Evaluación de los biodigestores en geomembrana (pvc) y plástico de invernadero en clima medio para el tratamiento de aguas residuales de origen porcino
Gloria Pedraza, Julián Chará, Natalia Conde, Sandra Giraldo y Lina Giraldo
gloria@cipav.org.co
Evaluation of polyethylene and PVC tubular biodigesters in the treatment of swine
wastewater
Abstract
A trial was carried out to assess the decontamination efficiency and biogas production of tubular biodigesters constructed with PVC (geomembrane) or polyethylene, the former being considered more resistant and durable. The trial was performed in "El Vergel" farm in south-western Colombia, at 1850 metres above sea level with an average temperature of 18 degrees Celsius. Two biodigesters of each material were installed. Each one had 520 litres of liquid capacity and was 2.6 m long. The daily input to each biodigester was a mixture of water and pig faeces (26 litres of water, 4.7 kg of pig manure and 4 litres of urine, to simulate the typical composition of wastewater in the zone). The hydraulic retention time was 15 days and the trial was conducted for six months (3 for starting the system and 3 for stabilisation).
During the starting period the volatile fatty acids (VFA) were significantly higher and more stable in the polyethylene than in the PVC biodigester (37.9 versus 33.0 mg/litroitre). During the stabilisation, the VFA were 18.9 and 18.4 mg/litroitre for the polyethylene and PVC biodigesters, respectively. The internal temperature was similar in both biodigesters (average = 23 °C). During the starting period average biogas production was 65.5 and 66.4 litres/day for the polyethylene and PVC biodigesters respectively and increased up to 97 and 99 litres/day during the stabilisation period. The environmental temperature did not have any effect on the internal temperature of both types of biodigester (r=0.075 for polyethylene and r=0.097 for PVC). Both biodigester types showed very good removal rates of "Biochemical Oxygen Demand" (BOD) (91 and 92%, respectively) and "Chemical Oxygen Demand" (COD) (88 and 89%).
The main difference between the two biodigesters is their cost; a small biodigester (3 m long and 1.2m diameter) costs US$ 33 for polyethylene and US$ 100 for PVC. Both types of continuous flow biodigesters were highly efficient in the decontamination of piggery wastewater.
Key words: biodigester, anaerobic digestion, biogas, decontamination, pig waste
Resumen
El ensayo se desarrolló en la Finca El Vergel, ubicada en la vereda Bellavista municipio de El Dovio, en zona de ladera de la cordillera Occidental del Valle de Cauca (Colombia), a 1850 m.s.n.m., con precipitación promedio de 1600 mm anuales y temperatura ambiental promedio de 18oC. El experimento comprendió dos biodigestores de plástico polietileno de invernadero y dos biodigestores en geomembrana de PVC. Cada biodigestor poseía una longitud de 2.6 m y 520 litros de volumen líquido. Se cargaron diariamente con 34.7 litros de una mezcla (26 litros de agua, 4.7 kg de estiércol y 4 litros de orina) durante las fases de arranque (3 meses) y de estabilización (3 meses). El tiempo de retención de los biodigestores fue de 15 días.
En la fase
de arranque, la
concentración de AGV en el biodigestor de plástico de invernadero fue más estable y más alta que en el de
PVC (39.7 versus 33.0 mg/litroitre). En la fase de estabilizacion, los
valores fueron de 18.9 and 18.4 mg/litroitre para los biodigestores de
polietileno and PVC, respectivamente. La producción de
biogás en los dos tipos de biodigestores presentó un comportamiento muy similar en la fase de arranque (66.4 litros/día en los biodigestores
de geomembrana y 65.5 litros/día para los
biodigestores plásticos),
aumentándose en la fase de estabilización hasta 98 litros/día (19% del volumen
líquido). Las
temperaturas internas fueron muy similares en los dos
tipos de biodigestor, con un promedio de 23°C. En general el pH y la temperatura
fueron ligeramente más altos en el biodigestor plástico de invernadero que en el de
geomembrana. El pH a pesar de sus
variaciones se mantuvo entre 6.8 y 6.9. La variación en la temperatura
ambiental no tuvo efecto directo sobre la producción de biogás para ninguno de los
tratamientos (r=0.097 para el de geomembrana y de r=0.075
para el de plástico).
Ambos tipos de biodigestores resultaron eficientes para la remoción de la materia
orgánica con valores de 91 y 92% para DBO (Demanda bioquímica
de oxígeno
Las
diferencias principales entre
los dos tipos de biodigestor radican en los costos de los materiales. Un biodigestor en geomembrana de 3.5 m de largo y un diámetro de 1.20 m cuesta $234.000 (US$ 100),
mientras que el de plástico cuesta $87,000 (US$ 33).
Palabras claves: biodigestores, geomembrana, polietileno, biogás, descontaminación
Introducción
Los sistemas
anaerobios son procesos fermentativos que liberan productos finales estables y una
producción celular muy baja. Van Haandel y Lettinga (1994) argumentan
que sólo el 3% de la materia orgánica presente en el agua residual es convertida en masa
celular. El 97% remanente es convertido vía catabolismo en CH4 y CO2
como productos finales estables. En términos generales, la producción de lodos
biológicos en los sistemas de tratamiento anaeróbico es baja, reduciendo los costos de tratamiento y disposición
final. Adicionalmente el CH4 producido es una fuente de
energía renovable (Noyola 1997).
La digestión anaerobia se ha aplicado principalmente en el manejo de residuos orgánicos rurales (animales y
agrícolas) y más recientemente en el tratamiento de aguas residuales, tanto industriales
como domésticas. Se considera un proceso de fermentación y mineralización en el que la
materia biodegradable es convertida a compuestos orgánicos e inorgánicos, principalmente
a metano y a dióxido de carbono (Noyola 1997). La principal característica de los
procesos anaerobios es la degradación de los compuestos orgánicos por parte de las
bacterias que no requieren oxígeno y finalmente con sus reacciones producen el gas metano (Veenstra et al 1998).
La fermentación es un proceso de producción
de energía menos eficiente que la respiración; como consecuencia de ello, los organismos
heterótrofos estrictamente fermentativos se caracterizan por tasas de crecimiento y de
producción celular menores que las de los organismos heterótrofos
respiratorios (Metcalf y Eddy 1996).
La Fundación CIPAV ha venido implementando
en Colombia biodigestores plásticos de flujo continuo paa la producción de biogás (Botero y Preston 1986) y
para la descontaminación de
aguas servidas de uso agropecuario y doméstico,
siendo la última una opción de
bajo costo, fácil manejo y operación y adaptable a las condiciones tropicales desde las zonas más bajas hasta las zonas andinas
(Chará et al 1999).
Sin embargo, el ajuste de la tecnología a diferentes condiciones ambientales, de manejo y operación y durabilidad de los sistemas ha exigido una investigación básica más detallada sobre el comportamiento y la determinación de los parámetros de diseño y de operación de los biodigestores plásticos tipo CIPAV comparados con otros fabricados con materiales de mayor durabilidad como la geomembrana (PVC) HS500.
Metodología
El ensayo se desarrolló en la Finca El
Vergel, ubicada en la vereda Bellavista municipio de El Dovio, en zona de ladera de la
cordillera Occidental del Valle de Cauca, a 1850 m.s.n.m., con precipitación promedio de
1600 mm anuales y temperatura ambiental promedio de 18oC.
Diseño
Se evaluaron dos tipos de materiales
sintéticos flexibles para los biodigestores con el fin de analizar variables relacionadas
con la operación y mantenimiento y su influencia en los parámetros de remoción. Se compararon dos biodigestores de polietileno de invernadero y dos biodigestores en geomembrana de PVC
(Foto 1). Cada biodigestor poseía una longitud de 2.6 m y 520 litros de volumen líquido.
|
Foto 1: Detalle material polietileno y geomembrana y orificios para medición
de AGV, pH y temperatura, y salida del biogás
(tubo PVC central) |
Los
biodigestores se cargaban diariamente con 34.7 litros de una mezcla (26 litros de agua, 4.7 kg de estiércol y 4 litros de orina). El tiempo de retención
fue de 15 días. Durante toda el ensayo se registró diariamente la temperatura ambiental y la
precipitación (gráfica 1).
Gráfica 1. Precipitación y
temperatura ambiental durante el período experimental
(promedios mensuales)
Los parámetros internos, su frecuencia de
medición y el sitio de muestreo se presentan en la siguiente cuadro 1 y en la figura 1.
Cuadro 1. Parámetros
medidos en la fase de arranque, frecuencia de medición y sitio de muestreo |
||
Parámetro |
Sitio |
Frecuencia |
Ácidos
grasos volátiles (AGV) |
punto
interno 2 |
2 veces por
semana |
pH y
temperatura |
entrada y
salida |
2 veces por
semana durante 24 horas cada 4 horas |
Producción
de biogás |
salida del
reservorio |
cada ocho
días |
Las mediciones de AGV se tomaron en los cuatro biodigestores en las horas de la mañana. La concentración de AGV dentro de los biodigestores fue un parámetro básico para determinar la estabilización del sistema después del arranque. Se colocaron bolsas plásticas removibles en las que se acumulaba el biogás para la posterior medición; éstas se bajaban, se enrollaban y el biogás se hacia pasar por tubería de PVC a través de un medidor de biogás (SAMGAS G4®, 6 m³/hora, piezas internas en plástico). La temperatura y el pH se tomaron con medidores digitales "Hach®".
Figura
1. Sitios de muestreo en cada biodigestor
En la fase de
estabilización se aplicó la misma carga que para la fase arranque. Los
parámetros evaluados se presentan en el cuadro 2:
Cuadro 2. Parámetros
medidos en la fase de estabilización, sitio de muestreo y frecuencia. |
||
Parámetro |
Sitio |
Frecuencia |
pH y
temperatura |
entrada y salida |
2 veces
por semana durante 24 horas cada 4 horas |
Acidos
grasos volátiles (AGV) |
punto
interno 2 |
1 vez
por semana |
Demanda
bioquímica de oxígeno |
entrada
y salida |
semanal |
Demanda
química de oxígeno |
entrada
y salida |
semanal |
Nitrógeno
total Kjelhdal |
entrada
y salida |
semanal |
Nitrógeno
amoniacal |
entrada
y salida |
semanal |
De igual manera que en la fase de
arranque, se realizaron mediciones de biogás cada cuatro días para saber la producción
diaria (litros/día).
A continuación
(Cuadro 3) se muestra la metodología y referencia de los análisis fisicoquímicos
realizados:
Cuadro
3. Metodología y
referencia de los análisis fisicoquímicos |
||
Parámetros |
Método
de análisis |
Ref.
Standard Methods Edition 19th |
Demanda
bioquímica de oxígeno |
Prueba de 5 días
incubación |
5210B |
Demanda
química de oxígeno |
Reflujo
cerrado y titulación |
5220C |
Nitrógeno
total |
Kjelhdal |
|
Nitrógeno
amoniacal |
Titulación |
|
Resultados y discusión
Fase de arranqueÁcidos grasos volátiles (AGV)
En la gráfica 2 se observa el comportamiento de los AGV. Éstos se incrementaron hasta las semanas 12 y 13, a partir de las cuales empezaron a estabilizarse con valores que oscilaron entre 37.25 y 30 mg/litro.
Gráfica 2. Variación de los ácidos
grasos volátiles en biodigestores de geomembrana y plásticos
El comportamiento de los AGV en el biodigestor de polietileno fue más estable y con descensos menos bruscos que en el biodigestor de PVC (Gráficas 3 y 4). En el análisis estadístico se encontraron diferencias significativas entre los dos tratamientos (t calculado= 4.73 >tcrítico= 2.00). Además, como era de esperarse, se encontró una alta correlación inversa entre el pH y los AGV del biodigestor en geomembrana (r=0.51) y el de plástico (r=0.73).
Gráfica 3. Comportamiento de los AGV
vs pH en biodigestores de geomembrana
Gráfica 4. Comportamiento de los AGV vs. pH en
los biodigestores plásticos
Producción de biogás
En la gráfica 5 se presenta la producción de biogás en los dos tipos de biodigestores. No se encontraron diferencias significativas entre los dos tratamientos (T calculado< t crítico).
|
Gráfica 5. Producción de biogás en
los biodigestores de geomembrana y plásticos
La
media de producción de biogás para los biodigestores de geomembrana es de 66.4 litros/ día y de 65.5
litros/día para los biodigestores plásticos. Se encontraron correlaciones muy bajas (r < 0.34)
entre la producción de biogás y la temperatura ambiental (entre 17 y 20 oC) para cada uno de los materiales empleados en el biodigestor
(Gráfica 6).
Gráfica 6. Efecto de
la temperatura ambiental sobre la producción de biogás en biodigestores
de geomembrana y plástico
De igual manera, el coeficiente de
correlación entre el biogás producido y la temperatura interna fue muy bajo en los dos
tipos de biodigestores (r<0.42); este mismo resultado se obtuvo al correlacionar con
AGV. Esto indica que en la variación de la
producción de biogás no se evidenció una influencia directa del comportamiento de
parámetros como la temperatura ambiental, interna o AGV.
Variación de la temperatura y el pH dentro del biodigestor.
La temperatura a través del tiempo en el
biodigestor plástico de invernadero presentó valores levemente mayores que el de
geomembrana en los cuatro primeros muestreos, luego el comportamiento fue muy similar. La
estadística mostró que no hay diferencias significativas entre los biodigestores de
geomembrana y plástico (t calculado = -1,365 < t crítico = 2.059. Existe una
correlación alta entre la temperatura interna y la ambiental (r = 0.66 en geomembrana y
0.678 en plástico)(Gráfica 7).
Gráfica 7. Variación
de la temperatura interna en biodigestores de geomembrana y plástico
vs temperatura ambiental
Las temperaturas de entrada y salida para
cada uno de los materiales no presentaron diferencias significativas con variaciones
mínimas entre las medias y comportamientos similares entre los dos tipos de biodigestores
(Gráficas 8).
Gráfica 8. Variación
de la temperatura de entrada y salida en biodigestores de geomembrana y plástico
El pH interno a través del tiempo en el
biodigestor de geomembrana mostró un descenso desde el inicio (6.9 a 6.13), en el
muestreo 9 volvió a incrementar (6.21 a 6.92), dando signos de estabilidad hacia el final
de la etapa de arranque. El pH en el biodigestor de plástico de invernadero inició al
contrario, comenzó en 6.87, se incrementó hasta 6.94, descendió a 6.18 y empezó a
incrementar con la misma tendencia que el de geomembrana. En estos biodigestores el pH
está por encima del rango en el que permanecen las bacterias acidogénicas, es decir que
empieza a pasar a la fase metanogénica (Gráfica 9).
Gráfica 9.Variación
del pH interno en biodigestores de geomembrana y plástico
Existen diferencias significativas entre
los dos tratamientos (t calculado = 3.985>t crítico = 2.019). Las bacterias
metanogénicas trabajan a pH entre 6,8 y 7,2 (De Souza 1982), por lo cual aparentemente ya
se está alcanzando la fase metanogénica.
El
pH de entrada y de salida para cada uno de los materiales no presentaron diferencias
significativas (t calculado < t crítico). Sin embargo las medias de los pHs fueron muy
similares, oscilaron entre 6.89 y 6.91 en la entrada y entre 6.77 y 6.80 en la salida. Los
pHs tuvieron menos variación a partir del muestreo 10 (gráfica 10). Se halló una
correlación baja (r < 0.36) entre el pH de entrada y salida para cada uno de los
tratamientos, por lo cual se concluyó que no hay efecto del pH que entró al biodigestor
sobre el que salió, lo cual dependió más de la variación de los AGV dentro del
biodigestor.
Gráfica 10. Variación del pH de
entrada y salida en los biodigestores de geomembrana y plásticos
En
general el pH y la temperatura fueron ligeramente más altos en el biodigestor plástico
de invernadero que en el de geomembrana y esto está directamente relacionado con el tipo
de material.
Variación de pH y temperatura durante el día
La
temperatura del biodigestores de plástico de invernadero estuvo en rangos más altos que
el de geomembrana. El punto de temperatura más alto para los dos biodigestores fue a las
6:00 p.m. (geomembrana: 27.0oC; invernadero: 25.0 oC) y el más bajo a las 6:00 a.m.
(geomembrana: 22.0oC; invernadero:
21.6oC). La mayor temperatura se
registró a las 6:00 p.m. y la menor a las 6:00 a.m. (ciclos de 12 horas).
El
pH a diferencia de la temperatura no tuvo grandes cambios, en ninguno de los dos
biodigestores.
Con base en un diseño de bloques al
azar, se realizó el análisis estadístico de los datos obtenidos. Se aplicó una prueba de t student y se
determinaron los valores calculados de t, el t crítico y el coeficiente de correlación
que se pueden observar en el cuadro 4.
Cuadro 4.
Analísis estadístico de los parámetros en biodigestores de geomembrana y plásticos |
|||||
Parámetros |
Geomembrana |
Plástico |
t calculado |
t crítico |
Coeficiente
de correlación r |
AGV
(mg/litro) |
18.4 |
18.9 |
-1.11 |
2.13 |
0.98 |
Producción
de biogás |
96.6 |
98.6 |
-0.44 |
2.00 |
0.96 |
DBO |
91.9 |
91.3 |
0.65 |
2.13 |
0.80 |
DQO |
88.5 |
87.9 |
0.59 |
2.13 |
0.81 |
DQO/DBO |
3.22 |
3.16 |
0.43 |
2.13 |
0.62 |
Ntotal |
33.7 |
35.0 |
-0.62 |
2.16 |
0.93 |
Temperatura
entrada |
22.1 |
22.3 |
-2.22 |
2.57 |
0.98 |
Temperatura
salida |
22.4 |
22.5 |
-2.32 |
2.57 |
0.95 |
Temperatura
interna |
22.2 |
22.5 |
-3.87 |
2.77 |
0.96 |
pH entrada |
6.88 |
6.87 |
0.29 |
2.57 |
0.60 |
pH salida |
6.85 |
6.84 |
0.91 |
2.57 |
0.74 |
pH interno |
6.86 |
6.85 |
0.67 |
2.01 |
0.74 |
