura diseñada para tal fin (CTR, 2015).

Los principales productos del proceso de digestión anaerobia, en sistemas de alta carga orgánica y en mezcla completa, son el biogás y un bioabono que consiste en un efluente estabilizado. El biogás es una mezcla gaseosa formada principalmente de metano y dióxido de carbono, pero también contiene diversas impurezas. Mientras que las características del bioabono, dependen en gran medida del tipo de tecnología y de las materias primas utilizadas para la digestión. Durante el proceso anaeróbico, parte de la materia orgánica se transforma en metano, por lo que el contenido en materia orgánica es menor al de las materias primas (Varnero, 2011). La digestión anaeróbica (DA), está fuertemente motivada por este marco porque puede funcionar en la producción de energía renovable en forma de biogás rico en metano. El proceso de digestión anaerobia para la producción de biogás, en ausencia de oxígeno es uno de los métodos más idóneos para el aprovechamiento energético de las deyecciones ganaderas, la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, reducción de malos olores y mejora del valor fertilizante de los productos tratados (Mamani et.al., 2021).

 

IV.       Parámetros determinantes para la biometanización

4.1.     Parámetros ambientales

Un factor determinante a tener en cuenta a la hora de realizar el diseño preliminar de una planta de biometanización es el impacto que tiene esta sobre el medio ambiente; en consecuencia fruto de esta consciencia medioambiental, se elabora un análisis completo que abarca tanto la fase de construcción de la planta de biometanización, como la fase de explotación de esta y que permite determinar que el proyecto es viable (Hernández, 2016). Por otra parte tenemos al respecto que, como todo proceso biológico la digestión anaerobia o biometanización se efectuará satisfactoriamente o no dependiendo de las condiciones que estén presentes en el medio; para posibilitar el adecuado desarrollo de los microorganismos que actúan sobre la materia orgánica presente en los residuales que son sometidos a esta biodegradación, es por esto que resulta de gran importancia conocer, en qué medida contribuyen o no a esta biodegradación (Lorenzo y Obaya, 2005).

Asimismo, para que se produzca la digestión anaerobia es necesario que se alcance y se mantenga el equilibrio entre las distintas fases; dicho equilibrio es posible si se adecúan los parámetros operacionales que influyen en el sistema; estos parámetros son la temperatura, ph y alcalinidad, tiempo de retención y velocidad de carga y grado de mezcla (Hernández, 2016). En este sentido, el proceso de biometanización ha sido ampliamente utilizado para la degradación y estabilización de residuos domésticos e industriales, es un proceso biológico que convierte sustratos complejos en biogás por acción microbiana en la ausencia de oxígeno. De igual forma nos dice que es un proceso biológico que consta de cuatro etapas en el que se presenta un proceso de bioconversión del cual se puede obtener beneficios para el tratamiento de residuos orgánicos como: recuperación de energía en forma de biogás, producción de fertilizantes orgánicos y control de emisiones de gases de efecto invernadero, convirtiendo esta tecnología en energía renovable (Parra, 2015).

 

4.2.     Parámetros operacionales

Con respecto a esta materia, otro factor importante a la hora de elaborar el diseño preliminar de la planta es la tecnología empleada en ella; para que el rendimiento obtenido en el proceso de digestión anaerobia sea el óptimo, es necesario realizar un análisis minucioso sobre los criterios técnicos de diseño que debe cumplir una planta de biometanización (Hernández, 2016). La digestión anaeróbica o también llamada biometanización es una tecnología prometedora de la cual se han realizado investigaciones para establecer los mecanismos por los cuales un consorcio microbiano transforma moléculas complejas en moléculas simples para producir biogás como producto final Según (Parra, 2015). Por otro lado, la digestión anaerobia no sólo es factible en instalaciones industriales a gran escala, también se puede aplicar en pequeña escala. Esta característica proporciona oportunidades para la digestión anaerobia en los países en desarrollo y las zonas rurales, donde el suministro de energía es limitada. Actualmente, la biomasa aporta alrededor del 10-14% del suministro de energía mundial y representa el 80% de la demanda de energía rural. Estas cifras ponen de manifiesto el fortalecimiento del uso de esta fuente de energía a nivel mundial, se debe trabajar para que tales cifras continúen aumentando debido a los beneficios ambientales que involucra el uso de la biomasa como fuente de energía (Julio, 2016). Asimismo, el producto principal del proceso de biometanización es el biogás, mezcla gaseosa de metano (50 a 70 %) y dióxido de carbono (30 a 50 %), con pequeñas proporciones de otros componentes (nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, sulfuro de hidrógeno), cuya composición depende tanto de la materia prima como del proceso en sí. Por lo tanto, la cantidad de gas producido es muy variable, aunque generalmente oscila alrededor de los 350 l/kg de sólidos degradables, con un contenido en metano del 70%. Así se tiene que, aunque su potencia calorífica no es muy grande, puede sustituir con ventaja al gas de ciudad, utilizándose en aplicaciones tan diversas como: fuente de calor (cocina, alumbrado), combustión en calderas de vapor para calefacción y combustible de motores acoplados a generadores eléctricos (Lorenzo y Obaya, 2005).

 

4.3.     Técnicas de mejora para la producción de biogás

Para mejorar el proceso de producción de biogás, existen algunos procedimientos como: Uso de catalizadores, Dosificación de mezclas mediante la relación C/N, agitación del sustrato y control del pH, uso de zeolita natural y calentamiento de la cámara de fermentación con energía solar; mediante estos métodos podemos mejorar el rendimiento del biogás, los mismos que incrementan la masa del gas metano, niveles de temperatura y pH óptimos, para el crecimiento y reproducción bacteriana adecuada. Por otra parte, los dispositivos utilizados en la digestión anaerobia son Reactores de mezcla completa sin recirculación, Reactores de mezcla completa con recirculación, Reactores con retención de biomasa, sin recirculación, Sistemas discontinuos y Reactores de flujo pistón, que pueden clasificarse de acuerdo con su capacidad para mantener altas concentraciones de microorganismos; mediante la incorporación de biodigestores, para la obtención de biogás, permite eliminar de forma ecológica los desechos sólidos urbanos, disminuyendo así la fuente de contaminación ambiental (Mamani et. al., 2021). De igual manera el factor más importante y significativo estadísticamente para controlar el volumen de biogás es el pH de la mezcla usada en su producción. En este sentido la implementación de mejoras en este tipo de biodigestores impacta en la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero (Ruiz, et. al., 2022).

 

V.        Aplicación de la biometanización en biodigestores

 

5.1.     Fases de la producción de biogás (digestión anaeróbica)

Hidrolítica: En esta fase se descomponen las cadenas largas de materia orgánica en otras más  cortas, obteniéndose  productos intermedios. La materia orgánica es descompuesta por la acción de un grupo de bacterias hidrolíticas que hidrolizan las moléculas solubles en agua, tales como grasas, proteínas y carbohidratos y las transforman en polímeros más simples. Los compuestos orgánicos son solubilizados por enzimas excretadas por bacterias hidrolíticas que actúan el exterior celular por lo que se consideran exoenzimas. La hidrólisis es por tanto, la conversión de polímeros en sus respectivos monómeros. Durante la hidrólisis ya hay producción de CO2. El valor óptimo del pH en la etapa de la hidrólisis es de pH 5,3 y pH 6,7. Dependiendo del tipo de sustrato y del tiempo de retención el pH puede bajar hasta 4,5.

Acidogenesis: En esta fase se convierten los productos intermedios en ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono.  Estas dos primeras fases son realizadas por un primer grupo de bacterias, las hidrolíticas-acidogénicas y las acetogénicas que hidrolizan y fermentan las cadenas complejas de la materia orgánica en ácidos orgánicos simples (acético mayormente). Son bacterias anaerobias facultativas que  pueden consumir oxígeno molecular para su metabolismo, no crecen en presencia de oxígeno molecular, el oxígeno resulta tóxico en mínimas cantidades. El consumo del oxígeno molecular del aire produce el ambiente anaerobio ideal para el desarrollo de las bacterias. El crecimiento bacteriano en esta etapa es rápido. En esta primera etapa no hay una reducción significativa de la DQO del sustrato, puesto que las cadenas orgánicas más complejas se transforman en cadenas más cortas, sin consumo o reducción de la materia orgánica presente. El valor optimo del pH para que se desarrolle la etapa de acidogenesis está alrededor de 5,5 - 6,7. Según algunos autores el pH en esta fase puede estar en el orden de 6-7,5

Acetogenesis: Esta etapa es desarrollada bacterias acetogénicas que realizan la degradación de los ácidos orgánicos donde los alcoholes, ácidos grasos y compuestos aromáticos se degradan produciendo ácido acético, llevándolos al grupo acético CH3-COOH y liberando como productos hidrógeno y dióxido de carbono que son los elementos precursores de las bacterias metanogénicas.  Esta reacción es endoexergética pues demanda energía para su realización, gracias a la estrecha relación simbiótica con las bacterias metanogénicas que substraen los productos finales del medio minimizando la concentración de los mismos en la cercanía de las

bacterias acetogénicas. Las bacterias acetogénicas convierten ácido propiónico y butírico en ácido acético. Estas tienen un crecimiento relativamente lento (tiempo de duplicación mínimo de 1,5 a 4 días. Las reacciones que producen son muy complicadas energéticamente y se interrumpen fácilmente por acumulación de gas hidrógeno disuelto en el medio acuoso.

Metanogenesis: La metanogénesis es la última etapa en la descomposición de la materia orgánica en condiciones anaeróbicas. Durante este proceso, aceptores de electrones (como el oxígeno, hierro, sulfato, nitrato y manganeso) se reducen, mientras que se acumulan hidrógeno (H2) y dióxido de carbono. También se acumulan compuestos orgánicos ligeros debido a la fermentación. Durante las fases avanzadas de la descomposición orgánica, todos los aceptores de electrones quedan reducidos excepto el dióxido de carbono. La metanogénesis elimina con efectividad los productos casi finales de la descomposición: el hidrógeno, los compuestos orgánicos pequeños y el dióxido de carbono. Sin la metanogénesis se acumularía una gran cantidad de carbono (en forma de productos de la fermentación) en los ambientes anaeróbicos”. Este es un proceso que lo realizan microorganismos conocidos como metanógenos (archaeas anaerobias estrictas) que usan el carbono (dióxido de carbono) como aceptor final de electrones para producir metano.

CO2 + 4 H2 → CH4 + 2H2O

En esta fase un segundo grupo de bacterias convierte los ácidos orgánicos en metano y dióxido de carbono. Se trata de bacterias metanogénicas estrictamente anaerobias, es decir que no sobreviven en  presencia de oxígeno molecular. Las más importantes son las que transforman los ácidos propanoico y acético, denominadas bacterias metanogénicas acetoclásticas. En esta fase se produce el 90% del total del metano que se produce en el biodigestor (Aqualimpia, 2017).

5.2.     Principales biodigestores en el medio rural

Un biodigestor básicamente consiste en un depósito cerrado, donde se introducen los residuos orgánicos mezclados con agua para ser digeridos por microorganismos; el biogás producido por la fermentación se puede almacenar en este mismo depósito en la parte superior del digestor, llamada domo o campana de gas. Esta campana de almacenamiento puede ser rígida o flotante; en algunos casos, está separada del digestor y se le llama gasómetro (Varnero, 2011). Sin embargo la caseta de protección del biodigestor permite secar la ropa mojada o lavada, conservar secos y sin ataque de plagas los granos, el heno, la sal para consumo humano y animal, el dulce, los fertilizantes y aperos de trabajo y deshidratar para conservar vegetales y cárnicos. El techo de la caseta permite captar agua lluvia limpia y sin contaminación, para almacenarla para el consumo familiar. La caseta se puede utilizar también como invernadero, para la producción de todo tipo de cultivos en suelo o hidroponía, mariposario y ranario. El efluente del biodigestor se puede utilizar para el fertirriego de todo tipo de cultivos, para el consumo de la familia y para la venta. Utilizar el biodigestor como fosa séptica del servicio sanitario, evita la contaminación de las fuentes de agua corriente, permite descontaminar las aguas sanitarias y evita problemas digestivos a la familia. Reduce la deforestación y permite racionalizar el uso de la leña, del carbón, de los residuos agrícolas y de la bosta seca para cocinar los alimentos. Se eliminan los malos olores y el consumo de aguas contaminadas (Botero, 2011).

Seguidamente se tienen los siguientes modelos de digestores para ser usados en el medio rural: En primer lugar está el modelo chino, siendo los digestores de este tipo son tanques cilíndricos con el techo y el piso en forma de domo y se construyen totalmente enterrados. Seguidamente tenemos el modelo indiano, estos digestores en general son enterrados y verticales, semejando a un pozo. Se cargan por gravedad una vez al día, con un volumen de mezcla que depende del tiempo de fermentación o retención y producen una cantidad diaria más o menos constante de biogás si se mantienen las condiciones de operación. También están los biodigestores horizontales, estos digestores se construyen generalmente enterrados, son poco profundos y alargados, semejando un canal, con relaciones de largo a ancho de 5:1 hasta 8:1 y sección transversal circular, cuadrada o en “V”. Se operan a régimen semi continuo, entrando la carga por un extremo del digestor y saliendo los lodos por el extremo opuesto. Finalmente está el digestor Batch, este tipo consiste en una batería de tanques o depósitos herméticos (digestores) con una salida de gas conectada con un gasómetro flotante, donde se almacena el biogás (Varnero, 2011). Al respecto para que un sistema agrícola sea sostenible, debe haber una relación muy directa entre los diversos componentes que interactúan en la conversión de la energía solar y los nutrientes de la tierra en alimentos de origen animal y vegetal. Al estar estrechamente integrado al sistema agrícola un biodigestor puede ser una fuente renovable de combustible para cocinar y para la iluminación, reduciendo la necesidad de leña y el trabajo que implica recogerla. Esto es especialmente importante para las mujeres y los niños. Además, cocinar con biogás deja los utensilios de cocina mucho más limpios y la ausencia de humo mejora la salud de las mujeres y los niños que pasan gran parte de su tiempo en la cocina y que a menudo sufren de problemas respiratorios e irritaciones de los ojos; mejorar la calidad del estiércol que alimenta al biodigestor, lo que produce un fertilizante de alta calidad para los cultivos, como también para las plantas acuáticas o los peces cultivados en estanques; mejorar las condiciones sanitarias de la granja y reducir la propagación de parásitos y bacterias potencialmente dañinas, al eliminar y descontaminar el estiércol y otros desechos orgánicos; mejorar el medio ambiente al reducir la dependencia de la leña, resultando en un índice menor de deforestación. Si el biogás es utilizado, también se reduce la emisión de metano a la atmósfera (Leisa, 2012).

 

5.3.     Relevancia de la biometanización

Con respecto a este tema nos aporta que, en numerosos procesos de las industrias que tratan productos orgánicos biodegradables. Estos procesos suelen ser muy eficaces y presentan un interesante balance energético. Dentro de estos tratamientos, la biometanización se usa con preferencia en procesos de depuración orgánica de aguas residuales con carga orgánica biodegradable, por medio de digestores o fermentadores. Existe un gran números de técnicas de metanización, desde las más lentas como los digestores de contacto, hasta los más rápidos como lechos fluidizados o los de soporte, que se aplican al tratamiento de un amplio número de vertidos residuales como, lodos de depuradora de agua residual, vertidos de la industria de extracción de aceites o alpechines, vertidos de la industria derivada de la obtención de azúcares y alcoholes, como las vinazas, vertidos con elevada carga orgánica de la industria agroalimentarias o residuos ganaderos. La biometanización se está usando con éxito, recientemente en plantas de tratamiento de residuos urbanos orgánicos, aunque no se tiene gran experiencia (Cuadros, 2008). Por otra parte, en la actualidad la biometanización está muy difundida dada sus ventajas técnico- económicas, no obstante hay que controlar diferentes factores que influyen en el proceso y que son imprescindibles para su buen funcionamiento como son: composición del residual, temperatura, pH, entre otros. Este tipo de sistema asimila altas y bajas cargas orgánicas. La materia prima preferentemente utilizada para ser sometida al proceso de degradación, es cualquier biomasa residual que posea un alto contenido en humedad, no obstante de que también pueden ser digeridos substratos sólidos con concentraciones elevadas de sólidos totales como son los residuales de la industria alimenticia, agrícola entre otros (Lorenzo y Obaya, 2005).