Evaluación de un digestor tipo "Plug Flow"

D C A Duque, U C H Galeano y G J M Mantilla

Grupo de Investigación en Conversión y Transferencia de Energía, Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica,
Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Colombia-Sede Bogotá, Ciudad Universitaria,
Carrera 30 #45-03 Edificio 453 oficina 401, Bogotá, Colombia
jmmantillag@unal.edu.co

Resumen

El presente documento es el resultado de una investigación llevada a cabo en diferentes períodos de tiempo entre los años 2001 y 2004, utilizando siempre digestores diseñados siguiendo la norma 363-I (NRCS 1999). El objetivo principal era determinar el comportamiento de algunos parámetros de funcionamiento en los rangos de operación sugeridos por la norma 363-I para este tipo de digestores, y así plantear un método más preciso de selección del volumen de almacenamiento del biogás que el indicado en la norma.

Los resultados obtenidos son concluyentes en valores importantes de parámetros de funcionamiento tales como: el pH, que permite identificar los procesos presentes en la digestión anaeróbica; la temperatura exterior al digestor, la cual no es de gran influencia en el funcionamiento del mismo si el control de temperatura interna es eficiente; la temperatura interna del digestor, cuyo aumento ayuda a producir un mayor volumen de biogás y a disminuir el tiempo de retención; y la producción de biogás, que es aproximadamente igual al 165% del volumen del digestor para la temperatura interna sugerida en la norma en todos los tamaños analizados. Los resultados obtenidos son presentados de forma coherente en una grafica de producción de biogás para cualquier volumen de digestor, considerando diferentes temperaturas internas. Igualmente se muestra la composición del biogás producido en el periodo considerado.

Palabras Clave: Biogás, contenido de sólidos totales, digestor tipo "plug flow", producción de biogás, residuos de ganado vacuno, temperatura interna

Plug flow biodigester evaluation

Abstract

This paper is the result of a carried out investigation in time periods between years 2001 and 2004, using digesters designed to comply standard 363-I (NRCS 1999). The main objective was to determine the behavior of some operational parameters within the range of values suggested in the 363-I standard for this type of digester, to propose a more precise biogas storage volume selection method of that indicated in the standard.

The results are conclusive in important operational parameters such as: the pH, that allows to identify the processes in anaerobic digestion; the external temperature to the digester affects its operation only if the internal temperature control do not work properly; the internal temperature of the digester, whose increase helps to produce a greater biogas yield and to reduce retention time; and the biogas yield, that is approximately equal to 165% of the digester volume for the internal temperature suggested in the standard, at all of the worked digester sizes. The results are presented in a logical way through a biogas yield selection graph for any digester volume and different internal temperatures. Also is displayed the biogas composition.

Keywords: Biogas, biogas yield, cow manure, internal temperature, plug flow digester, total solid contents

Introducción

El digestor tipo "plug flow" se utiliza con frecuencia en instalaciones de gran tamaño para manejo de residuos orgánicos, y se prefiere en aquellas donde estos residuos proceden de ganado vacuno por el porcentaje de sólidos que se debe manejar (EPA 2000a, The Minnesota Project 2000). Su construcción y funcionamiento son sencillos y presenta un buen comportamiento bajo condiciones controladas de temperatura en su interior (EPA 2000a). Sin embargo los rangos de diseño y operación presentados tanto en la norma como en otra bibliografía especializada (GATE 2000, DEH 2001, NRCS 1999, EPA 2000a, The Minnesota Project 2000) son muy amplios o no están bien documentados, con lo que el diseño de estos dispositivos implica una alta incertidumbre. Con el fin de validar los parámetros de diseño sugeridos por la norma (NRCS 1999) se diseñó e implementó un experimento que buscaba caracterizar este tipo de sistemas mediante la utilización de residuos orgánicos de ganado vacuno. Los resultados experimentales obtenidos permiten realizar un adecuado dimensionamiento del volumen de almacenamiento de biogás en estos equipos, reduciendo el nivel de incertidumbre.

La evaluación consistió en determinar la producción de biogás bajo diferentes condiciones de temperatura ambiente cuando la temperatura interna del digestor era de: 37.5°C (temperatura recomendada en la norma (NRCS 1999)), 30ºC y 25ºC. El modelo experimental incluyó las siguientes variables: tamaño del digestor, tiempo de retención y porcentaje de sólidos. Igualmente, se hicieron mediciones de los siguientes parámetros de funcionamiento del digestor: pH, presión, y composición del biogás obtenido (CH₄, CO­₂).

Como resultado se obtuvo una curva de producción de biogás contra tiempo, la cual se podrá emplear para el diseño de este tipo de digestores, facilitando el proceso de selección de una alternativa dentro del amplio rango de opciones disponibles.

Modelo experimental

Mediante un experimento factorial fraccionado de combinaciones seleccionadas al azar, el cual permite ver la influencia de todos los factores seleccionados sobre la variable de interés con un número limitado de experimentos, se observó el comportamiento de la producción de biogás (Litros por día), manteniendo un monitoreo permanente de dos parámetros de operación: presión y pH, lo cual permitió evaluar el desempeño de los biodigestores y por tanto de las condiciones del experimento.

De esta forma las variables involucradas en el experimento resultaron ser nueve (9) y se clasificaron asi:

-Variable de Interés : Producción de Biogas (litros/día)
-Variables Independientes (variables de influencia sobre la variable de interés): Temperatura exterior al digestor, tiempo de retención, volumen del digestor, temperatura interna del digestor, porcentaje de sólidos.
-Parámetros de operación: Presión de descarga, pH, composición del biogás.

Los niveles de cada uno de los factores considerados en este estudio y los 18 experimentos realizados se listan en la Tabla 1.

La forma de montaje de los digestores y los sistemas de medición empleados se muestran en la figura 1.

El montaje de acuerdo con el diseño del experimento estaba conformado por tres cajas de icopor de 5 cm de espesor cada una (Figura 1a), dentro de las que se ubicaron tres digestores de tres tamaños diferentes (ver Tabla 1). Cada digestor se fabricó con lámina de acero inoxidable de 1.2 mm de espesor, siguiendo las recomendaciones de diseño y construcción consignadas en la norma 363-I (NRCS 1999). Los digestores se encontraban separados entre sí por una pared de icopor de 5 cm y tenían en su interior una resistencia eléctrica la cual garantizaba que la temperatura interior de la mezcla se mantuviera en el valor especificado. Para lograr esto se utilizó un termostato por cada digestor conectado a un circuito eléctrico independiente. Dentro de cada caja se instaló, en la parte central del techo, un bombillo de 100 W que junto con un termostato se encargaban de mantener constante la temperatura ambiente al interior de la caja.

El influente utilizado fue residuo orgánico de ganado vacuno, el cual en promedio presentó una composición de 1.7% de Nitrógeno en base seca y una relación Carbono-Nitrógeno que osciló entre 18:1 y 20:1.

La producción de biogás se midió utilizando el método de campana invertida. Conocidos todos los datos del recipiente donde se almacenaba el biogás producido, se midió la altura de desplazamiento del mismo. Cuando el recipiente alcanzaba la altura máxima, se descargaba el biogás a través de una tubería auxiliar unida al sistema de medición de la composición de biogás (Figura 1b) e iniciaba el proceso nuevamente.

La composición del biogás se encontró utilizando una bolsa de suero que contenía una mezcla líquida de agua y NaOH al 15% en volumen. Se tomaba una muestra del biogás almacenado en la campana, después de haber obstruido el paso de biogás hacia esta desde el digestor, para luego hacer pasar la muestra por la mezcla de H₂O + NaOH durante once (11) horas; el CO₂ contenido en el biogás reaccionaba con la mezcla y salía de está como precipitado, por lo que el volumen desplazado en la bolsa era CH₄. Entonces conociendo la cantidad de biogás analizado, se podía saber cuanto de ese biogás era CH₄ y cuanto CO₂.

La medición de presión del biogás se realizó utilizando un manómetro de tubo en U con agua en su interior y se midió la altura de la columna de fluido. Esta línea de medición estaba ubicada en la tubería de gas a la salida del digestor (Figura 1b).

Para garantizar el porcentaje de sólidos totales se calculaba la densidad de la materia orgánica. Se dispuso de un cilindro de volumen conocido y de una balanza. Se tomaron las masas tanto de la materia orgánica como del agua y se dividieron estos valores entre el volumen conocido para obtener las respectivas densidades. Con estas densidades se calcularon los pesos y volúmenes de agua y materia orgánica necesarios para cumplir con el porcentaje de sólidos totales requerido.

Resultados

Los resultados registrados en el experimento se resumen de la siguiente forma:

Presión

La Figura 2 muestra el comportamiento de la presión a lo largo del tiempo para los primeros nueve experimentos indicados en la Tabla 1.

Se observa que dicho parámetro permanece prácticamente constante desde el punto de su estabilización en el séptimo día aproximadamente, a partir de este punto el valor de la presión se mantuvo estable en 2.5 cmH₂O. Es de observar que la presión es un parámetro de funcionamiento muy variable, pues depende de las restricciones que existan en la tubería aguas abajo (campana invertida, ver Figura 1a y 1b). Este parámetro es importante ya que gracias a la gráfica se puede analizar el comportamiento del digestor en lo que tiene que ver con fugas de gas que afectan sensiblemente el desempeño del mismo, es decir, la gráfica prueba la ausencia de fugas durante el lapso de tiempo considerado.

pH

El pH es quizás el parámetro más importante y a la vez el más olvidado cuando inicia su funcionamiento el digestor. El pH se debe medir a la mezcla que va a ser introducida al digestor, a la mezcla digerida que sale de este después de que se cumpla el tiempo de retención, y a la mezcla que está en proceso de digestión. En la Figura 3 se muestra el pH medido para los dos últimos casos mencionados anteriormente.

Cabe anotar que el pH de la mezcla de entrada al digestor fue constante durante toda la prueba con un valor de 6 (Los valores enteros obtenidos para el pH se deben a la utilización de papel indicador Universal marca Macherey-Nagel con escala 1-14). Como se observa en esta figura, durante los primeros días de funcionamiento el digestor tiene un comportamiento variable y nada predecible, sin embargo el patrón presentado es: una etapa ácida (pH=6), seguida de una etapa básica (pH=8), para luego estabilizarse en un valor neutro (pH=7). Este fenómeno es normal y esperado, ya que la mezcla introducida al digestor es un poco ácida y en la primera etapa de la descomposición del estiércol se forman compuestos también ácidos (acidogénesis), luego la mezcla llega a un nivel de acidez igual o superior al anterior; simultáneamente comienzan los procesos de acetogénesis y metanogénesis donde se van transformando estas sustancias en más ácidos, metano y dióxido de carbono, produciendo una especie de balance que permite que esta se vuelva básica por poco tiempo, para luego estabilizarse y comenzar a producir más metano (ver Ly et al 2004). Es necesario decir que los tres procesos ocurren siempre simultáneamente, sin embargo al inicio es más evidente la influencia de cada uno de ellos.

En cuanto al pH del efluente, el cual es medido a partir del día 21, se mantiene siempre neutro (pH=7). Se observó también en todas las muestras en el día 21, día de carga de mezcla fresca, que ocurría una acidificación en la segunda toma de muestra de ese día, normalizándose en la mañana del día siguiente. Lo anterior es normal en este tipo de digestor, ya que la mezcla no digerida permanece más cerca del orificio de carga (por donde se tomaban las muestras) mientras que la mezcla que estaba siendo digerida se movía a lo largo del digestor hacia el orifico de descarga (característica importante en este equipo). No se observan los fenómenos descritos anteriormente (acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis) dado que el volumen de carga era muy pequeño con respecto al volumen ya existente en el digestor, luego la estabilización ocurría mucho más rápido. Durante la etapa de producción de biogás, el pH permaneció neutro (7), garantizándose de esta forma que un buen número de bacterias formadoras de metano pudieran realizar su labor y producir la máxima cantidad de biogás.

Producción de biogás

En la Figura 4 se muestra la producción de biogás vs. tiempo para los tres volúmenes de digestor empleados; se observa que para cada una de las tres temperaturas externas el comportamiento de la variable de interés tiene la misma tendencia dentro de cada uno de los volúmenes trabajados. Es decir, la producción de biogás para un volumen de digestor dado no varía con los cambios de la temperatura externa al digestor, siempre y cuando la temperatura interna de operación se mantenga constante. Así mismo, se encontró que la producción de biogás presentó el mismo comportamiento para los tres porcentajes de sólidos considerados.

También se observa en esta figura que la producción de biogás comenzó al segundo día después de haber iniciado la operación del digestor y se estabiliza aproximadamente entre los días 22 y 25, con un valor de 1.65 veces el volumen del digestor; este valor promedio, de baja dispersión, contrasta con el amplio rango de diseño para el volumen de almacenamiento del biogás presentado en la norma, la cual sugiere un volumen entre 1.2 y 2.8 veces el volumen del digestor (NRCS 1999, EPA 2000a,b). El mayor valor de este rango de diseño puede presentarse en algunos digestores que funcionen dentro del rango termofílico (temperaturas internas mayores a 50ºC y producción de gas dos veces mayor para un mismo volumen (Ly et al 2004)), ó a digestores que son cargados con sólidos volátiles adicionales a los dispuestos comúnmente en la mezcla de estiércol, orina y agua.

En la Figura 5 se puede ver la curva de composición del biogás, como era de esperarse esta es inicialmente CO₂, debido a que en los procesos de acidogénesis y acetogénesis se genera este gas en niveles superiores al del CH₄, y va disminuyendo a medida que el acetato y el CO₂ se van transformando en metano (metanogénesis).

Esta composición se estabilizó entre los días 22 y 25 en un valor de 60% de metano, valor muy diferente al presentado en varias referencias, según las cuales este estaría entre 65 y 80% (UNISIST 1982, GATE 2000, Eggeling et al [sin fecha], Mandujano et al 1981, Fundación Pesenca 1992, Rutamu 1999). En la Figura 6, se puede ver una combinación de las gráficas expuestas anteriormente.

Las anteriores gráficas corresponden a los experimentos basados en un tiempo de retención de 20 días y una carga con un porcentaje de sólidos entre 11-13%, como se había mencionado anteriormente. Adicionalmente se deseaba averiguar que sucedía con este tipo de digestor cuando la carga se realizaba después de un tiempo de retención de 40 días, lo cual se presenta en la figura 7.

En este caso la producción tuvo su máximo valor entre los días 21 y 24, para luego disminuir entre los días 23 y 25, confirmando el concepto de tiempo máximo de retención (que para este caso debería estar en 20, según NRCS 1999; ver además San Thy et al 2003), el cual es inversamente proporcional a la temperatura interna del digestor. Estas curvas se vuelven importantes cuando se tienen digestores que trabajan en modo "batch"(Batch: de "Batch Feeding". Alimentación del digestor por lotes, se carga una sola vez y se descarga cuando la producción de biogás es muy baja ), ya que se puede saber cual va a ser la producción de biogás en un periodo de tiempo determinado. También se puede ver en esta gráfica la composición del biogás, la cual llega a un valor tope de CH₄ y disminuye a la par con la producción, aumentando los niveles de CO₂ en la mezcla volviéndola progresivamente ácida lo cual es debido a la pérdida del equilibrio entre las bacterias al no existir carga fresca (ver Figura 8).

Dentro del montaje experimental planteado se incluyó también el estudio del comportamiento de producción de biogás para los tres volúmenes considerados a diferentes temperaturas internas a la propuesta por la norma (NRCS 1999). Para esto se realizaron pruebas bajo las condiciones de experimentación mostradas en la Tabla 1. Las curvas obtenidas se muestran en las Figuras 9, 10 y 11.

Las líneas en tonos rojos de la Figura 9 representan las curvas para el volumen de 5 litros a diferentes temperaturas internas. Las líneas en tonos verdes de la Figura 10, las curvas para el volumen de 3.79 litros y las curvas en tonos azules de la Figura 11 para el volumen de 2.59 litros. Como era de esperarse a menor temperatura interna menor producción de biogás. Las curvas muestran el mismo comportamiento de producción de biogás visto anteriormente. Es de resaltar la variación en el tiempo de retención dependiendo de la temperatura interna, pues a menor temperatura mayor tiempo de retención. En las Figuras 9-11 se observan líneas rectas punteadas que se trazan a partir de los puntos de inicio de la producción estable de biogás para los diferentes volúmenes.

Pero las figuras anteriores si bien muestran y caracterizan el comportamiento de este tipo de digestor, no sirven si se desea usarlas para digestores de tamaño diferente a los del experimento. Para ello se busca una curva general que pueda decir cual sería la producción estimada de un digestor de cualquier volumen y cual sería la composición del biogás para un digestor con un tiempo de retención de 20 días y una carga con un porcentaje de sólidos totales entre 11 y 13% (NRCS 1999). Para ello se construyó la Figura 12, que muestra una curva para un digestor de cualquier tamaño con las características mencionadas anteriormente.

Entonces si se desea conocer la producción máxima de biogás, simplemente se ubica el punto de estabilización de la producción de biogás (aproximadamente hacia el día 25) sobre la curva correspondiente dependiendo de la temperatura interna de trabajo, se lee el factor Q/V y se multiplica por el volumen del digestor (V) para obtener el valor de la producción de biogás en unidades de volumen por día (Q). También es útil para saber la producción aproximada los días anteriores al tiempo de retención. Con el volumen seleccionado y el tiempo de retención se sabe el volumen de carga diaria y con el porcentaje de sólidos se sabe cuanto de esta carga debe ser agua y cuanto materia orgánica.

Composición del efluente

La composición del efluente promedio de todos los digestores con tiempo de retención igual a 20 días (Tabla 2) muestra que el efluente cumple con los requisitos para su utilización como abono orgánico según IIT (1983b) y la Fundación Pesenca (1992).

Conclusiones

• Se elaboró una gráfica para la ayuda en el adecuado dimensionamiento del volumen de almacenamiento de biogás, para digestores tipo "plug flow", con temperaturas internas de trabajo de 25ºC, 30ºC y 37.5 ºC, sin importar el volumen del digestor.
  
  
• Se encontró que la temperatura exterior no tiene influencia en la producción de biogás en digestores que posean un control preciso de la temperatura interna y cuyo porcentaje de sólidos totales se encuentre entre 11 y 13%.
  
  
• La figura de pH del digestor y del efluente confirmó el buen desempeño de los digestores empleados, ya que se mantuvo en un nivel neutro durante todo el experimento.
  
  
• La máxima composición volumétrica de metano medido en el biogás producido, para todos los digestores con tiempo de retención igual a 20 días, estuvo alrededor de 60%.
  
  
• Se obtuvieron las curvas de producción de biogás para digestores con tiempo de retención mayor a 20 días, y se logró demostrar que el tiempo de retención no es un factor arbitrario, sino que por el contrario depende de la temperatura interna del digestor. Así mismo se confirmó que el tiempo de retención indicado en la norma para este tipo de digestores es el adecuado para una temperatura interna de 37.5ºC.
  
  
• Las pruebas realizadas demuestran que este tipo de digestor es una buena alternativa debido a su producción de biogás con mínimo mantenimiento.
  
  
• Se debe considerar una validación de los resultados obtenidos realizando el mismo procedimiento experimental en digestores de mayor volumen, es decir, se debe determinar el factor de escala que afecta las curvas obtenidas.
  
  
• Con esta investigación se aportan más elementos de juicio para el correcto diseño y operación de digestores tipo "plug-flow".

Trabajos Futuros

La investigación debe continuar principalmente en los siguientes puntos:

• Funcionamiento de los digestores tipo "plug flow" en el rango termofílico. Pues puede ser una opción, por ejemplo en el caso donde hay que eliminar al ambiente bastante calor extraído de una máquina térmica.
  
  
• Corroborar los resultados obtenidos en el trabajo presentado con digestores de volumen 10 veces mayor.
  
  
• Verificar la influencia de la adición de sólidos volátiles en la producción de biogás para un digestor de este tipo.
  
  
• Investigar mejores aislamientos para la cubierta de almacenamiento de biogás cuando la temperatura ambiente es menor a 20ºC.
  
  
• Analizar la influencia de la presión de descarga en el funcionamiento de este tipo de digestor.

Bibliografía

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