Caracterización Térmica de un Biodigestor para el Tratamiento de la Fracción Orgánica de Residuos Sólidos Rurales Moltoni Andres1, Huerga Ignacio2. 1 Ingeniero en Electrónica, Lab. de Electrónica, Instituto de Ingeniería Rural, INTA, CNIA, CIA. Casilla de Correo 25 Castelar

(1712), prov. de Buenos Aires, Argentina. Tel: +541146650450 email: amoltoni@cnia.inta.gov.ar 2 Ingeniero Ambiental, Instituto de Ingeniería Rural, INTA, CNIA, CIA. CC 25 Castelar (1712), prov. de Buenos Aires,

Argentina. Tel: +541146650450. email: ihuerga@cnia.inta.gov.ar

Introducción Los residuos generados por las actividades humanas han sido una problemática difícil de resolver. Este inconveniente se encuentra en la mayoría de las ciudades y pequeñas poblaciones por su inadecuada gestión, y tiende a agravarse en consecuencia de múltiples factores.

Existen diversas tecnologías para realizar el tratamiento de residuos. Los rellenos sanitarios aparecen como la técnica de mayor difusión, sobre todo cuando el volumen de residuos es elevado (Jaramillo et al, 2002). Cuando la generación es menor, y siempre y cuando exista una clasificación de la fracción orgánica, se pueden implementar otro tipo de procesos. Los mismos se pueden clasificar, entre otros términos, en aeróbicos y anaeróbicos (Tchobanoglus et al, 1994).

El compostaje es un ejemplo de los primeros y la digestión anaeróbica de los segundos. Muchas comparaciones fueron realizadas a lo largo del tiempo entre estos dos procesos, obteniendo diferentes resultados a favor de uno o del otro, en función de la inversión inicial a realizar, la recuperación energética y la emisión de gases a la atmósfera (Mata Alvarez et al, 2000)

La digestión anaeróbica es el proceso biológico realizado por bacterias que actúan en ausencia de oxígeno. A través de tres fases distintas (hidrólisis, acetogénesis y metanogénesis) los microorganismos se alimentan de la materia orgánica y como resultado se genera una mezcla de metano y dióxido de carbono (con trazas de ácido sulfhídrico, nitrógeno e hidrógeno), conocido como biogás (Hilbert, 1993).

Al ser las bacterias quienes producen la degradación de la materia orgánica, estas deben encontrarse en condiciones óptimas para su correcto funcionamiento. Existen diversos factores que influyen en el rendimiento de los digestores: el tipo de sustrato (nutrientes disponibles); la temperatura del sustrato; la carga volumétrica; el tiempo de retención hidráulico; el nivel de acidez (pH); la relación Carbono/Nitrógeno; la concentración del sustrato; el agregado de inoculantes; el grado de mezclado; y la presencia de compuestos inhibidores del proceso (Hilbert, 1993).

En cuanto a la temperatura, el proceso se lleva a cabo satisfactoriamente en dos rangos bien definidos: entre los 10 °C a 37 °C para la flora de bacterias mesofílicas y entre 55 °C y 60 °C para el rango termofílico. Para que ambas floras bacterianas trabajen en forma óptima, se requiere mantener la temperatura lo mas constante posible (Gropelli, et al, 2001). Variaciones superiores a 2 °C/h podrían alterar la sensibilidad del sistema (Hilbert, 1993)

La correcta medición y registro de los valores de temperatura interna de un digestor, juega un papel importante a la hora de determinar el correcto funcionamiento del sistema de calefacción, así como para determinar la eficiencia del aislamiento térmico instalado en el mismo. A la hora de medir temperatura existen una gran variedad de sensores distintos, los sensores de estado sólido se destacan por su bajo costo y por poseer una precisión

adecuada para este tipo de medición, haciendo uso de modelos de calibración generales o individuales para cada sensor (Blason, et al 2007, Blason, et al 2004, Ching-Hsiung Lin and Hossein Jaduar 1998).

Dentro del marco del proyecto “Tratamiento y disposición final de residuos agropecuarios y agroindustriales”, el cual se lleva a cabo en el Instituto de Microbiología y Zoología Agrícola (IMYZA) en conjunto con el Instituto de Ingeniería Rural en el INTA Castelar; se construyó un digestor de 14 m3 de capacidad para el tratamiento de la fracción orgánica de los residuos sólidos.

Los objetivos del presente trabajo son:

• Caracterizar térmicamente al digestor, cuantificando el tiempo que necesita el sistema de calefacción para arribar a la temperatura deseada en la fase de calentamiento.

• Determinar espacialmente las zonas de mayor y menor temperatura, con sus correspondientes valores.

• Verificar los ciclos de encendido ya apagado de la caldera y sus temperaturas máximas y mínimas en la etapa de mantenimiento de la temperatura.

• Determinar cual es el tiempo máximo que admite el biodigestor sin el sustento del sistema de calefacción, antes de arribar a valores de temperaturas críticos para la población de bacterias participantes en la biodigestion.

Materiales y Métodos El digestor anaeróbico para el tratamiento de RSU se construyó en base de hormigón armado y mampostería de ladrillos, tanto comunes como huecos. Las cúpulas son en parte de hormigón armado y de plástico reforzado con fibra de vidrio (PRFV), estando estas últimas aferradas al digestor mediante sunchos metálicos.

La geometría del mismo es alargada, del tipo “desplazamiento horizontal” (plug flow). Los residuos ingresan al mismo por un extremo y egresan por el otro. Se estima una carga diaria de 80 Kg, y un tiempo de residencia dentro del mismo de 30 días. La producción estimada de biogás varía entre 8 y 12 m3 diarios. En la figura 3 del ANEXO I se puede visualizar un flow-sheet del digestor.

En el Laboratorio de Electrónica del Instituto de Ingeniería Rural se desarrolló un sistema de adquisición de datos, para el registro y automatización del digestor descripto anteriormente. El sistema electrónico es el encargado de medir y almacenar los registros de temperatura interna del digestor en distintos sectores del mismo y a diferentes alturas. Se utilizan para tal fin un total 18 sensores para determinar con precisión la distribución interna de la temperatura del digestor.

El sistema adquisidor de datos antes mencionado se compone de un microcontrolador que posee una capacidad de proceso de 16 millones de instrucciones por segundo (MIPS), y además posee un conversor analógico digital de 10 bits, lo que permite tener una resolución adecuada para esta aplicación. Los sensores de temperatura utilizados son de estado sólido y trabajan con una precisión de +/- 0,4 ºC.

Por otro lado, el sistema también registra la presión interna, la temperatura ambiente y el caudal de gas generado.

Los datos registrados son almacenados en una memoria del tipo no volátil, no obstante de esto, el sistema se alimenta de la red eléctrica y durante las pruebas no contó con un sistema de energía alternativo ante cortes del suministro eléctrico.

El sistema además proporciona un método de visualización sencillo de todos los valores monitoreados, contando para esto con un display de cristal líquido que permite chequear todos los valores medidos.

La calefacción interna del digestor se logra a través de una caldera conectada a una serpentina plástica, que se encuentra insertada dentro de las paredes del digestor. Mediante el sistema electrónico, se programa la temperatura del agua de la caldera y la temperatura interna del digestor. De esta forma se controla la temperatura interna dentro de los parámetros configurados.

El ensayo de medición de temperatura interna se realizó entre el 21 de mayo y el 15 de junio del 2007. El promedio de las temperaturas máximas y mínimas registradas durante este período fueron de 3,6°C y 15,1°C respectivamente, con un valor mínimo registrado de -3,5°C y un máximo de 21,8°C. Estos valores se estarían asimilando a condiciones invernales característicos de la región.

Se programó el control de temperatura interna del digestor en 39-40°C, debido a que con estos parámetros se obtiene un valor interno de 35°C aproximadamente. La temperatura de programación del agua que circula en el sistema de cañerías de la caldera fue de 50°C.

En las figuras 1 y 2 del ANEXO I se puede visualizar la distribución de los sensores. Los mismos se encuentran repartidos en todo el largo del digestor, y a tres alturas diferentes: a 20 cm del piso, a 20 cm del nivel de agua y un sensor entre ambos.

El ensayo consistió en tres etapas: una de calentamiento, otra de mantenimiento de temperatura y por ultimo una etapa de enfriamiento.

Etapa de calentamiento:

Con el digestor cargado de agua a temperatura ambiente se encendió el sistema y se programo el mismo con los valores mencionados anteriormente. El sistema electrónico se encargó de almacenar los datos registrados con frecuencia de 1 minuto para su posterior análisis.

Etapa de Mantenimiento de temperatura:

Una vez que se llego a la temperatura deseada, se dejó funcionar al sistema libremente para verificar el comportamiento del mismo en modo de mantenimiento de la temperatura, siendo este el estado más frecuente de funcionamiento del mismo.

Etapa de Enfriamiento:

Por último, se desconectó la caldera y se dejó al sistema enfriarse hasta igualar la temperatura ambiente, sin el agregado de agua.

Resultados y Discusión

Para la etapa de calentamiento, los datos registrados se pueden apreciar en el gráfico 1.

Variación de temperatura interna de digestor en durante la prueba de calentamiento (elevación a 35°C) en los días 23 al 28 de mayode 2007

10

15

20

25

30

35

40

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

Tiempo (min)

Tem

pe (°

C)

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

T9

T10

T11

T12

T13

T14

T15

T1

Gráfico Nº1: temperaturas registradas en la etapa de calentamiento

En el gráfico se puede observar que existe una franja sin datos, debido a que durante el ensayo se produjo un corte del suministro eléctrico, y parte de la información fue perdida. De todas formas se visualiza que la tendencia se conserva y se puede obtener la siguiente información:

Temperatura mínima obtenida, al inicio de la prueba: 12.6° C

Temperatura máxima obtenida, previo al corte de tensión: 28.5° C

Temperatura mínima obtenida, previo al corte de tensión: 25.8° C

Temperatura máxima obtenida, posterior al corte de tensión: 34.5° C

Temperatura mínima obtenida, posterior al corte de tensión: 31.7° C

La máxima temperatura medida se encontró en el sensor T4, ubicado sobre la segunda placa deflectora en la posición inferior, mientras que la mínima temperatura se encontró en el sensor T9, ubicada en la misma placa sobre la pared y en la posición superior. La mayor variación de temperatura (∆T) fue de 2.7° C.

Estos resultados son lógicos, dado que la máxima temperatura fue registrada por un sensor que se encuentra ubicado en la parte inferior del digestor; y la mínima por un sensor ubicado en la parte superior cercano a las tapas de fibra (en un mayor contacto con la temperatura externa).

El tiempo de retardo para llegar a la temperatura deseada fue de 5 días y 12 horas

En el gráfico N°2 se puede observar la etapa de mantenimiento de temperatura interna del digestor

Variación de temperatura interna de digestor en etapa de mantenimiento a 35°C durante los días 5, 6 y 7 de junio de 2007

33,5

34

34,5

35

35,5

36

36,5

37

37,5

38

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Tiempo (min)

Tem

pera

tura

°C

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

T9

T10

T11

T12

T13

T14

T15

Gráfico Nº2: temperaturas registradas en la etapa de mantenimiento

En esta etapa se puede visualizar que las temperaturas máximas (37.5° C) y mínimas (33.9° C) son registradas por los mismos sensores que en la etapa de calentamiento (T4 y T9 respectivamente). Además, se mantiene la máxima amplitud de temperatura (∆T) de 2.7°C.

Los ciclos de encendido de la caldera variaron entre un máximo de 17 horas y un mínimo de 13 horas para cada sensor. La temperatura se mantiene en 35.3°C +/- 0.6 °C.Con esto se puede decir que el sistema de calefacción es adecuado para el digestor; así como también la precisión del sistema controlador de la temperatura interna.

En la grafico N°3 se puede observar la etapa de enfriamiento del digestor:

Variación de temperatura en agua interna de digestor durante la prueba de enfriamiento, realizada entre los días 8 y 15 de Junio de 2007

15

20

25

30

35

40

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Tiempo (min)

Tem

pera

tura

°C

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

T9

T10

T11

T12

T13

T14

T15

T1

Temperatura crítica 20°C

Gráfico Nº3: temperaturas registradas en la etapa de enfriamiento

Como podemos observar en el gráfico anterior, se tomo la decisión de interrumpir el ensayo antes de que el sistema alcanzara la temperatura ambiente, dado que con los valores registrados se puede determinar la caída de temperatura y el tiempo máximo que puede soportar el biodigestor antes de alcanzar los 20°C, temperatura crítica para la población de bacterias mesófilas.

Se determinó que el digestor, sin la utilización de calor para mantener la temperatura interna y partiendo de la temperatura de trabajo (35°C), llega a la temperatura crítica de 20 °C luego de 6 días y 5 horas. Además, se visualiza que la caída de temperatura promedio en todo el sistema es de 0.1°C/hora, con máximas de 0.4°C/hora. Estos valores son acordes para que la microflora bacteriana no sufra alteraciones bruscas en su ambiente de desarrollo.

Conclusión

• Las máximas temperaturas durante las tres etapas se lograron en el sensor T4, ubicado sobre la pared izquierda del digestor, en la zona inferior; mientras que la mínima temperatura se registró en el sensor T9, sobre la segunda placa deflectora en la parte superior de la misma.

• Para arribar a la temperatura de trabajo el sistema de calefacción tarda 5 días y 12 horas. En el caso de que se corte el suministro de calor, tardará 6 días y 5 horas en llegar a la temperatura crítica, partiendo de la temperatura óptima de trabajo. Ambos ciclos se deben a condiciones invernales de temperatura ambiente.

• En la etapa de mantenimiento de temperatura, se registraron ciclos de funcionamiento del sistema de calefacción que variaron entre 13 y 17 horas, con un valor promedio de temperatura de 35,3 °C y valores máximos de 37,5°C y mínimos de 33.9°C

• Se verificó un correcto aislamiento térmico del digestor, ya que el sistema no sufrió variaciones bruscas de temperatura, y posee un período holgado para llegar a la temperatura crítica, en caso de que se corte el suministro de energía.

Investigaciones a realizar Se plantea la necesidad de repetir el ensayo para temperaturas ambientes propias de la estación estival y de determinar el coeficiente de aislamiento térmico del digestor.

También nos encontramos en condiciones de realizar, en futuros ensayos, un mapeo de temperaturas en tres dimensiones, con algún software propicio para tal fin.

Bibliografía Blasón, A. D., N. R. Fernández, R. O. Rodríguez, “Termómetro electrónico multiuso:

Montaje y evaluación operativa” Revista Brasileira de Agrometeorologia, nota técnica aprobada para su publicación en el próximo fascículo del periódico (vol. 15, n.2), año 2007.

Blasón, Angel D.; Fernández; Norberto R.. “Ensamblado y calibración de un sensor electrónico de temperatura de bajo costo”. X Reunión Argentina y IV Latinoamericana de Agrometeorología, de la Asociación Argentina de Agrometeorología: Mar del Plata, Argentina. 13 al 15 de Octubre de 2004. Trabajo nº 182.

Ching-Hsiung Lin and Hossein Jaduar. “Interfacing temperature sensors. In: Interfacing sensors to the PC.” W.J. Tompkins and J.G. Webster, eds. Prentice Hall. New Jersey. 1988.

Groppelli, E. Giampaolli, O. “El Camino de la Biodigestión” Santa Fe: Editorial UNL, 2001. 189

Hilbert, J. “Manual para la producción de biogás”. Castelar: Instituto de Ingeniería Rural, 1993. 54

Jaramillo, J. “Guia para el diseño, construcción y operación de rellenos sanitarios manuales”. Lima: Editorial CEPIS, 2002. 202

Mata-Alvarez J., Macé S., Llabrés P.. “Anaerobic digestion of organic solid wastes. An overview of research achievements and perspectives” En Bioreserch Tecnology N° 74 (2000). Barcelona: Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Barcelona. 3-16

Tchobanoglus, Teisen, Vigil: “Gestión Integral de Residuos Sólidos”; Madrid: Editorial “Mc Graw – Hill”, 1994. 1280

ANEXO I FIGURAS 1 Y 2 – UBICACIÓN DE SENSORES EN DIGESTOR DE RSU - INTA

I-3I-4

I-5

Se describe a continuación la nomenclatura adoptada para distinguir los sensores en el datalogger.

TABLA 1

Sensor Num. Posición N° Mod. N° Gab F T1 Final de digestor Arriba 1 S0 F T2 Final de digestor Medio 1 S1 F T3 Final de digestor Abajo 1 S2 D T4 Segunda placa deflectora sobre pared abajo 1 S3 D T5 Segunda placa deflectora sobre pared medio 1 S4 D T6 Segunda placa deflectora sobre pared arriba 1 S5 B T7 Segunda placa deflectora centro abajo 1 S6 B T8 Segunda placa deflectora centro medio 1 S7 B T9 Segunda placa deflectora centro arriba 2 S8 A T10 Primer placa deflectora centro abajo 2 S9 A T11 Primer placa deflectora centro medio 2 S10 A T12 Primer placa deflectora centro arriba 2 S11 C T13 Primer placa deflectora sobre pared abajo 2 S12 C T14 Primer placa deflectora sobre pared medio 2 S13 C T15 Primer placa deflectora sobre pared arriba 2 S14 E1 T16 Controlador centro 2 S15 E T17 Cámara de carga abajo 2 S16 E T18 Cámara de carga arriba 2 S17

FIGURA 3 – FLOR SHEET DIGESTOR DE RSU INTA