BIOGÁS
Es una fuente de energía renovable, cuyo fundamento es el gas producto de la descomposición anaeróbica de materia orgánica. El biogás es una mezcla de gases originada por la descomposición microbiana de sustancias orgánicas en ausencia de aire El biogás se genera en forma espontánea a partir de la fermentación anaeróbica de la materia orgánica, constituyendo un proceso vital dentro del ciclo de la materia orgánica en la naturaleza. Los microbios que producen el gas metano no soportan ni el oxigeno ni la luz.
En resumen, es la descomposición de la materia orgánica reduciéndola fundamentalmente a metano y dióxido de carbono a través de un complejo sistema microbiológico.
Está compuesto por un 50%-70% de metano CH4 y un 30%-50% de dióxido de carbono, CO2 conteniendo pequeñas cantidades de nitrógeno N2, sulfuro de hidrógeno H2S, vapor de agua, amoníaco NH3, hidrógeno H2, pudiendo existir otros compuestos azufrados como mercaptanos y silanos, sulfuro de carbonilo, disulfuro de carbono. En casos puntuales hemos detectado la presencia de trazas de compuestos orgánicos, hidrocarburos superiores al metano como, propano, butanos, esto es muy variable y dependerá de múltiples factores.
Las primeras menciones sobre biogás se remontan al 1.600 identificados por varios científicos como un gas proveniente de la descomposición de la materia orgánica, siendo chinos e hindús los precursores de los digestores hoy conocidos como biodigestores, que son los distintos sistemas diseñados para la producción de biogás.
En el año 1890 se construye el primer biodigestor a escala real en la India y ya en 1896 en Exeter, Inglaterra, las lámparas de alumbrado público eran alimentadas por el gas recolectado de los digestores que fermentaban los lodos cloacales de la ciudad.
Tras las guerras mundiales comienza a difundirse en Europa las llamadas fábricas productoras de biogás cuyo producto se empleaba en tractores y automóviles de la época. En todo el mundo se difunden los denominados tanques Imhoff para el tratamiento de aguas cloacales colectivas.
El gas producido se lo utilizó para el funcionamiento de las propias plantas, en vehículos municipales y en algunas ciudades se lo llegó a inyectar en la red de gas comunal. Esta difusión se ve interrumpida por el fácil acceso a los combustibles fósiles y en la crisis energética de la década del 70 se reinicia con gran ímpetu la investigación y extensión en todo el mundo.
Durante los años de la segunda guerra mundial comienza la difusión de los biodigestores a nivel rural tanto en Europa como en China e India que se transforman en líderes en la materia.
Los últimos 25 años han sido muy importantes en cuanto a descubrimientos sobre el funcionamiento del proceso microbiológico y bioquímico gracias al estudio de los microorganismos intervinientes en condiciones anaeróbicas (ausencia de oxígeno).
Estos progresos en la comprensión del proceso microbiológico han estado acompañados por importantes logros de la investigación aplicada obteniéndose grandes avances en el campo tecnológico.
| Gases | Desechos agrícolas | Lodos cloacales | Desechos industriales | Vertederos |
|---|---|---|---|---|
| Metano | 30-80% | 40-80% | 40-80% | 45-65% |
| CO2 | 30-50% | 20-50% | 30-50% | 30-55% |
| Vapor de agua | Saturación | Saturación | Saturación | Saturación |
| H2S | 100-7000 ppm | 0-1000 ppm | 0-1000 ppm | 0-500 ppm |
| Hidrógeno | 0-2 % | 0-5% | 0-2% | 0-1% |
| Amoníaco | 0-1% | 0-1% | 0-1% | 0-1% |
| Nitrógeno | 0-15% | 0-3% | 0-1% | 0-30% |
| Oxígeno | 0-1% | 0-1% | 0-1% | 0-5% |
| Orgánicos | Trazas | Trazas | 0-5 ppm | 10 ppm |
Es un poco más liviano que el aire, posee una temperatura de inflamación de 700 ºC y su llama alcanza una temperatura de 870 ºC
APLICACIONES DEL BIOGÁS
El biogás puede ser utilizado como cualquier otro combustible, tanto para la cocción de alimentos, en sustitución de la leña, el queroseno, el gas licuado, etc., como para el alumbrado, mediante lámparas adaptadas al biogás. Mezclas de biogás con aire, en una relación 1:20, forman un gas detonante altamente explosivo, lo cual permite que también sea empleado como combustible en motores de combustión interna adaptados. El biogás mezclado con aire puede ser quemado en un amplio espectro de artefactos transformándose principalmente en CO2 y H2O.
El biogás tiene un poder calorífico superior (PCS) en promedio es de 4.600 Kcal./m3 lo que permite generar entre 1,3-1,6 Kwh., lo cual equivale a medio litro de petróleo, aproximadamente. El contenido de energía de 1 m3 de biogás es aproximadamente de 5 Kwh. Esta energía puede ser almacenada y distribuida en diferentes formas (gas a baja presión, media o alta), agua caliente o energía eléctrica.
El gas tal cual sale del digestor debe ser acondicionado a fin de asegurar un permanente y buen funcionamiento de los equipos que se alimentan de él.
A pesar de que alguno de estos acondicionamientos no es necesario en todos los casos, otros como el drenaje del agua de condensación deberá realizarse siempre.
En principio el biogás puede ser utilizado en cualquier tipo de equipo comercial para uso de gas natural, por ejemplo, en aplicaciones como: cogeneración, quemadores, estufas-infrarrojo, iluminación, motores, generación de electricidad, calor, potencia mecánica.
El biogás puede ser utilizado en motores de combustión interna. El gas obtenido por fermentación es muy adecuado para su uso en motores.
Acondicionamiento del biogás AGUA
AGUA
El biogas que sale del digestor está saturado de vapor de agua, a medida que se enfría el vapor se condensa en las cañerías y si no se lo evacua adecuadamente pueden bloquearse los conductos con agua.
Por esta razón las cañerías de distribución deben ser instaladas con trampas de agua donde ésta se almacena y se extrae.
CO2
El dióxido de carbono es un gas inerte es decir que no tiene ningún poder calorífico y debe ser calentado en la combustión. Su eliminación no es aconsejable salvo en los casos de almacenaje del biogas a altas presiones debido a que sería inútil gastar energía de compresión y volumen de almacenaje de alto costo en un gas que no dar ningún beneficio adicional.
Se utilizan varios sistemas entre los cuales los más difundidos son los que emplean su disolución en agua a presión y otros que usan mezclas químicas de gran complejidad.
H2S
Es muy importante hacer un seguimiento de la concentración de ácido sulfhídrico, es tóxico y en concentraciones de 2.000 ppm es mortal en un corto lapso de exposición. Por otra parte es muy corrosivo y combinado con el agua potencia su poder corrosivo sobre las partes vitales de algunas instalaciones. El sistema más utilizado para su eliminación es hacer pasar el gas por un filtro que contiene hidróxido de hierro. El H2S del gas se combina con el hierro formando sulfuro de hierro
Principales factores que afectan la producción de gas:
La actividad metabólica involucrada en el proceso metanogénico puede ser afectada por diversos factores.
Entre los factores más importantes se encuentran, el tipo de sustrato (nutrientes disponibles), la concentración del sustrato; la temperatura del sustrato; la carga volumétrica; el tiempo de retención hidráulico; el nivel de acidez (pH); la relación carbono/nitrógeno; el agregado de inoculantes; el grado de mezclado, agitación; y la presencia de compuestos inhibidores del proceso.
Tipo de materia prima:
Las materias primas fermentables pueden ser: excrementos de animales y humanos, aguas cloacales o residuales orgánicas de las industrias químicas o derivadas por ejemplo de la producción de alcohol, alimentos en general, biomasa a partir de restos de cosechas y basuras de diferentes tipos.
El proceso microbiológico no sólo requiere de fuentes de carbono y nitrógeno, sino que también deben estar presentes en un cierto equilibrio sales minerales (azufre, fósforo, potasio, calcio, magnesio, hierro, manganeso, molibdeno, zinc, cobalto, selenio, tungsteno, níquel y otros menores)
Normalmente las sustancias orgánicas como estiércoles y lodos cloacales presentan estos elementos en proporciones adecuadas.
Otras sustancias con alto contenido de lignina no son directamente aprovechables y por lo tanto deben someterse a tratamientos previos (cortado, macerado, comportado) a fin de liberar las sustancias factibles de ser transformadas.
Cuando tratamos estiércoles animales el volumen producido y su degradación dependerán fundamentalmente del tipo de animal, peso, alimentación y del manejo que de los mismos.
| ESPECIE | PESO VIVO | Kg ESTIERCOL/día | l/kg. S.V. | % CH4 |
|---|---|---|---|---|
| Cerdos | 50 | 4,5-6 | 340-550 | 65-70 |
| Vacunos | 400 | 25-40 | 90-310 | 65 |
| Equinos | 450 | 12-16 | 200-300 | 65 |
| Ovinos | 45 | 2,5 | 90-310 | 63 |
| Aves | 1.5 | 0,06 | 310-620 | 60 |
| Caprinos | 40 | 1,5 | 110-290 | -- |
Inhibidores de la producción de biogás:
La presencia en determinadas concentraciones de metales pesados, antibióticos y detergentes pueden inhibir e incluso interrumpir el proceso fermentativo. Ácidos volátiles en concentraciones superiores a 2.000 ppm para la fermentación mesofílica y de 3.600 para la termofílica inhibirá la digestión, como así una elevada concentración de Nitrógeno y Amoníaco pueden destruir las bacterias metanogénicas.
| INHIBIDORES | CONCENTRACIÓN INHIBIDORA |
|---|---|
| SO4 | 5.000 ppm |
| NaCl | 40.000 ppm |
| Nitrato (Según contenido de N2) | 0,05 mg/ml |
| Cobre | 100 mg/ml |
| Cromo | 200 mg/ml |
| Níquel | 200-500 mg/ml |
| CN | 25 mg/ml |
| Detergente sintético | 20-40 mg/ml |
| Sodio | 3.500-5.500 mg/ml |
| Potasio | 2.500-4.500 mg/ml |
| Calcio | 2.500-4.500 mg/ml |
| Mg | 1.000-1.500 mg/ml |
APROVECHAMIENTO DE LOS EFLUENTES
Existen amplias evidencias del incremento en la producción de distintas especies provocada por la aplicación de efluentes de metanización al suelo, no obstante, esto dependerá de sistemas biológicos muy complejos como son: el material orgánico de carga, el digestor, el suelo y finalmente el cultivo.
Debido a su acelerada descomposición el efluente brinda rápidamente nutrientes disponibles. Los ácidos húmicos presentes en este material contribuyen a mejorar la estructura del suelo y su porosidad aumentando al mismo tiempo la capacidad de intercambio. La cantidad de humus estable duplica generalmente al que se consigue mediante la utilización de estiércoles incrementando al mismo tiempo en forma significativa la actividad biológica del suelo.
El elevado contenido de nitrógeno en forma de amonio (NH4) presente en los efluentes ayuda a evitar la pérdida por lavado y lixiviación del nitrógeno del suelo al igual que las pérdidas por volatilización producidas por los procesos de desnitrificación biológica.
El efluente de los digestores tiene otras aplicaciones entre las cuales merecen mencionarse: la alimentación de animales en raciones balanceadas, como sustrato para el crecimiento de algas y peces en estanque cerrados.
Tratamiento de líquidos cloacales:
El tratamiento realizado mediante sistemas anaeróbicos solos o combinados con tratamientos aeróbicos es una técnica muy difundida en todo el mundo desde hace más de 50 años.
Para tener una idea de su importancia, el gas generado por esta técnica en Europa alcanzaba en el año 2.020 un total de casi 1.600 millones de m3 anuales de biogás.
Recientes progresos en equipos de cogeneración han permitido una más eficiente utilización del gas generado y los continuos avances en las técnicas de fermentación aseguran un sostenido desarrollo en este campo.
Es importante tener en cuenta que la incorporación de esta tecnología obliga a un estricto control en cuanto a tipo de productos que se vierten en los sistemas cloacales urbanos. En caso de ser vertidos aquí los desechos industriales estos deben ser tratados previamente para no crear graves problemas de funcionamiento en los reactores anaeróbicos.
Plantas de tratamiento de desechos industriales:
Estos reactores anaeróbicos son de enormes dimensiones (más de 1.000 m3 de capacidad), trabajan a temperaturas mesofílicas (20 ºC a 40 ºC), o termofílicas (más de 40 ºC), poseen sofisticados sistemas de control y están generalmente conectados a equipos de cogeneración que brindan como productos finales; calor, electricidad y un efluente sólido de alto contenido proteico, para usarse como fertilizante o alimento de animales.
En los últimos años han tenido una importante evolución siendo difundidas para determinados fines en combinación con tratamientos aeróbicos convencionales.
La aplicación del biogás en el área rural ha sido muy importante, en este caso la tecnología desarrollada ha buscado realizar digestores de fácil uso, mínimo costo y mantenimiento, aunque sus rendimientos son bajos, sus objetivos son dar energía, sanidad y fertilizantes orgánicos a los agricultores especialmente de zonas marginales y difícil acceso a las fuentes convencionales de energía.
El vertedero es una práctica muy difundida en el mundo para eliminar las enormes cantidades de desperdicios generados en las grandes ciudades.
Hoy en día existen modernas instalaciones con técnicas de extracción de y purificación del gas metano generado.
Este gas al no ser captado y tratado genera graves problemas, entre los cuales figura el ambiental, por muerte de la vegetación que se encuentra en las adyacentes, contaminación de aguas, presencia de gases tóxicos, malos olores que molestan a los residentes y la acumulación de gases provocando mezclas explosivas.
En el vertedero se realiza un tratamiento anaeróbico diferente a los sistemas biodigestores que estaremos mencionando, en muchos casos debido a los grandes volúmenes manejados; se hacen excavaciones las cuales serán rellenadas generalmente con residuos urbanos, en su mayoría sólidos, y de los cuales no se obtendrá ningún efluente tratado, solo quedará la porción de sólidos que no se pudo degradar y el lixiviado.
EMISON es actualmente referente en instalaciones de captación y valorización de biogás de vertedero, donde ha realizado desde los años 80 multitud de trabajos tanto en proyectos de plantas de este tipo, como obras parciales y proyectos llaves en mano. Sus plantas abarcan desde pequeñas instalaciones para quemar caudales residuales de vertederos hasta completas plantas para vertederos de gran tamaño. Actualmente están en funcionamiento más 50 plantas ejecutadas por EMISON, con un caudal de más de 50.000 m3/h.
Es de destacar que ha desarrollado su propia tecnología, de la que es totalmente propietaria, desde los programas de control y supervisión hasta la antorcha de alta temperatura. También tiene una amplia experiencia en estudios de campo, así como en contratos de mantenimiento y gestión de instalaciones de valorización energética a partir de biogás.
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