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“Diseño, construcción e implantación de un biodigestor anaerobio vertical semicontinuo piloto, para la obtención de gas metano y biol a partir de cáscara de naranja en la empresa ECOPACIFIC, Amaguaña, provincia de Pichincha, Ecuador.”

María del Rosario Silva Alcívar

INTRODUCCIÓN

ECOPACIFIC S.A.

8 – 12 ton Relleno Sanitario

Aumento en el volumen de desechos.

Contaminación de suelos, agua y aire.

Alternativa de tratamiento

Biodigestor anaerobio

Genera productos biodegradables no

contaminantes

CH4BIOL

OBJETIVOS

GENERALDiseñar, construir e implantar un biodigestor anaeróbico vertical semicontinuo piloto para obtener biogas y biol, a partir de cáscara de naranja en la empresa ECOPACIFIC ubicada en Amaguaña, Provincia de Pichincha, Ecuador.

ESPECÍFICOS1. Caracterizar la cáscara de naranja y el inoculo inicial por medio de los siguientes análisis: pH, DBO5, DQO, carbono total, nitrógeno orgánico, fosfatos, humedad, ceniza, sólidos suspendidos, sólidos suspendidos volátiles, sólidos suspendidos totales, coliformes totales, coliformes fecales.

OBJETIVOS


ESPECÍFICOS2. Emplear los parámetros de diseño establecidos para diseñar el biodigestor anaerobio vertical semicontinuo piloto.

3.Calcular la cantidad de biogas estimado que podría generar el biodigestor anaerobio vertical semicontinuo piloto.

OBJETIVOS


ESPECÍFICOS4. Construir y operar el biodigestor anaerobio vertical semicontinuo piloto, para la obtención de biogas y biol.

5. Controlar los parámetros operacionales dentro de los rangos establecidos para un adecuado funcionamiento del biodigestor anaerobio vertical semicontinuo piloto.

OBJETIVOS


ESPECÍFICOS6. Calcular la eficiencia del biodigestor anaerobio vertical semicontinuo piloto, a partir de análisis fisicoquímicos y microbiológicos del biol obtenido.

7. Validar el volumen de biogas obtenido sobre una base de análisis estadísticos.

OBJETIVOS


ESPECÍFICOS8. Dimensionar el biodigestor a escala industrial para la producción de biogas y biol a partir del residuo de cáscara de naranja de la empresa ECOPACIFIC.

MARCO TEÓRICO

RESIDUOMaterial generado por actividades de producción y consumo sin valor

Protección ambiental y salud.Ocupación de espacio.Motivos estéticos

Abad y Puchades, 2002América Latina

275000 ton/d70% recolectada35% relleno

OPS, 2010

1. Residuos especiales y peligrosos

MARCO TEÓRICO





OPS, 2010

1. Residuos especiales y peligrosos2. Residuos radioactivos

Material o producto de desecho, sin uso específico y que contiene radio nucleídos (emiten radiación )

MARCO TEÓRICO





OPS, 2010

1. Residuos especiales y peligrosos2. Residuos radioactivos3. Residuos sólidos urbanos

a. Fracción húmeda

MARCO TEÓRICO





OPS, 2010

1. Residuos especiales y peligrosos2. Residuos radioactivos3. Residuos sólidos urbanos

a. Fracción húmedab. Fracción seca

Naturaleza Porcentaje (%) Producción (ton/día)Materia orgánica 71,4 5298Papel y cartón 9,6 709

Plástico 4,5 336Vidrio 3,7 274

Metales 0,7 53TOTAL 100 6669

MARCO TEÓRICOResiduos generados en las zonas urbanas del Ecuador

(Yánez et al, 2011)

Acumulación y mal manejo

Proliferación de vectores

Contaminación (agua, aire, suelo)

Conservación flora y fauna

MARCO TEÓRICO

Residuos de origen animal

Producción

Estiércol

MARCO TEÓRICOResiduos de origen animal

Producción

Estiércol

Bacterias

Malos olores

Contaminación


Producción

Estiércol

Bacterias

Malos olores

Contaminación

Tipo de estiércolDisponibilidad

(kg/día)Volumen de biogas

(m3/día/año)Bovino (500kg) 10,00 0,400Porcino (50kg) 2,25 0,135Aves (2kg) 0,18 0,014Ovinos (32kg) 1,50 0,075Caprino (50kg) 2,00 0,100Equino (450kg) 10,00 0,400

FAO (2011)


Producción

Estiércol

Bacterias

Malos olores

Contaminación

Tipo de estiércolDisponibilidad

(kg/día)Volumen de biogas

(m3/día/año)Bovino (500kg) 10,00 0,400Porcino (50kg) 2,25 0,135Aves (2kg) 0,18 0,014Ovinos (32kg) 1,50 0,075Caprino (50kg) 2,00 0,100Equino (450kg) 10,00 0,400

FAO (2011)

no flota en la superficie del agua y se desintegra con más facilidad en un medio acuoso.

MARCO TEÓRICOResiduos de origen vegetal

Forestales

Agropecuarios

Industriales

Urbanos


Forestales

Agropecuarios

Industriales

Urbanos

Restos de plantaciones


Forestales

Agropecuarios

Industriales

Urbanos


Pulpa, cáscaras, aceites


Forestales

Agropecuarios

Industriales

Urbanos



Desechos de cocina


Forestales

Agropecuarios

Industriales

Urbanos



Desechos de cocina

Acumulación(Plagas)

Incineración(fitosanitarios)

Agua (Nitratos)


Forestales

Agropecuarios

Industriales

Urbanos



Desechos de cocina

Acumulación(Plagas)

Incineración(fitosanitarios)

Agua (Nitratos)

ResiduoCantidad de residuo

(ton/ha)Volumen de biogas

(m3/ton)Cereales (paja) 3,3 367Tubérculos (hojas) 10,0 606Leguminosos (paja) 3,2 518Hortalizas (hojas) 5,5 603Frutas (cáscaras) 6,4 514

FAO (2011)

MARCO TEÓRICO

LA NARANJA (Citrus sinensis)

Fruta mayor producción y consumo

mundialFIRA (2003)

24 Ranking de producción

FAO (2004)

MARCO TEÓRICO


mundialFIRA (2003)


FAO (2004)

1. GeneralidadesForma esférica (6 a 10 cm)Color amarilloSabor dulceConsumo fresco, jugo


MARCO TEÓRICO


mundialFIRA (2003)


FAO (2004)

1. Generalidades2. Propiedades

CítricoRefrescanteFibra, K, Ca, Mg, vitC

ANC (2004)


MARCO TEÓRICO



mundialFIRA (2003)


FAO (2004)

1. Generalidades2. Propiedades3. Cáscara de naranja

pigmentos, vitaminas, aceites esenciales, celulosa, carbohidratos solubles, pectina, aminoácidos, azúcares y minerales

Mahmood (1998)

MARCO TEÓRICO

LOS BIODIGESTORES

Recipiente o sistema con un ambiente biológicamente activo.

Proceso bioquímico de degradación, involucra microorganismos.

CH4

BIOL

MARCO TEÓRICO



Tipo de biodigestores

CH4

BIOL

LOS BIODIGESTORES

MARCO TEÓRICO




CH4

BIOL

1. Mezcla completa

LOS BIODIGESTORES

MARCO TEÓRICO




CH4

BIOL

1. Mezcla completa a. Sin recirculación

• Anaerobio• Distribución uniforme de sustrato y

microorganismos• Agitación• Residuos orgánicos

LOS BIODIGESTORES

MARCO TEÓRICO




CH4

BIOL

1. Mezcla completaa. Sin recirculaciónb. Con recirculación

• Anaerobio• Aguas con alto contenido orgánico• Reutiliza material

LOS BIODIGESTORES

MARCO TEÓRICO




CH4

BIOL

1. Mezcla completa 2. Retención de biomasa

Dos fases (inmovilización en filtros y floculación)Retiene los microorganismos (<t)

LOS BIODIGESTORES

MARCO TEÓRICO




CH4

BIOL

1. Mezcla completa2. Retención de biomasa3. Discontinuos

Crecimiento microorganismos = producción de biogasResiduos con alta concentración de sólidos

LOS BIODIGESTORES

LA BIODIGESTIÓN

MARCO TEÓRICO

Degradación de residuos orgánicos

Reacciones bioquímicas

Productos con valor agregado

MARCO TEÓRICO



Tipos de biodigestión


LA BIODIGESTIÓN

MARCO TEÓRICO




1. AeróbicaBacterias y protozoosPresencia de oxígeno

Bajo capital de inversiónReduce coliformes

Producto final: CO2, NH4, H2O


Tratamiento lodos activados (IDAE, 2007)

LA BIODIGESTIÓN

MARCO TEÓRICO




1. Aeróbica2. Anaeróbica

Aplica a residuos ganaderos, agrícolas.Ausencia de oxígenoMicroorganismos específicos

Reduce coliformes, sólidos, DBO, DQO

Producto final:biogasbiol


Tratamiento residuos vegetales (García, 2010)

LA BIODIGESTIÓN

FASES DE LA BIODIGESTIÓN ANAEROBIA Y MICROBIOLOGÍAMateria orgánica

MARCO TEÓRICO

Materia orgánica

Proteínas

MARCO TEÓRICOFASES DE LA BIODIGESTIÓN ANAEROBIA Y MICROBIOLOGÍA

Materia orgánica

ProteínasGlúcidos


Materia orgánica

ProteínasGlúcidosLípidos


Materia orgánica


HIDROLISIS


Materia orgánica


HIDROLISIS Microorganismos hidrolíticos


Materia orgánica


HIDROLISISEnzimas extracelulares

Compuestos solubles


Materia orgánica


HIDROLISIS

AminoácidosAzúcaresÁcidos grasos


Materia orgánica



ACIDOGÉNICA


HIDROLISIS

Materia orgánica


HIDROLISIS


ACIDOGÉNICAFermentación de moléculas orgánicas solubles


Materia orgánica


HIDROLISIS


ACIDOGÉNICAMicroorganismos Encargados de producir compuestos monoméricos


Ac. AcéticoH2

Ac. FórmicoAc. PropiónicoAc. ButíricoAc. ValéricoAc. LácticoEtanol


Ac. AcéticoH2


ACETOGÉNICA


Ac. AcéticoH2


ACETOGÉNICATransformados en productos más sencillos


AcetatoFormatoMetanolH2

CO2



CO2

METANOGÉNICA



CO2

METANOGÉNICABacterias anaeróbicas estrictas


BIOGAS


BIOGAS


CH4

CO2

H2

H2S

BIOL


BIOGASN, P, C

PARÁMETROS DE OPERACIÓN

MARCO TEÓRICO

pH

MARCO TEÓRICOPARÁMETROS DE OPERACIÓN

pHAcidogénica 5,5 – 6,5

Metanogénica 7,8 – 8,2 Rivas (2009)


pH 6,8 – 7,4Rivas (2009)


pH 6,8 – 7,4Rivas (2009)

C/N


pH 6,8 – 7,4Rivas (2009)

C/N bacterias consume 30 veces más C que N

FAO (2011)


pH 6,8 – 7,4Rivas (2009)

C/NFAO (2011)

20:1 – 30:1


pH 6,8 – 7,4Rivas (2009)

C/NFAO (2011)

20:1 – 30:1

T


pH 6,8 – 7,4Rivas (2009)

C/NFAO (2011)

20:1 – 30:1

T 12ºC – 65ºCFAO (2011)


pH 6,8 – 7,4Rivas (2009)

C/NFAO (2011)

20:1 – 30:1

T 12ºC – 65ºCFAO (2011)

t


pH 6,8 – 7,4Rivas (2009)

C/NFAO (2011)

20:1 – 30:1

T 12ºC – 65ºCFAO (2011)

t Necesario para el crecimiento bacteriano

Hilbert (2003)


pH 6,8 – 7,4Rivas (2009)

C/NFAO (2011)

20:1 – 30:1

T 12ºC – 65ºCFAO (2011)

tHilbert (2003)

min 30 d


pH 6,8 – 7,4Rivas (2009)

C/NFAO (2011)

20:1 – 30:1

T 12ºC – 65ºCFAO (2011)

tHilbert (2003)

min 30 d

Presencia de tóxicos e inhibidores de la digestión.


pH 6,8 – 7,4Rivas (2009)

C/NFAO (2011)

20:1 – 30:1

T 12ºC – 65ºCFAO (2011)

tHilbert (2003)

min 30 d


AmoníacoMetales pesadosCianuroFenolesSulfuros


pH 6,8 – 7,4Rivas (2009)

C/NFAO (2011)

20:1 – 30:1

T 12ºC – 65ºCFAO (2011)

tHilbert (2003)

min 30 d


AmoníacoMetales pesadosCianuroFenolesSulfuros

Antibióticos


ANALISIS ESTADÍSTICO

Cáscara de naranja

6 meses continua6 meses semicontinua


1. Intervalos de confianzaCáscara de naranja



1. Intervalos de confianza

Fórmula García (2003)

Cáscara de naranja





Determinar concentración óptima de carga en el régimen semicontinuo

Cáscara de naranja





Comprobar los rangos óptimos de operación

Cáscara de naranja





Prueba de hipótesis

Cáscara de naranja



MATERIALES Y MÉTODOS


Seleccionar la materia prima

Cáscara de naranja

Heces porcinas

Caracterizar la materia prima

Cálculos para el dimensionamiento

del biodigestor

Balances de masa de las cargas

Construcción del biodigestor

Operación del biodigestor

Pruebas de concentración

Análisis de Resultados


HumedadNitrógeno totalpHSólidos suspendidosSólidos suspendidos volátilesSólidos totales

Carbono totalColiformes fecalesColiformes totalesDBO5

DQOFosfatos


Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor







Parámetro DatosVolumen funcional (Vf) 750 LVolumen inicial (Vi) 150 LVolumen de carga inicial (Qi) 600 LVolumen de la carga diaria (Qd) 20 L/dRelación C/N 29,4286Relación cáscara de naranja / heces 1,222


Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor








Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor








Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor






Unidad Naranja Heces Agua Mezcla

Humedad % Hn Hh 100 92Materia Seca % MSn MSh 0 8

Cantidad Kg X Y Z 600



Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor








Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor






Unidad Naranja Heces Agua Mezcla

Humedad % Hn Hh 100 92

Materia Seca % MSn MSh 0 8

Cantidad Kg X Y Z 20



Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor








Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor






Vista frontal



Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor






Vista derecha



Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor






Vista izquierda



Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor






Puntos de control



Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor






Pruebas de fugas



Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor






Pruebas de fugasCarga inicial



Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor






Pruebas de fugasCarga inicial

5 días aire libreAcosta (2011)



Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor






Concentración de la mezcla



Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor






Concentración de la mezclapH de la mezcla



Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor






Concentración de la mezclapH de la mezclapH efluente



Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor






Concentración de la mezclapH de la mezclapH efluentePresión y flujo del biogas



Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor






Concentración de la mezclapH de la mezclapH efluentePresión y flujo del biogasTemperatura



Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor






Concentración de la mezclapH de la mezclapH efluentePresión y flujo del biogasTemperaturaControl de parámetros 3 veces/d



Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor






Concentración de la carga diaria



Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor






Concentración de la carga diariaAnálisis de concentraciones en régimen semicontinuo



Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor






Concentración de la carga diariaAnálisis de concentraciones en régimen semicontinuoAlternativa de tratamiento



Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor






BIOL

carbono totalcoliformes fecales coliformes totales DBO5

DQOfósforo total nitrógeno total pH sólidos suspendidos sólidos suspendidos volátiles sólidos totales



Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor






BIOLBIOGAS

in situ TESTO 350XL, que analiza la concentración de CO2, CO, NOX, SOX y CH4 en puntos fijos.



Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor






BIOLBIOGASAnálisis estadístico



Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor







Ho: el uso de cáscara de naranja como

sustrato en un biodigestor anaerobio vertical semicontinuo, el cual después de 30 días de operación, produce gas metano y biol.



Cáscara de naranja

Heces porcinas



del biodigestor







H1: el uso de cáscara naranja como

sustrato en un biodigestor anaerobio semicontinuo, después de 30 días de operación, no produce gas metano y biol.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

RESULTADOS Y DISCUSIÓN1. CARACTERIZACIÓN DE LA MATERIA PRIMA

MuestraParámetro Cáscara de Naranja Heces porcinas

Carbono total 22,08 % 19,35 %Coliformes fecales - 15x107 NMP/100 mLColiformes totales - 20x108 NMP/100 mL

DBO5 8,4 mg/L 3702 mg/L

DQO 163,764 mg/L 19600 mg/LFosfatos 55,92 % 50,6 %Humedad 76,12 % 9,98 %

Nitrógeno total 0,266 % 0,128 %pH 4,28 6,68

Sólidos suspendidos - 8250 mg/LSólidos suspendidos volátiles - 6270 mg/L

Sólidos totales - 14572 mg/L




DBO5 8,4 mg/L 3702 mg/L




Sólidos totales - 14572 mg/LDBO alcantarillado de 120 mg/L y el cauce de agua de 70 mg/L DQO alcantarillado de 240 mg/L y el cauce de agua de123 mg/L




DBO5 8,4 mg/L 3702 mg/L




Sólidos totales - 14572 mg/L

2. DIMENSIONAMIENTO Y CONSTRUCCIÓN DEL BIODIGESTOR


Condiciones de la empresa



Hilbert (2003)



INAMHI 12 ºC a 25 ºCInvernadero 18 ºC a 35 ºCMartí (2006) >T >Vdegradación <t biogas



FAO (2011) 8% a 12% MS> MS < movilidad bacteriana



FAO (2011) 20:1 – 30:1 > 35:1 multiplicación y desarrollo de bacterias es bajo, por la falta de nitrógeno.

< 8:1 inhibe la actividad bacteriana debido a la formación de un amonio.



3. BALANCE DE MASAS 1. Carga inicial



3. BALANCE DE MASAS 1. Carga inicial2. Carga diaria



3. BALANCE DE MASAS

La carga diaria se realiza una vez que se ha estabilizado el sistema y generado gas Guevara (1996)

4. FUNCIONAMIENTO DEL BIODIGESTOR


Hilbert (2003)Acosta (2011)

Soluciones Alcalinas



Variaciones Rango



Biogas a 3-5 díasRivas (2010), Cardona (2004) y Ramos et al (2007)

4. CARGA DIARIA (RÉGIMEN CONTINUO)


pH ácidos estrés bacteriano muerte metanogénicasLópez (2009) y Gómez (2007)

Naranja 2kgHeces 1,7 kgAgua 16

3 L/min42,66 psi

4. PRUEBAS DE CONCENTRACIÓN (RÉGIMEN SEMICONTINUO)


NaranjaHecesAgua

4,09 kg3,33 kg32,44 kg

4 L/min56,88 psi

4. PRUEBAS DE CONCENTRACIÓN (RÉGIMEN SEMICONTINUO)


NaranjaHecesAgua

3,07 kg2,50 kg24,33 kg

5 L/min71,10 psi

5. ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO


NaranjaAguaRecirculación

6 kg12 kg2 kg

4 L/min56,88 psi

5. ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO


NaranjaAguaRecirculación

9 kg18 kg3 kg

3,5 L/min49,77 psi

6. ANALISIS DE BIOGAS Y BIOL


BIOGASProducción de biogas esta condicionada Pérez (2010)

Encendido de biogas



BIOGAS

Análisis de biogas in situ TESTO 350xl

Compuesto Unidad ConcentraciónO2 % 0,34CO2 % 35,34CxHy % > 45NOx mg/m3 36,61SO2 mg/m3 30,18

López (2009), Gómez (2007)

Biogas con características combustibles 55 – 70 % CH4

27 – 44 % CO2

Llega a quemarse sin olores y con llama azul

6. ANALISIS DE BIOGAS Y EFLUENTE


BIOGAS



BIOGASBIOL

Viscosidad del efluente reducida Carece de olor

Hilbert (2003)



BIOGASBIOL

Concentraciones adecuadas de un fertilizante

C/N inicial 29,42 final 24,66pH 7,04Coliformes Campos (2001), Hilbert (2003), FAO (2011)

Reducción significativa contaminación

7. EFICIENCIA DEL BIODIGESTOR


8. ANÁLISIS ESTADÍSTICO


No traslapanDiferencia significativaC2 (1,5) semicontinuo95%

8. ANÁLISIS ESTADÍSTICO


No traslapanDiferencia significativaC2 (1,5) semicontinuo95%

Acepta la Ho

Rechaza la H1

9. DIMENSIONAMIENTO INDUSTRIAL


Razo (2007)

Promedio 2tonCarga diaria 20000 L/día

Volumen funcional 450 m3 (75%)

CONCLUSIONES

CONCLUSIONES

Diseño anaerobio continuo y semicontinuo Vt 1000L y Vf 750L

CONCLUSIONES


Análisis de heces DBO5 y DQO tratamiento previo para el descargue uso en degradación anaerobia en codigestión con cáscara de naranja es una opción, para evitar la contaminación del agua.

CONCLUSIONES


Análisis de heces DBO5 y DQO tratamiento previo para el descargue uso en degradación anaerobia en codigestión con cáscara de naranja es una opción, para evitar la contaminación del agua.

pH parámetro crítico factor determinante en la producción de biogas variaciones bruscas regulador pH 8.

CONCLUSIONES

CONCLUSIONES

2 L/min28,44 psi

CONCLUSIONES

CONCLUSIONES

3 L/min42,66 psi

CONCLUSIONES

CONCLUSIONES

4 L/min56,88 psi

CONCLUSIONES

CONCLUSIONES

5 L/min71,10 psi

CONCLUSIONES

CONCLUSIONES

4 L/min56,88 psi

CONCLUSIONES

CONCLUSIONES

3,5 L/min49,77 psi

Funcionamiento satisfactorio

CONCLUSIONES

Biogas características inflamables 35% CO2 y 65% CH4

CONCLUSIONES


Biol bioabono adecuado 1,9 % N, 46,97% C, 11,4 % P

CONCLUSIONES


Biol bioabono adecuado 1,9 % N, 46,97% C, 11,4 % P

73,45% DBO5

77,21% DQO

80,12% SS82,77% SSV85,27% ST

99% Coliformes

RECOMENDACIONES

RECOMENDACIONES

Estudio de la mezcla diseñar un sistema de agitación eficiente mejorar la producción de biogas.

RECOMENDACIONES


Estudio variación temperatura en la noche rango de operación más detallado.

RECOMENDACIONES



Tratamiento previo cáscara de naranja pH ácido

RECOMENDACIONES




Variación pH producción biogas sistema automatizado de control de pH

RECOMENDACIONES





Alternativa pruebas de concentración determinar pesos y concentraciones óptimas en dichas circunstancias

RECOMENDACIONES






Época fría aislante térmico

RECOMENDACIONES






Época fría aislante térmico

Volumen de residuo sistema de digestión en serie o en paralelo.

GRACIAS