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Argentina2013

Biogás, un Combustible que surge de la Basura

1 Planta Modelo de Producción de Biogás

PRODUCCIÓN DE BIOGÁS A PARTIR DE DESECHOS SÓLIDOS URBANOS

Planta Modelo: 4 MW 500/800 Toneladas x Días - 80.000 Toneladas x Año

El Biogás se produce mediante la degradación de la Materia Orgánica llevada a cabo por Bacterias Metanogénicas Anaerobias Estrictas. El Gas producido es una mezcla de CH

4 en mayor proporción, CO

2 y trazas de H

2S. La

relación entre los componentes dependerá del sustrato utilizado. En la actualidad hay pocas líneas de investigación tendientes a estudiar las posibilidades de utilizar Residuos Urbanos como sustratos para obtención de Biogás.

Introducción

La Contaminación de las Zonas Urbanas, es una temática que genera grandes inconvenientes, debido al desarrollo de las mismas, no sólo desde el punto de vista Ambiental, sino también desde el desarrollo Social. La Bibliografía menciona los riesgos a la Salud de la población derivados del Mal Manejo de los Residuos Urbanos en los basurales a cielo abierto, y la necesidad de revertir esta situación.

En Argentina existen demasiados espacios destinados al depósito de

Residuos Urbanos que se acumulan produciendo contaminación. Se entiende que Residuo es cualquier Producto, Materia o Sustancia

que resulte de la actividad Humana, principalmente, o de la naturaleza que ya no tiene más utilidad en la actividad que lo generó.



Sólo en el área metropolitana de Buenos Aires los centros de disposición de Basura del CEAMSE (Coordinación Ecológica Área Metropolitana Sociedad del Estado) reciben aproximadamente una cantidad de 14.760 toneladas diarias (CEAMSE) de Residuos Sólidos.

Las formas más usuales de disponer los Residuos Sólidos Urbanos son

el depósito en Rellenos Sanitarios o Basurales a cielo Abierto. Estos últimos, son los más difíciles de manejar, por los grados de Contaminación que llegan a lograr.

En los últimos años la situación de Rellenos Sanitarios como disposición

final de los Residuos se ha empeorado; los mismos tienen una vida útil limitada a un lapso de aproximadamente 10 años. Además existe una resistencia manifiesta de los Habitantes cercanos y la problemática radica en la ubicación de nuevos Rellenos. Sin contar con los aumentos de los costos de transporte de los RSU hasta su disposición final.

En América Latina los asentamientos de las Poblaciones Indigentes suelen realizarse cerca de los lugares de disposición final de la Basura, esto implica grandes Riesgos para la Población y obliga a encontrar nuevas soluciones para la disposición final de los Desechos.



Historia

La Fermentación Anaeróbica es un proceso Natural que ocurre en forma espontánea en la Naturaleza y forma parte del ciclo Biológico. De esta forma podemos encontrar el denominado "gas de los pantanos" que brota en aguas estancadas, el gas natural metano de los Yacimientos Petrolíferos así como el Gas producido por la descomposición de los Residuos Urbanos. En todos estos procesos intervienen las denominadas Bacterias Metanogénicas.

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.

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.

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.

Esta difusión se ve interrumpida por el fácil acceso a los Combustibles

Fósiles y recién en la Crisis Energética de la década del 70 se reinicia con gran ímpetu la investigación y extensión en todo el mundo incluyendo la mayoría de los países latinoamericanos.



Los últimos 20 años han sido fructíferos en cuanto a descubrimientos sobre el funcionamiento del proceso Microbiológico y Bioquímico gracias al nuevo Material de Laboratorio que permitió el 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.

A lo largo de los años transcurridos, la Tecnología de la Digestión

Anaeróbica se fue especializando abarcando actualmente muy diferentes campos de aplicación con objetivos muy diferentes. (*) El Tanque Imhoff es así denominado en honor del Ingeniero alemán especializado en Aguas Karl Imhoff (1876 – 1965) que concibió un tipo de Tanque de doble función (Recepción y Procesamiento) para Aguas Residuales.



Principios de la Fermentación Anaeróbica

De la descomposición Bioquímica de las Sustancias Orgánicas se origina una mezcla de Gas que asume diferentes denominaciones según el Ambiente de Producción. Biogás

El Biogás está compuesto sustancialmente de Metano (CH4), Anhídrido Carbónico (CO2), Acido Sulfhídrico (H2S), Oxigeno (O2), Hidrogeno (H2) y Nitrógeno (N2). El Gas es incoloro, relativamente inoloro (en relación al contenido de H2S) y no es venenoso.

La Composición del Biogás varía de acuerdo a la Biomasa utilizada, su

composición aproximada:

Molécula de Metano

Las Bacterias Metanogénicas en efecto constituyen el último eslabón

de la cadena de Microorganismos encargados de digerir la Materia Orgánica y devolver al medio los elementos básicos para reiniciar el ciclo. Metanogénesis

Una idea general sobre el proceso Microbiológico involucrado en la formación de Metano es necesaria para poder comprender mejor el diseño y funcionamiento de los denominados Reactores o Digestores Productores de Biogás.

METANO CH4 40 – 70 % DIOXIDO DE CARBONO CO2 0 – 60 % SULFURO DE HIDROGENO H2S 0 – 3 % HIDROGENO H2 0 – 1 %



La Fermentación Anaeróbica involucra a un complejo número de Microorganismos de distinto tipo los cuales pueden ser divididos en 3 grandes grupos principales. La real Producción de Metano es la última parte del Proceso y no ocurre si no han actuado los primeros 2 grupos de Microorganismos.

Las Bacterias productoras del Biogás son estrictamente Anaeróbicas y

por lo tanto sólo podrán sobrevivir en ausencia total de Oxígeno Atmosférico. Otra característica que las identifica es la sensibilidad a los cambios

ambientales debido a lo cual será necesario un mantenimiento casi constante de los parámetros básicos como la Temperatura.

Hoy en día gracias a estudios muy recientes podemos conocer mejor el mecanismo y funcionamiento de este complejo Sistema Microbiológico involucrado en la descomposición de la Materia Orgánica que la reduce a sus componentes básicos CH4 y CO2. Bacterias

En general, la velocidad de las Reacciones Químicas aumenta con la

Temperatura, tal relación es válida por la Descomposición y Transformación de las Sustancia Orgánica, aunque tales Procesos conjugan la Máxima Velocidad en relación de un cierto valor y su rápida disminución posterior.

Algunos grupos de Bacterias ya vienen dañados a temperaturas de 40 -

45 °C, otros a 55 °C; pocos resisten a Temperaturas de hasta 80 °C. En base a la Resistencia al calor que tiene las Bacterias, las mismas se clasifican como:

Psycrófilas: Temperatura Optima 15 – 25 °C Mesófilas (*): Temperatura Optima 32 – 40 °C Termófilas: Temperatura Optima 50 – 55 °C

(*) Para una buena estabilidad del Proceso, la mayoría de las Instalaciones de Bigas trabajan con estos intervalos de Valores (Mesófilas)



Etapas Intervinientes Fase de Hidrólisis

Las Bacterias de esta Primera Etapa toman la Materia Orgánica virgen con sus largas cadenas de estructuras Carbonadas y las van rompiendo y transformando en cadenas más cortas y simples (Ácidos Orgánicos) liberando Hidrógeno y Dióxido de Carbono.

Este trabajo es llevado a cabo por un complejo de Microorganismos de

distinto tipo, que son en su gran mayoría Anaerobios Facultativos. Fase Acidificación

Esta Etapa la llevan a cabo las Bacterias Acetogénicas y realizan la degradación de los Ácidos Orgánicos llevándolos al grupo Acético (CH3-COOH) y liberando como productos Hidrógeno y Dióxido de carbono.

Esta reacción demanda Energía para ser realizada y es posible 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.

Esta Baja concentración de Productos finales es la que activa la

reacción y actividad de estas Bacterias, haciendo posible la Degradación manteniendo el equilibrio Energético. Fase Metanogénica

Las Bacterias intervinientes en esta Etapa poseen características únicas que las diferencian de todo el resto de las Bacterias, por lo cual se cree que pertenecen a uno de los géneros más primitivos de vida colonizadoras de la Superficie Terrestre.



La Transformación final cumplida en esta Etapa tiene como principal Substrato el Acético junto a otros Ácidos Orgánicos de cadena corta y los productos finales liberados están constituidos por el Metano y el Dióxido de Carbono.

El siguiente Gráfico resume las distintas características de cada una de

las Etapas vistas, que por simplificación se han agrupado en 2 Fases (Acida que involucra la de Hidrólisis y Acidificación y la Metanogénica), con los principales compuestos Químicos intervinientes.

Los Microorganismos intervinientes en cada Fase tienen propiedades distintas que son muy importantes y se las debe conocer para lograr comprender el equilibrio y funcionamiento óptimo de un Digestor.



Biodigestor Toman el termino de Digestor, son maquinas simples que convierten la Materia Prima en subproductos aprovechables, en este caso Gas Metano; comúnmente se los denomina Biodigestores.

El principio básico de Funcionamiento es el mismo que tienen todos los Animales, descomponer los Alimentos en compuestos más simples para su absorción mediante Bacterias alojadas dentro, en condiciones controladas de Humedad, Temperatura y Niveles de Acidez.

Estos Reactores Anaeróbicos son de

enormes dimensiones (más de 1.000 m3 de capacidad), trabajan a Temperaturas Mesófilas (20-40 °C), 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. Condiciones para la Biodigestión Las condiciones para la obtención de Metano en el Digestor son:

La Temperatura entre los 20 °C y 60 °C PH (Nivel de Acidez/Alcalinidad) alrededor de 7 Ausencia de Oxigeno Gran Nivel de Humedad Materia Orgánica Equilibrio de Carbono/Nitrógeno

Temperatura Factor importante en la Producción de Biogás, dado que debemos simular las condiciones optimas para minimizar los tiempos de Producción. La Temperatura Optima es de 30 °C a 35 °C



Acidez Este factor indica cómo se desenvuelve la Fermentación. Se mide con un Valor Numérico llamado PH, que en este el Valor es 7, ósea Neutro. Por encima de este número significa Alcalinidad, y por debajo Acidez. Cuando los Valores superan el PH 8, esto indica una acumulación excesiva de compuesto Alcalino, corriendo un riesgo de Putrefacción. Los Valores inferiores a PH 6 indican una descomposición entre las fases Acidas y Metanogénicas. Biodigestores Continuos

Permiten controlar la Digestión, con el grado de precisión que se desee.

Permite corregir cualquier anomalía que se presente en el Proceso, en cuanto es detectada.

Permite manejar las Variables relacionadas, Carga especifica, Tiempo de retención y Temperatura.

Las Tareas de “Puesta en Marcha”, después del inicial, solo se vuelve a repetir cuando hay que vaciarlo por razones de Mantenimiento.

Las operaciones de carga y Descarga, de Material a procesar y procesados, no requieren ninguna operación especial.



Recuperación de los Residuos

Fase de Separación El RSU entra dentro de una Máquina que realiza la Compresión con la obtención de una Fracción Sólida, que podrá ser utilizada para la creación de Fertilizante Orgánico (Compostaje) y una Fracción de Líquido.

Esta parte Líquida se incorpora entonces por un sistema de cañerías a los Biodigestores para iniciar el Proceso de Digestión Anaerobia.

Residuo Húmedo

Fase de Separación

Fase Solida

Biogás

Fase Liquida

Depuración

Biodigestor Fertilizante (Compostaje)

Energía Eléctrica Agua Depurada



Proceso en el Digestor El Sustrato ya dentro del Digestor se mezcla continuamente con un dispositivo de mezcla, con un mecanismos de Hélices y manteniendo el Ambiente Climatizado. El Proceso de Biodigestión El Proceso Bioquímico de la Digestión Anaerobia se desarrolla a través de la acción de los diferentes grupos de microorganismos capaces de transformar la Sustancia Orgánica en los compuestos intermedios, tales como el Acido Acético, Dióxido de Carbono, Hidrógeno y otros.

Los Compuestos intermedios son utilizados por los Microorganismos Metanogénicas que terminan el Proceso de Producción de Metano.

La Digestión Anaeróbica se lleva a cabo en ausencia de Oxígeno y

Microorganismos Anaerobios, responsables del desarrollo de los Procesos Bioquímicos, de crecimiento lento, y la reacción que estos generan.

Dada la complejidad de este Proceso Bioquímico es necesario para

mantener en el desarrollo de la Digestión Anaerobia, constante condiciones óptimas, con el fin de permitir el crecimiento simultáneo de todos los grupos Microbianos implicados.

El Proceso se desarrolla dentro de Digestores Anaerobios, dentro de la

cual están garantizados las condiciones óptimas para el desarrollo del Proceso en sí mismo, es decir la Temperatura se mantuvo casi constante, Potencia fraccionaria para evitar la Acidificación del Sustrato y Homogeneización de la Biomasa mediante un Agitador.

Para Calentar el interior del Digestor y para asegurar que la

Temperatura óptima, se explota la Energía Térmica recuperada por los Generadores y se utiliza para el Proceso Bioquímico a través de Tuberías de Intercambio, dispuestas en la pared exterior del Biodigestor.



El Biogás producido por el proceso, se recoge en la parte superior del Digestor; posteriormente es enviado al Control de la Producción de Energía Eléctrica y Térmica. Depuración del Biogás Para utilizar el Biogás procedente del Biodigestor, es necesario que este sea Deshumidificado y llevado a una presión compatible con la exigida por los Motores.

Por lo tanto, cada Instalación es el Sistema de Tratamiento completo

de Biogás, formado por un Sistema de Refrigeración para la alimentación de un Intercambiador de Calor Salmuera / Biogás, por un Sistema de Válvula y un Soplador para poder llevar la Presión a medida que sea compatible para su uso en su instalación de Cogeneración de Energía. Proceso de Purificación del Agua El exceso despedido en la Biodigestión Anaerobia es tratado por la Planta de Aguas Residuales en el interior. La Purificación de Agua de Proceso consta de los siguientes pasos principales:

Separación del componente Sólido (utilizando equipos especiales, tales como Bombas Centrífugas).

Varias etapas de Purificación Biológica realizaron con un Lodo activado Aeróbico en Tanques para la eliminación de Nitrógeno (control de Nitrificación con Tanques de O2 disueltos y Desnitrificación en un entorno Anóxico, ósea sin presencia de Oxigeno).

Etapa de Clarificación (Filtración) con Membranas apropiadas (Ultrafiltración y Osmosis Inversa) para obtener Agua Limpia para ser reutilizada para el Proceso y para la Limpieza.



Generación de Energia

Los Motores con una Potencia de 998 KW, tienen una Eficiencia Eléctrica superior a 41 % y una Eficiencia Térmica del 40%.

La Electricidad que se Incorpora a la Red Eléctrica, con importantes beneficios al Medio Ambientales: ahorro de Combustibles Fósiles y el uso de Residuos que de otro modo irían al Vertedero.

Las Emisiones Evitadas, teniendo en cuenta la Producción de la misma cantidad de Energía igual a: 32.000.000 de KWh / año. Emisiones que se Evitan: CO2 > 20.160 t/año SO2 > 40,80 t/año NO2 > 60,80 t/año Polvo > 0,80 t/año Energía Fósil Ahorrada: 7.000 TEP/año

Además, el Calor Producido por cada Planta de Cogeneración se utiliza para Calentar los Digestores (manteniendo la Temperatura óptima para el proceso de la Digestión Anaeróbica), además de las Instalaciones que componen la Planta (Oficinas, Salones, Etc.)



Conclusión Final El Biogás no solo puede utilizarse para la Producción de Energía Eléctrica. Otros usos del mismo son: Energía Térmica (calor-frío), Generación de Vapor, Inyección en la Red de Gas Natural y Productos Químicos.

Debe crearse un espacio que permita el desarrollo de la normativa que

regule esta Potencialidad, que elevaría, aun más, la condición de Energía Renovable del Biogás.

Consumidores potenciales de Biogás somos todos: como Usuarios de

Electricidad, de Gas. Por todo ello las expectativas son muy Altas, y los ejemplos de Alemania, Suecia, Dinamarca o Italia, que aprovechan el Biogás de forma excelente, son modelos a imitar. Planta Modelo – 4 MW Bioman S.P.A Via Maniago 18 – 33085 Maniago (PN) Italia Con la Colaboración S.E.S.A – Societá Entense Servizi Ambientali S.P.A Via Principe Amadeo 43/A – 35042 este (PD) Italia Informe Realizado Pablo Dacovich Walter Dacovich

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