lop ez mendoza claudia
DESCRIPTION
Tesis BiodigestoresTRANSCRIPT
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
CAMPUS COATZACOALCOS
“DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y PUESTA EN OPERACIÓN DE UN
BIODIGESTOR ANAEROBIO CONTINUO PARA EL
LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA DE LA FACULTAD DE
CIENCIAS QUÍMICAS DE LA UNIVERSIDAD VERACRUZANA”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO QUÍMICO
P R E S E N T A N:
LÓPEZ MENDOZA CLAUDIA
LÓPEZ SOLIS OMAR ANTHELMO
Coatzacoalcos, Ver. 2009
TEMA PAG.
INTRODUCCIÓN 1
CAPÍTULO I. GENERALIDADES 2
1. 1 BIOMASA 3
1.1.1 Biomasa 3
1.1.2 Clasificación de la Biomasa 3
1.1.3 Potencial de la Biomasa 3
1.1.4 Fuentes de la Biomasa 4
1.1.5 Procesos de la Biomasa 5
1.1.5.1 Biomasa seca 5
1.1.5.2 Biomasa húmeda 8
1.1.6 Conveniencia de procesar la Biomasa 10
1.1.7 Riesgo por el mal manejo de la Biomasa 11
1.2 PROCESO DE BIODIGESTIÓN 11
1.2.1 Proceso aerobio 11
1.2.2 Proceso anaerobio 12
1.2.2.1 Proceso de biodigestión Anaerobio 12
1.2.2.2 Bacterias que intervienen en el proceso de biodigestión 14
1.2.2.3 Descripción de las fases del proceso 15
1.2.2.3.1 Hidrólisis 15
1.2.2.3.2 Acidogénesis 16
1.2.2.3.3 Metanogénesis 17
1.2.2.4 Factores que afectan la biodigestión 19
1.2.2.4.1 Temperatura 19
1.2.2.4.2 Concentración 21
1.2.2.4.3 pH 21
1.2.2.4.4 Tiempo de retención 22
1.2.2.4.5 Sustancias inhibidoras de la reacción 22
1.2.2.4.6 Alcalinidad 23
1.2.2.4.7 Agitación 23
1.2.2.4.8 Otros factores 26
1.3 BIODIGESTOR 26
1.3.1 Características del biodigestor 26
1.3.2 Tipos de biodigestores 26
1.4 BIOGÁS 30
1.4.1 Propiedades del biogás 31
1.4.2 Componentes 31
1.4.3 Usos del biogás 32
CAPÍTULO II CONSIDERACIONES DE DISEÑO DEL BIODIGESTOR
ANAEROBIO
33
2.1 SELECCIÓN DE LA ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO 34
2.2 MATERIALES Y METODOS 35
2.2.1 Criterios técnicos 35
2.2.2 Criterios económicos 44
2.2.3 Criterios sociales 44
CAPÍTULO III COSTOS, CONSTRUCCIÓN Y OPERACIÓN DEL
BIODIGESTOR
46
3.1 EVALUACIÓN ECONÓMICA 47
3.2 CONSTRUCCIÓN DEL BIODIGESTOR 49
3.3 PUESTA EN OPERACIÓN DEL BIODIGESTOR 55
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 57
BIBLIOGRAFÍA 59
ANEXO 1 DATOS EXPERIMENTALES
ANEXO 2 NORMA: NMX – AA – 030 – SCFI – 2001
ANEXO 3 HOLAS DE SEGURIDAD (METANO, DIÓXIDO DE CARBONO,
SULFURO DE HIDRÓGENO, HIDRÓGENO).
- 1 -
INTRODUCCIÓN
Hasta el día de hoy, el 90 % de las necesidades energéticas de nuestro planeta son
satisfechas con la utilización de combustibles fósiles (petróleo, gas, carbón). Todos ellos
extinguibles, fuertemente contaminantes y utilizados en forma ineficiente, por el interés
predominante de la producción de energía sobre el de su efecto ecológico. La tendencia
mundial en lo que respecta a la generación de energía eléctrica se encuentra básicamente
en las fuentes alternativas de energía, dentro de las que se encuentran las que nos
proporciona de forma discreta la naturaleza, entre otras, la eólica, la solar y la hidráulica,
sin embargo existe otra fuente de energía que comienza a generalizarse, la del biogás.
Este problema plantea la necesidad de encontrar una tecnología apropiada,
utilizando recursos locales disponibles como son los residuos orgánicos (aguas residuales,
estiércol y desechos de jardinería), los que tienen un efecto negativo en la salud humana,
produciendo gases como el metano que al no contar con una alternativa de uso es arrojado
a la atmósfera contribuyendo al incremento en la concentración de gases de efecto de
invernadero, no obstante si se cuenta con un sistema apropiado de recolección y
acondicionamiento el metano puede ser usado como combustible convirtiéndose por
combustión en CO2 y vapor de agua, ya que el metano es 21 veces más contribuyente que
el dióxido de carbono, este último puede ser absorbido por vegetación en el ciclo del
dióxido de carbono, disminuyendo así su concentración en la atmósfera.
En general todo tipo de residuo sólido orgánico urbano y domésticos, por su
contenido de materia orgánica son utilizados para fines energéticos mediante procesos de
transformación de biomasa residual en biogás.
Se da el nombre de biogás a la mezcla gaseosa producida por la descomposición
de la materia orgánica en condiciones anaeróbicas y cuyos principales componentes son el
metano y el bióxido de carbono (CO2) que se producen como resultado de la fermentación
de la materia orgánica en ausencia de aire por la acción de un microorganismo. El biogás
puede obtenerse de muchas formas por medio de biodigestores anaerobios, utilizando
estiércol de diferente ganado o las aguas residuales, en donde además de biogás
obtenemos nutrientes naturales para el campo con la materia orgánica restante.
El objetivo de este proyecto, es seleccionar alternativas técnicas y tecnológicas
para diseñar y operar digestores para obtener de forma anaeróbica biogás. Para la
realización de este trabajo se desarrolla de manera completa una metodología de cálculo,
diseño y construcción de un biodigestor que emplea residuos sólidos orgánicos
municipales como materia prima para la producción del biogás, así mismo se describe su
operación.
- 2 -
CAPÍTULO I
GENERALIDADES
- 3 -
1.1 BIOMASA
1.1.1 Biomasa
El término Biomasa, puede definirse como “toda la materia orgánica en la
superficie externa delgada de tierra llamada Biósfera, producida por Plantas, Animales,
Hongos o Bacterias. Es una Fuente Potencial de Alimento, Energía y Productos
Químicos; que debe desarrollarse en relación con la preservación del medio ambiente”.
La Biomasa se refiere a aquel producto de grupos energéticos, materia orgánica,
residuos agrícolas y estiércol, todos ellos de carácter renovable, que han tenido su origen
como consecuencia de un proceso biológico o de fotosíntesis y que son susceptibles de ser
transformados por medios biológicos o térmicos para generar energía. [16]
1.1.2 Clasificación de la Biomasa.
La Biomasa puede clasificarse de muy diversas formas, sin embargo, la más
sencilla y clara es la que considera sus características de obtención y humedad, de tal
forma que se puede establecer que los tipos de Biomasa pueden ser:
Biomasa natural.
Se produce de forma espontánea en la naturaleza, sin intervención humana. Por
ejemplo, las podas naturales de los bosques.
Biomasa residual seca.
Procede de recursos generados en las actividades agrícolas, forestales. También se
produce este tipo de Biomasa por Residuos Urbanos, en procesos de la industria
agroalimentaria y de la industria de transformación de la madera. Dentro de este tipo de
Biomasa, se puede diferenciar la de origen forestal y la de origen agrícola. [10]
Biomasa residual húmeda.
Procede de vertidos biodegradables formados por aguas residuales urbanas e
industriales y también de los residuos ganaderos.
1.1.3 Potencial de la biomasa
Aunque la energía de la Biomasa ha sido aprovechada desde que el hombre
descubrió el fuego, la consideración actual de la biomasa como una fuente de energía
limpia se hace bajo nuevos criterios y enfoques:
El balance de CO2 emitido es neutro. La combustión de Biomasa, si se realiza en
condiciones adecuadas, produce agua y CO2, pero la cantidad emitida de este último gas,
principal responsable del efecto invernadero, es captada por las plantas durante su
crecimiento. Es decir, el CO2 de la biomasa viva forma parte de un flujo de circulación
continuo entre la atmósfera y la vegetación, sin que suponga incremento de ese gas en la
atmósfera de tal forma que la vegetación va a la misma velocidad que se degrada. [10]
- 4 -
La producción de biomasa es totalmente descentralizada, basada en un recurso
disperso, que puede tener gran incidencia social y económica en el mundo rural.
Disminuye la dependencia externa del abastecimiento de combustibles. La
tecnología para su aprovechamiento cuenta con un buen grado de desarrollo tecnológico
para muchas aplicaciones.
Es un importante campo de innovación tecnológica. Las respuestas tecnológicas en
curso están dirigidas a optimizar el rendimiento energético del recurso, minimizar los
efectos ambientales de los residuos aprovechados y de las propias aplicaciones,
incrementar la competitividad comercial de los productos y posibilitar nuevas
aplicaciones de gran interés como los biocombustibles, entre otros.
En conclusión gracias a la Biomasa se puede obtener de manera prácticamente
gratuita energía térmica, refrigeración, energía eléctrica, biocombustibles, gases
combustibles y con tratamiento adecuado residuales que sirven de nutrimento al suelo.
1.1.4 Fuentes de la Biomasa.
Las fuentes de la Biomasa son muy diversas, de tal forma que se puede decir que la
naturaleza y las actividades de los seres vivos son una fuente inagotable, sin embargo,
para efectos de clasificar la Biomasa producida como residual, se puede decir que sus
principales fuentes son [16]
:
Granjas o Fincas:
Residuos de animales
• Estiércol y orín de ganado (Vacuno, porcino, equino, aves, etc.)
• Purines
Residuos de vegetales
• Beneficio de café
• Cáscara de diversos vegetales, etc.
• Residuos de algodón
• Fibras de coco
• Hojas de árboles
Ciudades y poblados
• Excremento y orín humano
• Residuos Sólidos Municipales Orgánicos
Industrias Residuos orgánicos de:
• Industria de bebidas.
• Piscicultura.
• Industria del papel.
• Industria alimenticia.
- 5 -
1.1.5 Procesos de la Biomasa.
Así, la Biomasa que procede de residuos o cultivos energéticos, generalmente se
transforma en calor, combustibles o electricidad, que conducen a la forma de energía útil
requerida en cada caso. Para ello, se hace necesario tratarla de manera adecuada
considerando las características que tenga al momento de obtenerla, de tal forma que los
procesos a que puede ser sometida pueden de manera general estructurarse como se
muestra en la figura 1.
Figura 1. Procesos de la Biomasa
1.1.5.1 Biomasa Seca.
Los procesos termoquímicos a que puede someterse la Biomasa seca se muestran en
la figura 2.
Figura 2. Procesos termoquímicos de la Biomasa
Procesos
Físicos
(Presión)
Procesos
Bioquímicos (Fermentación)
Aceites
Vegetales
Aerobia
Anaerobia
Biomasa
Húmeda
Obtenida con
Humedad mayor al
60%
Seca
Obtenida con
Humedad
menor al 60%
Procesos
Termoquímicos
Combustión
Pirolisis
Gasificación
Licuefacción
Combustión Directa Pirólisis
(Lenta o Rápida)
Gas Pobre
(Con aire)
Gas Medio
(Con oxígeno)
Biomasa Procesos
Termoquímicos
Gasificación
(Con aire u oxígeno)
Carbón
Vegetal
Gas Rico
(Rápido)
Gas Pobre
(Lento)
Líquidos
Piroleñosos
Calor Vapor
- 6 -
Estos procesos se basan en la utilización del calor como fuente de transformación
de la Biomasa, tienen el inconveniente de que producen residuales finos que requieren
para su disposición de un área determinada.
La elección del tipo de proceso depende de los productos que se deseen obtener y la
cantidad de oxígeno presente en la transformación, las características de cada proceso se
definen en los siguientes apartados [10]
.
Combustión
En la combustión se “somete a la biomasa a altas temperaturas con exceso de
oxígeno. Es el método tradicional para la obtención de calor en entornos domésticos,
industrial o para la generación de energía eléctrica”.
La combustión directa u oxidación completa transforma la Biomasa en dióxido de
carbono, agua, cenizas y calor (único componente energético útil el proceso), es el
sistema más elemental para la recuperación energética de la biomasa. Los factores más
importantes a considerar en este proceso son:
Exceso de oxígeno: 20 – 40% superior al teórico
Temperatura de combustión: 600 – 1.300 ºC
Características del combustible:
Físicas: densidad, tamaño y humedad (la menor posible)
Químicas: bajo contenido de azufre
Térmicas: dependen de las físicas y las químicas
Las tecnologías utilizadas para la combustión directa de la Biomasa abarcan un
amplio espectro que va desde el sencillo fogón a fuego abierto (aún utilizado en vastas
zonas rurales para la cocción de alimentos) hasta calderas de alto rendimiento utilizadas
en la industria.
La energía obtenida puede destinarse a la producción de calor (en forma de agua o
aire caliente) para el uso doméstico o industrial y a la producción de electricidad. La
eficacia térmica de la combustión es elevada, siendo el rendimiento global del proceso del
30%. Este método se utiliza en la actualidad en las industrias azucarera, papelera y de
derivados de la madera. Este proceso ha sido utilizado para el tratamiento de los Residuos
Sólidos Municipales.
La combustión industrial de la biomasa requiere de instalaciones que permitan la
operación de los sistemas siguientes:
Almacenamiento de combustible (Biomasa)
Transporte y dosificación del combustible al equipo de combustión
Equipos y cámara de combustión
Caldera (vapor, agua caliente, aceite térmico)
Recuperadores auxiliares de calor
Depuración de gases
Extracción de cenizas.
- 7 -
Existen diferentes tecnologías para llevar a cabo la combustión de la Biomasa:
caldera de parrilla, cámara torsional, combustor en lecho fluido, etc. En función de las
características de la biomasa y de la demanda energética (energía a baja o a alta
temperatura y cantidad de la misma a suministrar) se selecciona el más adecuado.
Pirólisis
La pirolisis consiste en la descomposición térmica de la materia orgánica en
ausencia de oxigeno u otros agentes gasificantes, generándose cantidades variable de
gases (gas de síntesis), líquidos (alquitranes y aceites) y residuos carbonosos. El rango de
temperatura empleados oscila entre 150 y 900 °C.
Las materias primas de este proceso generalmente son los subproductos agrícolas y
forestales.
Para obtener combustibles líquidos y carbón se requiere una alimentación seca que
se somete a un tratamiento como el indicado en la siguiente figura 3.
Figura 3. Esquema del proceso de la Pirólisis.
Gasificación
La gasificación se puede definir como la descomposición térmica de la biomasa
en una atmósfera pobre en oxígeno.
En este proceso se somete a la Biomasa a muy altas temperaturas en presencia de
cantidades limitadas de oxígeno, las necesarias para conseguir así una combustión
completa. Según se utilice aire u oxígeno puro, se obtienen dos productos distintos, en el
primer caso se obtiene gasógeno o gas pobre y en el segundo un gas de síntesis.
El gas combustible producido en un proceso de gasificación de Biomasa posee un
poder calorífico que fluctúa entre 2.7 y 5.1 MJ/m3. Esto hace que dicho combustible
entre en la clasificación de combustibles de bajo poder calorífico y por tanto se requiere
de la adaptación de los sistemas de combustión para albergar mayores flujos de masa.
Calentador
de Coque
Cambiador
de calor
Gas
Producción
Líquida Pirólisis
Separador Enfriador
Calefacción
Biomasa
Cenizas
Coque
Aire Gas
Gas
- 8 -
El gas combustible de bajo poder calorífico producto de la gasificación de
biomasa tiene como ventajas la disponibilidad de la materia prima en casi todos los
rincones de la tierra; producción neutra de CO2 y es versátil pues es posible utilizarlo en
calderas, quemadores, motores de combustión interna y turbinas de gas. Sin embargo,
su consumo energético es alto.
La temperatura de operación para este proceso, oscila entre 700 y 1,500 ºC y el
oxígeno suministrado se limita entre un 10 y un 50% del teóricamente necesario para una
combustión completa. Según se utilice aire u oxígeno puro, se desarrollan dos procesos de
gasificación sustancialmente distintos, en cuanto a la posible utilización de los productos
obtenidos. En la figura 4 se muestra un esquema de los procesos de gasificación de la
Biomasa.
Figura 4.Procesos de gasificación
De acuerdo con la figura 4, cuando se opera con aire, se obtiene gas de gasógeno o
“gas pobre”, este gas se utiliza en unidades de combustión para generar energía mecánica
o térmica. Por otro lado, cuando se opera en un gasificador con oxígeno y vapor de agua,
se obtiene gas de síntesis. La importancia de este gas radica en que se puede transformar
en combustibles líquidos (metanol y gasolinas) [25]
.
1.1.5.2 Biomasa húmeda.
La Biomasa húmeda procede de vertidos biodegradables formados por aguas
residuales urbanas e industriales y también de los residuos ganaderos.
Biomasa húmeda se denomina así cuando el porcentaje de humedad supera el
60%, como por ejemplo en los desechos vegetales, residuos animales, vegetación
acuática, etc. Resulta especialmente adecuada para su tratamiento mediante procesos
Bioquímicos, o en algunos casos particulares, mediante simples procesos físicos,
obteniéndose combustibles líquidos y gaseosos.
Los procesos bioquímicos a que puede someterse la Biomasa Húmeda, se basan en
la utilización de diversos tipos de microorganismos que degradan las moléculas a
compuestos más simples de alta densidad energéticas [19]
.
Estos procesos aumentan el valor energético de la biomasa de 16 KJ/g a 30 KJ/g en
el caso de la obtención de metanol y a 56 KJ/g al obtener metano.
Los procesos a que puede someterse la biomasa húmeda y los productos que se
obtienen se muestran en la figura 5.
Gasificación
Gasificación Combustión
Biomasa Horno
Gas pobre CO2 y H2
Gas de Síntesis CO2 y H2
Energía mecánica
Metanol
- 9 -
Figura 5. Procesos y Productos con Biomasa húmeda
Procesos Bioquímicos
Los procesos bioquímicos se basan en la degradación de la biomasa por la acción
de microorganismos, y pueden dividirse en dos grandes grupos: los que se producen en
ausencia de aire (anaeróbicos) y los que se producen en presencia de aire (aeróbicos).
Procesos anaeróbicos
La fermentación anaeróbica, para la que se utiliza generalmente residuos animales
o vegetales cuidando la relación carbono / nitrógeno, se realiza en un recipiente cerrado
llamado “digestor” y da origen a la producción de un gas combustible denominado
biogás. Adicionalmente, la biomasa degradada que queda como residuo del proceso de
producción del biogás, constituye un excelente fertilizante para cultivos agrícolas.
Las tecnologías disponibles para su producción son muy variadas pero todas ellas
tienen como común denominador la simplicidad del diseño y el bajo costo de los
materiales necesarios para su construcción.
El biogás, constituido básicamente por metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2),
es un combustible que puede ser empleado de la misma forma que el gas natural.
También puede comprimirse para su uso en vehículos de transporte, debiéndose
eliminar primero su contenido de CO2.
Procesos
Químicos
Fermentación
Anaerobia
Biomasa Húmeda
(más del 60%)
Procesos
Bioquímicos
Aceites
Vegetales
Motor de
Combustión
Interna
Presión
Efluente
Energía:
-Mecánica
-Eléctrica
Biogás
Combustión
-Calor
-Vapor Motor de
Combustión
Interna
Fertilizante
Fermentación
Aerobia
Etanol
Motor de
Combustión
Interna
Energía:
-Mecánica
-Eléctrica
- 10 -
Procesos aeróbicos
El proceso aerobio es llevado a cabo por microorganismos que precisan de oxígeno
atmosférico o disuelto en el agua. La materia orgánica es fermentada a partir de un aporte
energético, dando lugar a una reacción exotérmica. Se obtienen como productos finales
CO2 y H2O [19]
.
Procesos Químicos.
Algunos combustibles pueden obtenerse de la biomasa por extracción directa.
Aunque los productos obtenidos pueden ser utilizados directamente como combustibles,
generalmente se modifican los aceites extraídos mediante procesos químicos, también
aplicables a aceites residuales, siempre que su origen sea la biomasa.
Extracción directa y procesos químicos
Actualmente, los procesos de extracción directa más desarrollados son aquéllos
que extraen aceites a partir de semillas de plantas oleaginosas (oliva, girasol, maíz, soja
la plántula). Los aceites son las reservas energéticas que las plantas acumulan en sus
semillas para proporcionarles alimento suficiente durante la germinación, hasta que lo
puedan obtener del entorno. Por su parte, los animales también poseen reservas
energéticas de características similares, que reciben en nombre de grasas (sebos,
mantecas). Aceites y grasas “lípidos”, denominación genérica que se aplica a los ésteres
de glicerina (trialcohol) y de ácidos grasos (ácidos orgánicos alifáticos, monobásicos,
C12 - C22), por lo que también reciben el nombre de triglicéridos. Estos ésteres son
tratados también con el proceso de la alcohólisis o transesterificación; el que trata de
sustituir en un éster (el lípido) un alcohol (glicerina) por otro más simple (generalmente,
metanol), produciendo ésteres metílicos derivados, cuyas características son similares a
las del gasóleo. De ahí que estos ésteres sintéticos obtenidos a partir de ésteres naturales
contenidos en la biomasa reciban el nombre genérico de "biogasóleos". Este proceso se
lleva a cabo con un catalizador homogéneo (hidróxido sódico o potásico) para favorecer
las condiciones de reacción, se separa la glicerina y se purifica la mezcla de ésteres
metílicos, que se destina al uso como combustible [1]
.
1.1.6 Conveniencia de procesar la Biomasa.
La biomasa es un desecho que puede llegar a ser un problema grave para el
equilibrio ecológico si no se toman las medidas pertinentes, debido al crecimiento
poblacional y a la producción industrial la velocidad de generación de la Biomasa es
mayor que su degradación. No obstante, esa posibilidad de problema se puede convertir
en una oportunidad, por lo que se deben hacer los considerandos siguientes:
Si no se trata la biomasa se producen:
Vectores.
Malos olores.
Enfermedades.
Daños Ambientales.
- 11 -
Si se trata la biomasa se pueden obtener efectos económicos positivos y otros como:
Protección de la salud.
Preservación del medio ambiente.
Recuperación de materia prima.
Obtención de energéticos.
Obtención de abono orgánico natural.
Obtención de CO2 para la industria alimenticia.
1.1.7 Riesgos por mal manejo de la biomasa
La Biomasa cuando no se les da un proceso adecuado representan los riesgos siguientes [16]
:
• Deterioro estético de las ciudades y del paisaje natural
• Contaminación de suelo, cuerpos de agua y aire
• Proliferación de vectores
• Afectaciones a la salud y
• Cambio climático por gases de efecto invernadero.
1.2 PROCESO DE BIODIGESTIÓN.
El proceso de Biodigestión es un proceso biológico de fermentación natural en el
que una comunidad entrelazada de bacterias cooperan para formar una fermentación
estable, autorregulada, la cual se puede dar de dos formas en presencia de oxígeno
(Biodigestión Aerobia) y sin la presencia de oxígeno (Biodigestión Anaerobia),
procesos que se comparan en la tabla 2.
1.2.1 Proceso aerobio
El proceso aerobio es llevado a cabo por bacterias aerobias que precisan de oxígeno
atmosférico o disuelto en el agua. La materia orgánica es fermentada a partir de un aporte
energético, dando lugar a una reacción exotérmica [9]
.
La fórmula general del proceso de biodigestión aerobia es la siguiente:
Materia Orgánica + O2 + Bacterias + nutrientes → CO2 + agua + Materia Orgánica
+ Bacterias + NH4 + P
Unos de los procesos aerobios para tratar los residuos sólidos orgánicos urbano es
el compostaje.
El tratamiento por Composteo es un proceso que se efectúa bajo condiciones
aerobias, y puede desarrollarse tanto a nivel doméstico, como a nivel industrial en
grandes plantas de composta.
El proceso de compostaje se desarrolla con la descomposición de la materia
orgánica efectuada por microorganismos mediante condiciones de temperatura,
humedad y oxigenación controladas, por lo general este proceso se da a una temperatura
- 12 -
de entre 55° y 60° C, lo que permite la destrucción de algunos patógenos. Durante el
proceso, los materiales orgánicos son degradados a un material parecido al humus con
excelentes propiedades para el suelo, con un pH en rangos de 6.5 a 8, que favorece el
crecimiento saludable de las plantas y con alta capacidad de retención de agua. Sin
embargo, este proceso puede efectuarse tanto en condiciones aerobias o anaerobias (con
o sin oxígeno, respectivamente), aunque por regla general este proceso se efectúa de
manera aerobia.
Para el proceso de compostaje algunas de las fuentes más apropiadas para obtener
la materia prima pueden ser los mercados, los comedores públicos, los restaurantes, la
agricultura, la ganadería y los rastros, aunque este tipo de tratamiento no es considerado
para este proyecto por los problemas medioambientales que genera con patógenos y
lixiviados. Este proceso de los constituyentes biológicos de los residuales genera
energía térmica que no se utiliza actualmente aunque contribuye a la higienización de
los residuales. Requiere de grandes espacios y alta duración del proceso, así como
limpieza de gases de escape de la planta para eliminar los malos olores y las emisiones
de gérmenes [3]
.
1.2.2 Proceso anaerobio
1.2.2.1 Proceso de biodigestión anaerobio.
El proceso de biodigestión anaeróbica es un proceso biológico natural en el que
una comunidad entrelazada de bacterias cooperan para formar una fermentación estable,
autorregulada, que convierte materia orgánica residual en una mezcla de principalmente
metano y dióxido de carbono. Es decir, La biodigestión anaeróbica es un proceso
microbiano que incluye microorganismos metano bacteriáceo que degradan la materia
orgánica en ausencia de oxigeno.
El residuo a tratar, que provee el carbono y la energía necesarios para los procesos
biológicos, puede provenir de las más diversas fuentes (domicilios, industria alimenticia
y papelera, ganadería, etc.) con las consiguientes diferencias en composición.
Los alimentos principales de las bacterias anaeróbicas son el carbono (en la forma
de carbohidratos) y el nitrógeno (en proteínas, nitratos y amoniaco, etc.). El carbono se
utiliza para obtener energía y el nitrógeno para la construcción de estructuras celulares.
La relación ideal de éstos es de 30:1. Si el nitrógeno presente es menor al necesario,
se ve limitada la velocidad de producción de biogás; por otra parte, si está en exceso, se
produce más amoníaco del requerido, el cual es tóxico e inhibidor del proceso.
A pesar de que la bioquímica del proceso es muy compleja se pueden distinguir en
él tres etapas, dentro de cada una de ellas a su vez, existe una comunidad específica de
bacterias anaeróbicas o facultativas. Las etapas en que se lleva a cabo el proceso de
digestión anaerobia pueden considerarse como las siguientes:
1.- Etapa de hidrólisis.
2.- Etapa de acidogénesis.
3.- Etapa de metanogénesis.
- 13 -
Las tres etapas del proceso ocurren simultáneamente dentro del sistema tal como se
muestra en las figuras 6 y 7 [4, 7, 11, 14, 17, 20]
:
Figura 6. Fases de la descomposición
Figura 7. Procesos de la descomposición de los Residuos Sólidos Orgánicos.
RESIDUOS ORGÁNICOS Carbohidratos + Grasas + Proteínas
H2 CO2
Ácido Acético
Ac. Orgánicos Propiónico. Butírico Alcoholes Compuestos cadenas cortas
H2 CO2
Ácido Acético
Metano Dióxido de carbono CH4 CO2
Bacterias fermentativas
MASA BACTERIANA
MASA BACTERIANA
Bacterias acetogénicas
MASA BACTERIANA Bacterias metanogénicas
Ácido
H2
CH4
28%
72%
Metanogénesis
Acetogénesis
52%
Ácidos orgánicos
Compuestos orgánicos
4%
Fase 2 Fase 3
24%
20%
76%
- 14 -
1.2.2.2 Bacterias que intervienen en el proceso.
El proceso de la biodigestión anaerobia involucra siempre cuatro tipos de
bacterias, la hidrolitica, que producen ácido acético, compuestos monocarbonados, ácidos
grasos orgánicos y otros compuestos policarbonatos; la acetogénica, productoras de
hidrogeno; las homoacéticas, que pueden convertir una cantidad considerable de
compuestos multicarbonados o monocarbonados en ácido acético; y las metanogénicas,
productoras del gas metano.
En la descomposición anaerobia de los residuos, algunos organismos anaerobios
trabajan juntos para llevar a cabo la conversión de la fracción orgánica de los residuos
en un producto final estable. Es importante hacer notar la extrema interdependencia que
existe entre ambos grupos de bacterias, pues, mientras las productoras de ácido
suprimen el oxígeno y producen el alimento que permite la vida de las metanógenas,
estas últimas eliminan los desechos ácidos y evitan que el medio se vuelva muy ácido
permitiendo con ello la sobrevivencia del primer grupo.
Tomando en consideración las etapas en que se desarrolla la conversión
biológica en condiciones anaerobias de la biomasa; se puede establecer que la primera
etapa (hidrólisis) implica la transformación mediada por enzimas de compuestos de
masas moleculares más altas en compuestos intermedios identificables de masa
molecular más baja; en la segunda etapa los productos solubles de la primera etapa se
convierten en ácidos orgánicos volátiles de cadena corta y alcoholes, producto de la
acción de endoenzimas; y la tercera etapa implica la conversión bacteriana de los
compuestos intermedios a productos finales sencillos, principalmente metano y dióxido
de carbono.
Es decir, en la biodigestión anaerobia, un grupo de organismos anaerobios se
encargan de hidrolizar a los polímeros orgánicos y los lípidos en unidades estructurales
como ácidos grasos, monosacáridos, aminoácidos y compuestos relacionados. Un
segundo grupo de bacterias anaerobias fermenta los productos descomponibles del
primer grupo en ácidos orgánicos simples, el más común en la biodigestión anaerobia es
el ácido acético; este segundo grupo de microorganismos, descrito como no
metanogénico, está formado por bacterias anaerobias que frecuentemente se identifican
como “acidógenos“o “formadores de ácidos“. Teniendo en cuenta la tolerancia al
oxigeno las bacterias anaerobias se clasifican en:
Anaerobias estrictas: Crecen en atmósferas con una tensión de oxígeno inferior a 0.5%
Anaerobias aerotolerantes: Toleran el oxígeno hasta un 8% pero son incapaces de
utilizarlo para su metabolismo.
La tolerancia al oxígeno de estas bacterias está dada por la presencia de enzimas
superóxido dismutasa (SOD), catalasa y peroxidasa que catalizan la conversión de
radicales superóxido a peróxido de hidrógeno menos tóxico y a oxígeno molecular.
Anaerobios facultativos: No necesitan oxígeno para su desarrollo normal, pero si está
presente lo pueden utilizar metabólicamente, es decir que crecen bajo condiciones tanto
aeróbicas como anaeróbicas utilizando el oxígeno como aceptor final de electrones.
- 15 -
Microaerofílicas: Crecen en presencia de tensiones de oxígeno mínimas y lo
metabolizan utilizándolo como aceptor final de electrones. Necesitan atmósfera de CO2.
Un tercer grupo de microorganismos convierte el hidrógeno y el ácido acético,
producido por los formadores de ácidos, en gas metano y anhídrido carbónico. Las
bacterias responsables de esta conversión se identifican como “metanógenos” o
“formadores de metano”. Muchos de los organismos metanogénicos identificados en los
vertederos y en biodigestores anaerobios son similares a aquellos que se han encontrado
en los estómagos de animales rumiantes y en sedimentos orgánicos sacados de lagos y
ríos.
Las bacterias más importantes del grupo metanogénico son las que utilizan
hidrógeno y ácido acético. Tienen tasas de crecimiento muy lentas; en consecuencia su
metabolismo normalmente se considera limitante en el tratamiento anaerobio de
residuos orgánicos. La estabilización de residuos en la biodigestión anaerobia se lleva a
cabo cuando se producen metano y anhídrido carbónico [15]
.
1.2.2.3 Descripción de las fases del proceso.
La biodigestión anaerobia no se da en una sola etapa, sino ocurre en tres etapas en
las que intervienen cuatro tipos de bacterias, las hidrolíticas, que producen ácido acético,
compuestos monocarbonados, ácidos grasos orgánicos y otros compuestos
policarbonatos; las acetogénicas, productoras de hidrógeno; las homoacéticas, que pueden
convertir una cantidad considerable de compuestos multicarbonados o monocarbonados
en ácido acético; y las metanogénicas, productoras del gas metano[4, 7, 11, 14, 17, 20]
.
1.2.2.3.1 Hidrólisis.
La materia orgánica polimérica no puede ser utilizada directamente por los
microorganismos a menos que se hidrolicen en compuestos solubles, que puedan
atravesar la membrana celular. La hidrólisis es, por tanto, el primer paso necesario para la
degradación anaerobia de sustratos orgánicos complejos.
La hidrólisis consiste en la degradación de la materia orgánica cruda. Esta
materia orgánica está formada principalmente por polímeros de hidratos de carbono,
prótidos y lípidos; y ocurre por la acción de exoenzimas secretadas por las bacterias,
como se muestra en la reacción 1.1.
Hidrólisis enzimática
3510635106 NHOHCNHOHC …. (1.1)
En esta etapa los microorganismos hidrolizan los polímeros orgánicos, proteínas
y lípidos en ácidos grasos, monosacáridos, aminoácidos.
El grado de hidrólisis y la velocidad del proceso dependen de muchos factores,
entre otros del pH, de la temperatura, del tipo de materia orgánica, y del tamaño de
partícula.
- 16 -
La tasa de hidrólisis, en general, aumenta con la temperatura, independientemente
del compuesto de que se trate. Depende del tamaño de las partículas, debido
fundamentalmente a la disponibilidad de superficie para la adsorción de las enzimas
hidrolíticas.
1.2.2.3.2 Acidogénesis.
En esta segunda etapa los productos solubles de la etapa anterior son convertidos
en ácidos orgánicos volátiles de cadena corta y alcoholes producto de la acción de
endoenzimas, algunos de los ácidos grasos más importantes que se forman son: ácido
acético, propiónico y butírico. Sólo el ácido acético formado da origen al 70% de la
producción de metano.
Las bacterias acetogénicas son las encargadas de la degradación de los ácidos
grasos de cadena larga (productos de la primera etapa) como los ácidos palmíticos y
esteáricos para su posterior transformación a ácido acético.
Las bacterias facultativas involucradas en esta etapa son importantes no solo
porque producen los nutrientes, para los productos de metano, sino que además
remueven cualquier traza de oxígeno disuelto que quede en el material orgánico debido
a que las bacterias que actúan en la siguiente etapa son exclusivamente anaeróbicas.
Las proporciones entre los productos de la fermentación varían en función del
consumo de H2 por parte de las bacterias que utilizan hidrógeno.
Este proceso contempla la fermentación de carbohidratos solubles y
aminoácidos, cuya finalidad es la producción de ácido acético.
Fermentación de carbohidratos solubles
La ruta de degradación de la glucosa en los sistemas anaerobios proporciona como
principales productos ácidos grasos volátiles, H2 y CO2. La fermentación de azúcares se
realiza por diversos tipos de microorganismos, siguiendo diferentes rutas metabólicas, en
función del organismo responsable, y obteniendo productos finales diferentes. Los
principales microorganismos son los que producen butírico o butanol, básicamente del
género Clostridium, que convierten la glucosa y algunos aminoácidos en ácido butírico,
acético, CO2 e H2. Las proporciones de los diversos productos se modifican por la
duración y las condiciones de la fermentación, siendo el butírico y el acético los productos
mayoritarios si el pH se mantiene alcalino.
Las bacterias ácido-propiónicas, del género Propionibacterium, llevan a cabo un
proceso distinto, conocido como fermentación acido-propiónica, en el que se produce la
fermentación del ácido láctico, carbohidratos y polihidroxialcoholes, produciendo,
principalmente, ácido propiónico, succínico, acético y CO2. Sus requerimientos
nutricionales son complejos y crecen con lentitud.
- 17 -
Fermentación de aminoácidos
Los principales productos de la fermentación de aminoácidos y de otras moléculas
nitrogenadas son ácidos grasos de cadena corta, succínicos, aminovalérico e H2 .La
fermentación de aminoácidos se considera un proceso rápido y que en general, no limita
la velocidad de la degradación de compuestos proteínicos.
Algunos organismos del género Clostridium pueden fermentar aminoácidos. Los
productos finales de la oxidación son NH3, CO2 y un ácido carboxílico con un átomo de
carbono menos que el aminoácido oxidado. Producen n-butírico y ácido isobutírico,
isovalérico, caproico, sulfuro de hidrógeno, metilmercaptano, cadaverina, putrescina (en
función del tipo de aminoácido de que proceda), como se muestra en la reacción 1.2 [2]
.
Acidogénesis
OHCOCOOHCHCHCHCOOH CHCHCOOH CHN OHCNHOHC 2222323327535106 .
.(1.2)
Acetogénesis
Mientras que algunos productos de la fermentación pueden ser metabolizados
directamente por los organismos metanogénicos (H2 y acetato), otros (valeriato, butirato,
propionato, algunos aminoácidos, etc.) necesitan ser transformados en productos más
sencillos, acetato e hidrógeno, a través de las bacterias acetogénicas, como se muestra en
las reacciones 1.3 y 1.4.
Acetogénesis propiónica
2432752323 COCHCOOHCHNOHCOHNHCOOHHCHCH …. (1.3)
Acetogénesis butírica
43275223223 CHCOOHCHNOHCOHCONHCOOHCHCHCH …. (1.4)
Un tipo especial de microorganismos acetogénicos, son los llamados
homoacetogénicos, que consumen H2 y CO2, y producen acetato. Los principales
exponentes son Acetobacterium woodii o Clostridium aceticum. Este tipo de bacterias son
capaces de crecer heterotróficamente en azúcares, al contrario que los metanogénicos,
siendo más parecidos a los fermentativos que a los metanogénicos, a pesar de utilizar los
mismos substratos.
1.2.2.3.3 Metanogénesis.
En esta etapa los ácidos orgánicos simples producidos en la etapa anterior son
convertidos, por acción de las bacterias metanogénicas, en sustrato para la
descomposición, estabilización y producción de metano y anhídrido carbónico, como se
muestra en la reacción 1.5.
OHCOCHNOHCNHCOOHCH 22427533 …. (1.5)
- 18 -
Las bacterias metanogénicas son las responsables de la formación de metano a
partir de substratos monocarbonados o con dos átomos de carbono unidos por un enlace
covalente: acetato, H2, CO2, formato, metanol y algunas metilaminas.
El mecanismo por el cual se forma metano considera las siguientes reacciones:
Producción de metano a partir de reactivos como el etanol y dióxido de carbono
como se muestra en la reacción 1.6 y a partir de la reacción del hidrogeno con el
dióxido de carbono como se muestra en la reacción 1.7, para obtener como productos
principal el metano en ambas reacciones.
43255 22 CHCOOHCHCOOHHC …. (1.6)
OHCHCOH 2422 24 …. (1.7)
El metano se produce como resultado de la reducción del anhídrido carbónico
(CO2) según, como se muestra en las siguientes reacciones numeradas de la 1.8 a la
1.14.
4222 32 CHCOOHCO ..... (1.8)
OHCHHCO 2422 24 …. (1.9)
OHCHHCO 2423 ... (1.10)
423252 32 CHCOCOOHCHOHCOOHHC ... (1.11)
OHCHHCO 242 8 … (1.12)
423252 3424 CHCOCOOHCHOHCOOHHC … (1.13)
243 COCHCOOHCH … (1.14)
En esta etapa del proceso, adquiere relevada importancia la concentración de
hidrógeno debido a que permite controlar la cantidad de los productos de las reacciones
anteriores.
Al aumentar el hidrógeno (H2), ya sea por sobre carga orgánica o por baja en el
tiempo de retención tiende a producirse metano a partir de ácido propiónico o butírico y
no a partir del ácido acético (CH3COOH) como es lo normal.
Los microorganismos metanogénicos requieren de condiciones estrictamente
anaeróbicas.
Esta ausencia de oxígeno ( O2 ) necesaria es asegurada por las bacterias
acidogénicas que además le suministran los nutrientes básicos debido a la acción de sus
enzimas sobre proteínas y aminoácidos liberando sales de amonio , siendo ésta la única
fuente de nitrógeno aceptada por las bacterias productoras de metano.
Del metano que se produce el 50% proviene de ácido acético. Este ácido acético
se origina en un 3% a 5,3% de la reducción del CO2 con H2 a unos 60 °C. Otra parte de
acetato que proporciona metano, corresponde a la deshidrogenación del propionato y
butirato en un porcentaje de 23% a 60 °C [4, 7, 11, 14, 17, 20]
.
- 19 -
Metanogénesis a partir de otro sustrato.
Se pueden establecer dos grandes grupos de microorganismos, en función del
sustrato principal, dividiéndose en los hidrogenotróficos, que consumen hidrógeno,
como se muestra en la reacción 1.15 y fórmico, como se muestra en la reacción 1.16, y
los metilotrópicos o acetoclásticos, que consumen grupos metilos del acetato, como se
muestra en la reacción 1.17, metanol, como se muestra en la reacción 1.18 y algunas
aminas como trimetil amina, como se muestra en la reacción 1.19 y dimetil amina,
como se muestra en la reacción 1.20. Para obtener en cada una de ellas el metano
(CH4), como producto principal [2]
.
OHCHCOH 2422 24 … (1.15)
OHCOCHHCOOH 224 234 … (1.16)
243 COCHCOOHCH … (1.17)
OHCOCHOHCH 2243 234 … (1.18)
324233 43964 NHCOCHOHNCH … (1.19)
324233 23322 NHCOCHOHNHCH … (1.20)
1.2.2.4 Factores que afectan la biodigestión.
Se considera que las bacterias son el ingrediente esencial del proceso, es
necesario mantenerlas en condiciones que permitan asegurar y optimizar su ciclo
biológico. Para mantener un sistema de tratamiento anaerobio que estabilice
eficazmente un residuo orgánico, las bacterias no metanogénicas y metanogénicas
deben estar en un estado de equilibrio dinámico. Para establecer y mantener tal estado,
los contenidos del reactor deberían estar libres de oxígeno disuelto y de concentraciones
inhibidoras de amoniaco libre y de constituyentes como metales pesados y sulfitos.
Existen varios factores que determinan el comportamiento y la eficacia del
proceso de biodigestión anaeróbica, entre ellos se encuentran [22]
:
Temperatura
Concentración de sólidos totales y sólidos volátiles.
PH
Tiempo de retención
Sustancias inhibidoras de la reacción.
Alcalinidad
Agitación
Otros factores
1.2.2.4.1 Temperatura:
La temperatura afecta en forma directa a los procesos que controlan la
proporción del crecimiento microbial.
- 20 -
De forma general, a temperaturas por encima de los 30 °C, las tasas de reacción
química y biológicas son más rápidas que a temperaturas por debajo de los 20 °C. La
velocidad de reacción de los procesos biológicos depende de la velocidad de crecimiento
de los microorganismos responsables, que a su vez es dependiente de la temperatura.
Los tipos de biodigestión se van a diferenciar de acuerdo a la temperatura con que
trabaje el biodigestor.
Existen tres rangos de temperatura, a los cuales se realiza el proceso, ellos son:
Rango sicrofílico que va desde 10ºC a 20ºC.
Rango mesofílico que va desde 20ºC a 35ºC – 40 °C.
Rango termofílico que va desde 50ºC a 60ºC.
Biodigestión sicrofílica.
Se caracteriza por funcionar con un rango de temperatura entre 10 ºC y 20 ºC.
En ésta el calor no es suministrado exteriormente, ni está sujeta a las variaciones de la
temperatura ambiente, no requiere aislamiento térmico.
Para este tipo de biodigestión, el tiempo promedio de retención es de 100 días
con una agitación baja o casi nula.
Biodigestión mesofílica.
Funciona con un rango de 20 ºC a 35 ºC – 40 °C, o bien, de 30 ºC a 35 ºC – 40
°C, con un tiempo de retención promedio de 20 días. Ésta tipo corresponde a la
biodigestión de mayor rendimiento, debido a su semejanza con la biodigestión animal.
Para ello se requiere de calor externo y agitación controlada.
Biodigestión termofílica.
Se caracteriza por un rango de 50ºC a 60ºC con un tiempo de retención entro 8 a
10 días, pero requiere de un elevado suministro de energía calórica, además de una
mayor agitación controlada, en comparación con los dos anteriores.
Considerando las características de los tres tipos de biodigestión, puede
considerarse que la más conveniente para el tratamiento de la biomasa en general, es la
biodigestión mesofílica, en virtud de que permite una elevada producción de metano y
un correcto crecimiento de las bacterias, lo que conlleva a un menor tiempo de retención
de desechos en el biodigestor y un menor gasto energético.
Las principales ventajas que presenta son las siguientes:
* Fermentación más rápida.
* Disminución de la viscosidad de la solución.
* Mayor conversión de desechos en biogás.
* Eliminación casi en un 100% de virus y bacterias patógenas.
* Separación sólido - líquido más rápido.
- 21 -
Influencia de la temperatura sobre aspectos físico-químicos
La solubilidad o absorción de los gases NH3, H2S e H2 desciende al aumentar la
temperatura, lo que significa que con una temperatura adecuada, se provoca una desorción
de esos gases formados durante la digestión. Esto supone un efecto positivo, dado el
efecto inhibidor de estos gases sobre el crecimiento de los microorganismos anaerobios.
Un posible efecto negativo de este fenómeno es que el descenso de la solubilidad o
absorción del CO2, implicará un aumento del pH en los reactores termofílicos.
La viscosidad de los líquidos y semisólidos disminuye al aumentar la temperatura,
lo que implica menores requerimientos energéticos para la mezcla al disminuir con ello
las necesidades de agitación. A altas temperaturas se produce también una mejor
sedimentación de los sólidos [22]
.
1.2.2.4.2 Concentración:
Toda materia está compuesta por agua y una fracción sólida, a la que se le
llamada sólidos totales. El porcentaje de sólidos totales contenidos en la mezcla
orgánica con que se carga el biodigestor es un factor importante a considerar para lograr
un buen funcionamiento del proceso, tal concentración puede variar de un 2% a un
15%. La mezcla óptima estaría compuesta por un porcentaje de sólidos de 6% a 9%,
siendo esto un 70%, 49% de materia orgánica biodegradable a los cuales se les
denomina sólidos volátiles.
La presencia de nutrientes como nitrógeno y fósforo, es necesaria, solo que en
una adecuada proporción con el carbono lo que permite el correcto desarrollo de la flora
bacteriana.
Cuando las cantidades de nitrógeno son muy elevadas pueden existir problemas
en el desarrollo de la flora bacteriana por la formación de amonio.
Otros tipos de nutrientes serán necesarios en pequeñas cantidades, como
sulfuro, potasio, calcio, magnesio y otros elementos traza como el hierro, manganeso,
molibdeno, zinc, cobalto, selenio, tungsteno, níquel, etc. Los sustratos normalmente
contienen una cantidad suficiente de estos elementos. Altas concentraciones de estos
elementos producen efectos inhibidores sobre el proceso [22]
.
1.2.2.4.3 pH:
Los microorganismos anaerobios necesitan un pH en torno a la neutralidad para su
correcto desarrollo, aunque permiten cierta oscilación. El pH afecta fundamentalmente a
la actividad enzimática de los microorganismos, mediante: cambios de estado de los
grupos ionizables de las enzimas como el carboxil y amino; alteración de los
componentes no ionizables del sistema.
Un pH neutro es el ambiente más eficiente para la digestión, esto es un pH en el
rango de 6,6 a 7,6. Si el pH disminuye ya sea por aumento repentino de la carga,
presencia de materias tóxicas o cambios súbitos de temperatura, se puede corregir
dejando de alimentar carga durante un corto tiempo o adicionando sustancias alcalinas
como agua de cal que reducen principalmente sustancias tóxicas como ácidos volátiles.
- 22 -
En caso contrario si el pH aumenta, se corrige agregando acido acético para
ayudar a que se regule la biodigestión y el pH disminuya.
Dentro del biodigestor el pH se auto regula con diversos cambios que ocurren
durante la digestión. En el primer período el pH tiende a bajar debido a la producción de
ácidos volátiles, luego de unas semanas este se eleva de acuerdo al actuar de las
bacterias metanógenas que al degradar las proteínas aumenta el amonio subiendo el pH [22]
.
1.2.2.4.4 Tiempo de retención:
El tiempo de retención es la razón existente entre el volumen del biodigestor y la
carga diaria de alimentación.
Las bacterias requieren de un cierto tiempo para degradar la materia orgánica
siendo determinado por el tiempo de retención.
Existen dos tipos de tiempos de retención.
Tiempo de retención hidráulico (TRH).
Tiempo de retención de sólidos (TRS).
El tiempo de retención hidráulico corresponde al tiempo de retención del líquido
dentro del digestor. Si disminuye el TRH para mantener un TRS fijo, disminuye el
tamaño del reactor.
Normalmente se trabaja con tiempos de retención entre 10 y 15 días, ello
depende por supuesto de varios factores entre los cuales se encuentran: El tipo de
sustrato, volumen del biodigestor, temperatura, etcétera.
Se consideran dichos tiempos debido a que el período que demoran las bacterias
metanogénicas en duplicarse es mayor comparativamente con la producción de las
bacterias acetogénicas. Si el tiempo de retención es menor al necesario, las bacterias
serán eliminadas del sistema antes de que se hallan duplicado. En caso contrario, la
producción de biogás en un primer momento será muy eficiente, pero va a disminuir
hasta llegar a una producción cero [22]
.
1.2.2.4.5 Sustancias inhibidoras de la reacción:
Al igual que cualquier otro sistema biológico son susceptibles a materias tóxicas.
El envenenamiento se produce con la presencia de ciertos compuestos en altas
concentraciones, las cuales, son necesarias para la sobrevivencia de estos organismos,
pero en menores concentraciones.
El nitrógeno orgánico durante el proceso anaerobio se hidroliza produciendo
formas amoniacales. Aunque el nitrógeno amoniacal es un importante nutriente para el
crecimiento de los microorganismos, cuya carencia puede provocar el fracaso en la
producción de gas, una concentración excesivamente alta del mismo puede limitar su
crecimiento.
- 23 -
Los principales microorganismos afectados por altas concentraciones de amonio
son los metanogénicos. Un cambio brusco en la concentración de amonio produce un
descenso en la velocidad de crecimiento de los organismos metanogénicos, pero no en la
tasa de crecimiento de los acidogénicos o acetogénicos. Los microorganismos
metanogénicos que consumen acético son más sensibles a la inhibición por amonio que
los consumidores de H2.
Toxicidad por metales pesados
La toxicidad de los metales pesados depende de la forma química que asuma en
el digestor anaerobio y de los niveles de pH. Los metales pesados solamente causan
fallas en el sistema anaerobio cuando se encuentran en forma de iones libres (en su
forma soluble) y exceden ciertas concentraciones, algunas de las cuales se encuentran
en la Tabla 1[22]
.
Tabla 1. Concentraciones (mg/l) de compuestos inorgánicos inhibitorios del
proceso anaerobio [8]
Sustancia Moderadamente inhibitoria Fuertemente inhibitoria Na+ 3500-5500 8000
K+ 2500-4500 12000
Ca2+ 2500-4500 8000
Mg2+ 1000-1500 3000
Cobre 200 200 0.5 (soluble)
Cromo VI -- 50-70 (total) 3 (soluble)
Cromo III -- 200-260 (total)
Níquel -- 180-420 (total) 2 (soluble)
Zinc -- 30 (total) 1 (soluble)
1.2.2.4.6 Alcalinidad:
La alcalinidad corresponde a uno de los parámetros importantes en el control de
un biodigestor. Con esto se puede medir su capacidad tampón, es decir su capacidad de
amortiguar a cambios de pH.
Asimismo la alcalinidad será suficiente para asegurar que el pH no caerá por
debajo de 6,2 porque las bacterias de metano no pueden funcionar por debajo de este
umbral. En el rango de pH de 6 a 8, el principal equilibrio químico que controla la
alcalinidad es el dióxido de carbono-bicarbonato [22]
.
1.2.2.4.7 Agitación:
La agitación de los reactores anaerobios tiene diversos objetivos, que se resumen en
los siguientes puntos: poner en contacto el substrato fresco con la población bacteriana, y
proporcionar una densidad uniforme de población bacteriana; prevenir la formación de
capa superficial y de espumas, así como la sedimentación en el reactor; prevenir la
formación de espacios muertos que reducirían el volumen efectivo del reactor, y la
formación de caminos preferenciales en función de la hidráulica del sistema; eliminar la
estratificación térmica, manteniendo una temperatura uniforme en todo el reactor.
- 24 -
La agitación se debe de llevar acabo por medio de dispositivos de mezcla
(agitadores) construidos en acero inoxidable o PVC, para evitar la corrosión por el ácido
sulfhídrico [22]
.
1.2.2.4.8 Otros factores
Otro de los factores que influyen tanto en la cantidad de producción de biogás,
como en la efectividad y velocidad de las reacciones que ocurren tanto en el interior del
biodigestor es la proporción entre el carbono y nitrógeno que tenga la mezcla de carga,
toda vez que entre mayor sea la relación carbono/nitrógeno mayor será la producción de
biogás por unidad de Residuo Sólido Orgánico; la relación recomendada como óptima es
de entre 20 y 30 partes de carbono por una de nitrógeno. Si la relación es muy baja, el
nitrógeno será liberado y acumulado en forma de amoníaco, mismo que incrementara el
pH de la carga en el digestor y cuando el pH sea mayor a 8.5 la carga se volverá tóxica
para las bacterias metanogénicas, lo que significa que se detiene la producción de metano.
En la tabla 2 se puede observar los residuos orgánicos con alta y baja relación
Carbono/Nitrógeno.
Tabla 2. Relación carbono/nitrógeno en residuos orgánicos.
Residuos Orgánicos Relación Carbono/Nitrógeno
Alta Baja
Cáscara de papa
Cáscara de plátano
Hojas de árboles
Restos de caña de azúcar
Papel
Paja
Ramas
Residuos de algodón
Fibras de coco
Cáscaras de aguacate
Plantas frescas
Vísceras de pescado
Sangre deshidratada
Vísceras de pollo
Residuos de leche o productos lácteos
Residuos de cerveza
Vísceras de res
Algas marinas
La presión total de operación es el factor que limita la velocidad del proceso de
biodigestión anaerobia; toda vez que cuando en el interior del biodigestor la presión es
superior a 0.27 Mpa (2.7 Atm), la velocidad de las reacciones se reduce en un 50%. Es
decir al aumentar la presión se disminuye la velocidad del proceso, aunque éste no se
detiene, esto sucede debido a la afectación que sufren las bacterias que están
desarrollando el proceso de biodigestión con el aumento de la presión de operación.
También es importante considerar que la altura efectiva del líquido en los
digestores no debe sobrepasar los 3.6 metros, y en caso de sobrepasarla, es necesario
agitar por medios mecánicos el líquido que representa la mezcla de los Residuos Sólidos
Orgánicos, con la finalidad de que las bacterias puedan operar en los diferentes niveles
que ello representa.
Tomando en consideración la comparación entre el tratamiento aeróbico y
anaeróbico mostrada en la tabla 3, los factores que más influyen en la elección del
sistema anaerobio son:
- 25 -
La baja producción de lodos biológicos (Biomasa) con menores costos de
deposición.
Alta eficiencia de tratamiento (comparable a otras alternativas).
Bajos costos de inversión inicial y menores costos de operación (no requieren
O2).
Producción de metano (uso potencial como combustible).
Tabla 3. Comparación del proceso aerobio y el proceso anaerobio. [9]
FACTOR TRATAMIENTO AEROBIO TRATAMIENTO ANAEROBIO
Proceso de
fermentación
Degradación de la materia orgánica
a CO2, H2O, nitratos, sulfatos y
Biomasa. En presencia de oxígeno
molecular.
Degradación paso a paso de la
materia orgánica a CO2, NH4,
metano y Biomasa,
eventualmente H2S. Sin la
presencia de oxígeno molecular.
Crecimiento
microorganismos
Crecimiento muy rápido, poco
tiempo de generación, gran
producción de Biomasa (Fango).
Crecimiento
lento(metanogénicas), elevado
tiempo de generación, poca
producción de Biomasa (Fango)
Condiciones
ambientales
microorganismos
Mucha diversidad de especies, con
un amplio espectro de degradación,
bajo nivel de especialización, baja
sensibilidad.
Mayor número de grupos de
organismos, con condiciones
ambientales contrarias, más
sensibles a cambios ambientales.
Operatividad Mayor estabilidad biológica que el
proceso anaeróbico, lo que conlleva
a un menor control del proceso
Necesidad de control del proceso:
pH, temperatura y tiempo de
retención.
Demanda energética O2 necesario como receptor de
hidrógeno, mayor demanda
energética para aireación.
No precisa O2 como aceptador de
Hidrógeno, menor demanda
energética (no aireación).
Ganancias energéticas Diferencia sensible de nivel
energético entre sustrato inicial y
producto final, capacidad de auto-
calefacción por reacción
exotérmica, productos finales sin
aplicación energética.
Diferencia energética entre
sustrato inicial y producto final
baja. Nada o muy poca capacidad
de auto-calefacción, productos
finales con recuperación
energética (metano).
Necesidad de
nutrientes
Mayor Menor
Calidad del solido
digerido
Menor estabilización por un proceso
menor de digestión.
Mayor estabilización debido a
una mayor digestión de la materia
orgánica.
Productos obtenidos Fertilizante orgánico sólido o
compost.
Fertilizante orgánico líquido y
sólido, biogás como combustible.
Necesidad de
calefacción
Al tratarse de una reacción
exotérmica, no precisa de
calefacción y puede llevarse a cabo
en rangos amplios de temperatura.
Precisa de calefacción en climas
con temperaturas mínimas
anuales inferiores a los 15°C
Problemas de olores Aun tratarse de un sistema abierto,
los compuestos no generan
problemas de malos olores.
No hay problema de malos
olores, por ser un sistema
cerrado.
- 26 -
1.3 BIODIGESTOR
Un digestor de desechos orgánicos o biodigestor, en su forma más simple, “un
contenedor cerrado, hermético e impermeable (llamado reactor), dentro del cual se
deposita el material orgánico a fermentar (excrementos animales y humanos, desechos
vegetales, etcétera) en determinada dilución de agua para que se descomponga por
microorganismos, produciendo por un lado gas metano y por otros fertilizantes orgánicos
ricos en nitrógeno, fósforo y potasio”.
Cuando el biodigestor es de carga diaria, es decir, cuando todos los días se carga
con una cantidad dada de desechos mezclados con agua y del biodigestor sale un volumen
de lodos fertilizantes igual al de la mezcla alimentada; el biogás se genera en forma
continua durante todo el día. Cuando se trata de un biodigestor que trabaja “lote”, se carga
todo de una sola vez, no descargándose hasta después de dos o tres meses, cuando se
vacía el residuo y se aplica al campo; en este caso la cantidad de biogás producida es
mayor en las primeras semanas y va bajando a medida que transcurre el tiempo.
La utilización de los biodigestores además de permitir la producción de biogás
ofrece enormes ventajas para la transformación de desechos:
Mejora la capacidad fertilizante del estiércol. Todos los nutrientes tales como
nitrógeno, fósforo, potasio, magnesio así como los elementos menores son
conservados en el efluente. En el caso del nitrógeno, buena parte del mismo,
presente en el estiércol en forma de macromoléculas es convertido a formas más
simples como amonio (NH4+), las cuales pueden ser aprovechadas directamente
por la planta.
El efluente no tiene olor.
Control de patógenos. Aunque el nivel de destrucción de patógenos variará de
acuerdo a factores como temperatura y tiempo de retención [26]
.
1.3.1 Características del biodigestor.
Para que un biodigestor de desechos orgánicos opere en forma correcta, deberá
reunir las siguientes características [26]
:
Deberá ser hermético con el fin de evitar la entrada de aire, el que interfiere con el
proceso, y fugas del biogás producido.
Deberá estar térmicamente aislado para evitar cambios bruscos de temperatura.
Aun no siendo un recipiente de alta presión, el contenedor primario de gas deberá
contar con una válvula de seguridad.
Deberá contar con medios para efectuar la carga y descarga del sistema.
Los biodigestores deberán tener acceso para mantenimiento.
Se deberá contar con un medio para romper las natas que se formen.
1.3.2 Tipos de biodigestores
Existen diversos tipos de biodigestores, clasificados por su diseño o tipo de
estructura que lo conforma, por ello, se puede decir que los biodigestores más
comúnmente utilizados son:
- 27 -
Campana Flotante
Se compone de un biodigestor sostenido en mampostería y un depósito de gas
móvil en forma de campana, que puede flotar directamente en la masa de fermentación o
en un anillo de agua, suministrando una presión constante de gas. Su manejo es fácil pero
la campana además de tener un costo alto, está expuesta a la intemperie y por lo tanto
sujeta a la corrosión requiriendo de un mantenimiento periódico. La ubicación de este
biodigestor es sobre el nivel del suelo y puede adaptarse a todo tipo de clima y a cualquier
condición topográfica del terreno como se pude observar en la figura 8.
Figura 8. Biodigestor de Campana Flotante.
Biodigestor tipo chino o de Cúpula Fija
De tipo chino o de cúpula fija. Tienen un diseño básico en el que el biogás es
colectado en una cúpula fija. Se compone de un biodigestor construido en mampostería y
un domo fijo e inmóvil, completamente cerrado donde se almacena el biogás. Durante la
producción de biogás, la masa de fermentación es desplazada hacia el tanque de
compensación y cuando se extrae el gas, el líquido vuelve al biodigestor, por ello la
presión del gas es variable. Con las constantes oscilaciones de la masa de fermentación en
la parte superior de la cúpula se evita la formación de la capa flotante.
Campana llena de Gas
1. Campana
2. Caño gula
3. Caño central para salida del gas
4. Soportes cruzados
5. Válvula de gas
6. Trampa de agua
Campana llena de Gas
- 28 -
Tiene una larga vida útil, no posee partes móviles y/o metálicas que puedan
oxidarse.
Figura 9. Biodigestor tipo chino o de cúpula fija.
Es de operación semicontinua y reúne las siguientes características de diseño:
a. No tiene partes móviles.
b. Sección circular, eje vertical: paredes cilíndricas.
c. Achatado: relación altura/ diámetro pequeña.
d. Techo y fondo dómicos: sectores esféricos.
e. Construcción bajo el nivel del suelo.
f. Cámaras de entrada y salida laterales, diametralmente opuestas.
g. Tapa removible en la parte superior del domo, perforada con el tubo de salida de gas.
Puede ser construido con capacidades diversas, que depende de la demanda del
biogás y fertilizante requerido, así como de los desechos orgánicos disponibles. Es
particularmente adaptado a tamaños familiares (6, 8, 10 ó 12 m3 de volumen interno),
aunque logran gran aceptación hasta tamaños de uso comunal (50, 100 y 200 m3 de
volumen interno).
a,a1: niveles de equilibrio de la mezcla
b: túnel de comunicación
c: centro de la construcción
d: drenaje regulador de presión
e: registro para la descarga periódica
- 29 -
Planta Balón
Del tipo tubular hechos de goma, polietileno o “Plástico de Barro Rojo”. Este
material, producido en forma laminar, es una mezcla de lodos rojos residuales de la
extracción de la bauxita y contiene PVC, plasticador, estabilizador y otros ingredientes.
Al principio los biodigestores se hacían tubulares. Más tarde se construyeron en forma de
tiendas de campaña, como se muestra en la figura 10.
Figura 10. Biodigestor tipo Balón (Flujo Pistón).
El biodigestor está compuesto de una bolsa plástica de polietileno o de PVC
completamente sellada. Es un material de bajo costo en su construcción y de fácil
transporte e instalación, puede construirse en forma horizontal y por ello es favorable para
zonas donde el nivel freático es alto. Tiene la desventaja de que su vida útil es corta (3-8
años) dependiendo de la clase de material que se escoja y las presiones son bajas. El
material debe protegerse de los rayos solares para evitar su rápido deterioro.
Desplazamiento horizontal
Este tipo de biodigestor se caracteriza porque la carga se introduce en un extremo y
el efluente se retira en otro extremo y es una construcción horizontal de desplazamiento,
cuyo cuerpo se encuentra bajo el suelo con la finalidad de proporcionarle un buen
aislamiento térmico. Tiene un almacenamiento primario de gas dentro del biodigestor
(gasómetro incorporado).
Su geometría y forma de operación han sido diseñadas para asegurar su
funcionamiento continuo, como se muestra en la figura 11.
Figura 11. Biodigestor tipo de desplazamiento horizontal.
Entrada de carga al
digestor
Salida del efluente
Salida del biogás
Salida del efluente
Salida del Biogás
Entrada de carga al
biodigestor
Intercambio de calor
- 30 -
Completamente mezclados
Estos sistemas requieren menores tiempos de retención (10 a 30 días). Son aplicados
a residuos con alto porcentaje de sólidos totales, a fin de lograr un mayor contacto entre la
biomasa microbiana y el sustrato en cuestión. Para garantizar la mezcla en el interior del
reactor se emplean diversos sistemas tales como: sistema de paletas internas, los
biodigestores con movimiento circular a través de un eje central, y por medio del retorno
del propio biogás a presión. El tiempo de mezclado varía en dependencia de la
complejidad del sustrato empleado, regulándose en cada caso a fin de controlar la
velocidad global del proceso.
La principal desventaja de estos reactores la constituye la complejidad del sistema de
mezclado, sobre todo en su construcción y mantenimiento, un ejemplo de este tipo se
encuentra en la parte trasera del Laboratorio de Ingeniería Química de la Universidad
Veracruzana, campus Coatzacoalcos.
De dos etapas
Existen múltiples combinaciones de biodigestores de dos etapas. La concepción de
estos sistemas está basada en el hecho de que varios grupos de bacterias involucradas en
el proceso de descomposición de la materia orgánica compleja requieren de diferentes
condiciones de pH y tiempo de retención para su crecimiento óptimo.
En estos sistemas, en el primer reactor ocurre la hidrólisis y acidogénesis de la
materia orgánica compleja, mientras que en el segundo se lleva a cabo la acetogénesis y
metanogénesis del material acidificado.
Las variantes de estos sistemas de doble etapa presentan como desventaja largos
tiempos de retención hidráulicos requeridos en la primera fase del tratamiento y las bajas
eficiencias de conversión. La velocidad de la conversión total y la eficiencia global es
determinada por la etapa de la hidrólisis y la acidificación que son llevadas a cabo en el
primer biodigestor.
Las ventajas que aporta este proceso de dos fases, se resumen a continuación [26]
:
El primer reactor actuará de amortiguador a la llegada de algún golpe de carga del
afluente, aportando gran seguridad y estabilidad al sistema; también este reactor
eliminará el oxígeno disuelto del afluente, por lo que la eficacia en el segundo
reactor será óptima.
Permite conseguir un biogás de mayor riqueza en metano, lo que repercute en el
balance económico.
Este sistema admite una mayor flexibilidad en variaciones de carga, pH y
temperatura, a la vez que ofrece mayores facilidades en la actuación, seguimiento
y control del proceso.
1.4 BIOGÁS
Se llama biogás “al gas que se produce mediante un proceso metabólico de
descomposición de la materia orgánica sin la presencia del oxigeno del aire”. Este biogás
es combustible, tiene un alto valor calórico de 4,700 a 5,500 Kcal/m3. El biogás,
constituido básicamente por metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2), es un
- 31 -
combustible que puede ser empleado de la misma forma que el gas natural. También
puede comprimirse para su uso en vehículos de transporte, debiéndose eliminar primero
su contenido de CO2 [12]
.
1.4.1 Propiedades del biogás.
Tabla 4. Propiedades del biogás.
CH4 CO2 H2 – H2S OTROS
BIOGAS
60/40
Proporciones % Volumen 55 - 70 27 - 44 1 3 100
Valor Calórico:
MJ / m3
Kcal./m3
35.8
8600
- - - -
- - - -
10.8
2581
22
5258
21.5
5140
Ignición % en Aire 5 - 15 - - - - - - - - - - - - - - 6 – 12
Temperatura Ignición ºC 650 - 750 - - - - - - - - - - - - - - 650 – 750
Presión Crítica en MPa 4.7 7.5 1.2 8.9 7.5 – 8.9
Densidad Nominal g/l 0.7 1.9 0.08 - - - - - 1.2
Densidad Relativa 0.55 2.5 0.07 1.2 0.83
Inflamabilidad Vol. % Aire 5 - 15 - - - - - - - - - - - - - - - 6 - 12
El metano, principal componente del biogás, es el gas que le confiere las
características combustibles al mismo. Como se observa el aporte calórico fundamental lo
ofrece el metano cuyo peso especifico es de alrededor de 1 Kg/m3. Si deseamos mejorar el
valor calórico del biogás debemos limpiarlo de CO2. De esta forma se logra obtener
metano al 95 %. El valor calórico del metano puede llegar hasta 8 260 Kcal/m3 con una
combustión limpia (sin humo) y casi no contamina. El uso del biogás en motores de
combustión interna permite que se soporten altas compresiones sin detonaciones.
Entre sus propiedades físicas más notorias se encuentra su capacidad de quemarse
casi sin olores, con llama azul y un calor de combustión equivalente a 21.5 MJ/m3 (573
BTU/ft3 o 5135 kcal/m
3), valor que puede variar entre 19.7 y 23 MJ/m
3 [12].
1.4.2 Componentes
Los principales componentes del biogás son el metano (CH4) y el dióxido de
carbono (CO2). Aunque la composición del biogás varía de acuerdo a la biomasa
utilizada.
Tabla 5. Componentes del biogás.
Metano (CH4) 55 a 70 %.
Anhídrido carbónico (CO2) 35 a 40 %.
Nitrógeno (N2) 0.5 a 5 %.
Sulfuro de hidrógeno (H2S) 0.1 %.
Hidrógeno (H2) 1 a 3 %.
El valor energético del biogás por lo tanto estará determinado por la
concentración de metano alrededor de 20 – 25 MJ/m3, comparado con 33 – 38MJ/m
3 para
el gas natural [12]
.
- 32 -
1.4.3 Usos del biogás.
El biogás puede ser utilizado en la cocción de alimentos, para iluminación, así
como para la alimentación de motores de combustión interna que accionan, máquinas
herramientas, molinos de granos, generadores eléctricos, bombas de agua y vehículos
agrícolas o de cualquier otro tipo. La generación natural de biogás es una parte
importante del ciclo biogeoquímico del carbono. El biogás puede usarse directamente en
quemadores, como por ejemplo en estufas, lámparas, refrigeradores, etc., o bien puede ser
utilizado como combustible en máquinas de combustión interna.
Si el biogás se va a quemar directamente, sólo es necesario eliminar las gotas de
agua en suspensión que son arrastradas por el gas al salir del digestor, evitando así la
obstrucción de las tuberías en las que se maneja el biogás. Una forma de eliminar esta
agua es haciendo pasar el gas a través de un separador de líquidos, que consiste
básicamente en un recipiente que guarda una temperatura más baja que el biogás, para
condensar el vapor de agua y atraparlo. Si el gas va a ser usado como combustible en un
motor de combustión interna, es necesario eliminar las trazas de ácido sulfhídrico
(H2S). Para quitar esta impureza se hace pasar el biogás a través de una trampa de
limadura de hierro, mediante la cual quedan eliminadas las trazas de H2S. La limadura de
hierro se regenera periódicamente por una simple exposición de aire durante 3 ó 4 días.
El biogás obtenido en el proceso anaerobio puede ser usado directamente como
combustible para calderas, de hornos y en refrigeración. Ante los elevados costos de los
combustibles fósiles, el uso de biogás como combustible automotor es una alternativa
muy interesante, teniendo en cuenta que su contenido de metano y otros gases es muy
similar al del Gas Natural extraído del subsuelo o al del gas licuado de petróleo [12]
.
- 33 -
CAPÍTULO II
“CONSIDERACIONES
DE DISEÑO DEL
BIODIGESTOR
ANAEROBIO”
- 34 -
2.1 SELECCIÓN DE LA ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO.
Para el tratamiento de los Residuos Sólidos Orgánicos Urbanos se tomaron en
cuenta las diferentes alternativas de tratamientos, de acuerdo a las características que
presentan se pueden eliminar las alternativas en las que el aprovechamiento del potencial
de dichos Residuos sea menor, en la tabla 1 se establecen los parámetros para la selección.
Tabla 1. Aprovechamiento de los RSOU en los Métodos de Tratamiento
Tratamiento
Aprovecha
Materia
Prima
Se obtienen
energéticos
Produce
residuales para
disposición
final
Se obtienen
subproductos
con beneficio
Tratamiento Biológico
Composteo Si Si No Si
Biogasificación Si Si No Si
Tratamiento Térmico
Como Combustible No Si Si No
Incineración Masiva No Si Si No
Estabilización No Si Si No
Como se observa en la tabla 1, en primera instancia, el Tratamiento Térmico es el
que aprovecha en menor grado los Residuos Sólidos Orgánicos Urbanos, por ello y por
generar gases y residuos contaminantes se desecha como alternativa.
En la tabla 2, se analizan las alternativas del Tratamiento Biológico: el Composteo y
la Biogasificación (Digestión Anaerobia) en los cuales se aprovecha la materia prima que
en este caso son todos los Residuos Sólidos Orgánicos Urbanos que denominamos
comúnmente basura orgánica.
Tabla 2. Aprovechamiento energético y problemas medioambientales de los Residuos
Sólidos Orgánicos Urbanos en los Métodos de Tratamiento
Tratamiento Aprovecha
Materia Prima
Se obtienen
Energéticos
Controlados
Produce
Lixiviados
Se Controlan
los Lixiviados
Tratamiento Biológico
Composteo Si No Si No
Biogasificación Si Si No N/A
Con el análisis anterior se puede observar que el Composteo no es una alternativa
viable, dado que genera lixiviados los cuales son contaminantes y no se generan
energéticos, caso contrario de la Biogasificación (Biodigestión Anaerobia) en la que se
obtiene un energético controlado y no se producen desechos contaminantes.
- 35 -
Como resultado de la comparación anterior se concluye que el tratamiento
seleccionado para este proyecto es la Biogasificación (Biodigestión Anaerobia) por
ofrecer ventajas para un desarrollo sustentable [5, 21, 23, 24]
.
2.2 MATERIALES Y METODOS
Una vez seleccionada la alternativa para el proceso de los Residuos Sólidos
Orgánicos Urbanos, para establecer el proceso y equipos necesarios, se consideran los
criterios que se muestran en la tabla 3.
Tabla 3. Criterios para el diseño del proceso.
TIPOS DE CRITERIOS CRITERIOS
Técnicos Características de la región
Tipo de proceso
Volumen de residuos sólidos
Residuo generado en el
proceso
Económicos Costos de Inversión
Costos de operación
Costos de mantenimiento
Período de vida útil
Sociales Participación ciudadana
Nivel de capacitación
Como se observa en la tabla anterior, los criterios para el diseño del sistema son 3,
los Técnicos, Económicos y Sociales, ellos permitirán establecer la viabilidad del
proyecto [5, 21, 23, 24]
.
2.2.1 CRITERIOS TÉCNICOS
Características de la Región
Dentro de los criterios Técnicos se encuentra las características de la región en la
que podemos ver que la ciudad de COATZACOALCOS se localiza al Sureste del Estado
de Veracruz, sobre la barra y margen izquierda del Río del mismo nombre, a 18° 8’56” de
Latitud Norte 94°24’ 41” de Longitud Oeste con respecto al Meridiano de Greenwich y a
2 metros sobre el nivel del Mar. Área del Municipio 471.16 km2. Altitud media 10 metros
sobre el nivel del mar.
En lo que respecta al Clima del Municipio de Coatzacoalcos es Cálido Tropical, con
oscilación Térmica Anual corta, precipitación pluvial abundante durante el verano y otoño
y fuertes vientos del Norte durante el Invierno.
El clima que impera en la localidad según la clasificación de Köppens pertenece al
grupo y subgrupo de climas cálidos A, tipo cálido húmedo con abundante lluvias en
verano con pequeñas temporadas menos lluviosas dentro de la estación de lluvias llamada
- 36 -
también sequía de medio Verano; a principios de Otoño e Invierno hay precipitaciones
por influencia de los “nortes”. La temperatura y precipitación media anual son de 25.5 °C
y 2,832.20 mm respectivamente. El tipo de Terreno es Arenoso y pantanoso en la mayor
parte de su territorio, rodeado de grandes cuerpos de agua [5, 21, 23, 24]
.
Tipo de Proceso
El tipo de Proceso de la Biodigestión Anaerobia es continuo, ya que se alimenta
diario y diario se obtienen productos, se considera que la temperatura de la es apropiada
para no agregar al proyecto un sistema de calentamiento, el proceso de la biodigestión
anaerobia se encuentra en el rango de operación de la biodigestión mesofílica, que es de
20 ºC a 35 ºC – 40 °C.
Volumen de Residuos Sólidos
El volumen de los Residuos Sólidos Orgánicos que se procesarán diariamente en el
Biodigestor anaerobio, es de 25.84 L/ Día, en virtud de que el diseño del Biodigestor se
efectuó en función del material con que se contaba, consistente en un tubo de pvc con las
dimensiones siguientes: 0.762 metros de diámetro y 1.90 metros de altura, mismo que se
recubrió con fibra de vidrio, por el desgaste que tenía por otros usos.
- Cálculo del volumen del Biodigestor (V)
Debido a que el cuerpo del biodigestor está constituido por un tubo, toma forma
cilíndrica, tal como se muestra en la figura 2.1, por ello, para calcular el volumen máximo
de proceso, dejando 0.20 metros libres en la parte superior para la acumulación del gas, se
utiliza la Fórmula 2.1
hrV ** 2 …(2.1)
Donde:
V = Volumen de proceso del biodigestor
h = Altura del área de biodigestión = 1.70 m
r= Radio del biodigestor = 0.381 m
Sustituyendo los valores tenemos
70.1*) 381.0(* 1416.3 2m V m
Entonces:
3 7752.0 mV L 2.775
- Cálculo de la carga Hidráulica
Uno de los principales parámetros en la operación del biodigestor, es la carga diaria
de Residuos Sólidos Urbanos, para ello se utiliza la Fórmula 2.2 [5, 21, 23, 24]
TRVQ …. (2.2)
- 37 -
Donde:
Q = Carga hidráulica
V = Volumen de proceso del biodigestor
TR = Tiempo de retención en días = 30 días
Sustituyendo los valores tenemos
Dias
LQ
30
2.775
Q = 25.84 L/ Día
- Cálculo de la Demanda Química de Oxígeno (DQO)
Con la finalidad de establecer el grado de conversión de la materia orgánica para la
obtención de metano y dióxido de carbono, se efectuaron pruebas para determinar la
Demanda Química de Oxígeno en la mezcla de alimentación y efluente de salida del
biodigestor, para ello:
Se realizaron cuatro pruebas de DQO a dos muestras obtenidas de la alimentación
del biodigestor y dos pruebas del efluente obtenido después de llevarse acabo la
biodigestión.
Estos cálculos se realizaron basados en la norma mexicana NMX-AA-030-SCFI-
2001. En el anexo 2 se puede observar la técnica con la cual se determina la demanda
química de oxigeno (DQO).
En la determinación de la demanda química de oxigeno, la muestra se debe diluir,
porque de lo contrario al agregarla concentrada, existe interferencia en la prueba y en ese
caso, debe repetirse tal como puede observarse en la figura 4 del anexo 2. Abajo se
muestran los resultados obtenidos con los análisis mencionados [18]
.
Para el cálculo de DQO se utilizó la Fórmula 2.3:
3
*800021
V
FdMVVDQO = mg de O2/ L ... (2.3)
Donde:
V1: es el volumen en ml gastados de Sulfato ferroso amoniacal heptahidratado (Fe
(NH4)2(SO4)2•7H2O) en la titulación del blanco (testigo)
V2: es el volumen en ml gastados de sulfato ferroso amoniacal en la titulación de la
muestra
V3: es el volumen de la muestra en ml
M: es la Conc. (Molaridad) de la solución de Fe (NH4)2(SO4) 2 *7H2O.
Fd: es el Factor de dilución utilizado en la valoración.
- 38 -
Sustituyendo los valores que se muestran en la tabla 4:
Tabla 4. Mililitros gastados en la valoración del DQO.
ENTRADA 1 ENTRADA 2 SALIDA 1 SALIDA 2
V1 7 ml 7 ml 7 ml 7 ml
V2 4.1 ml 4.2 ml 5.3 ml 5.5 ml
V3 12.5 ml 12.5 ml 12.5 ml 12.5 ml
M 0.25 ml 0.25 ml 0.25 ml 0.25 ml
Entradas:
5.12
10*800025.01.47DQO = 4640 mg de O2 /L ... (2.4)
5.12
10*800025.02.47DQO = 4480 mg de O2 /L ... (2.5)
Salidas:
5.12
10*800025.03.57DQO = 2720 mg de O2 /L ... (2.6)
5.12
10*800025.05.57DQO = 2400 mg de O2 /L ... (2.7)
Tabla. 5 Resultados de los análisis.
Prueba Alimentación (mg de O2/ L)
(DQO)
Descarga (mg de O2/ L)
(DQO)
1 4480 2720
2 4640 2400
- Cálculo Teórico de la producción de gas metano.
En teoría 1 Kg. De DQO produce 350 L de CH4 [6]
En virtud de que el periodo de retención es de 30 días, y el volumen máximo de proceso
es de 775.2 L, es necesario calcular el volumen de alimentación diaria (Q), por lo que:
Considerando los datos de volumen máximo de proceso V = 775.2 L y Tiempo de
Retención TR = 30 días, el flujo diario es de 25.84 litros diarios.
Considerando que la DQO consumida en la biodigestión = 2,000 mg DQO/L = 0.002 Kg.
DQO/L
- 39 -
Entonces, se puede calcular la producción diaria de metano (PCH4) utilizando la
alimentación diaria al biodigestor (Q) y la DQO consumida en la biodigestión, por lo que
se tiene que:
- Cálculo de la Producción Diaria de Metano
DQO/L Kg 0.002 * L 25.84 4PCH
De donde se tiene que:
PCH4 = 0.05168 Kg. DQO
De la relación teórica tenemos que:
PCH4 = 44 088.18
1
350 05168.0 CH
CH LDQOkg
LDQOkg
Lo que significa que:
PCH4 = 43 018.0 CHm
Considerando que la densidad del metano es
3 2.1tan mkg
omer
Entonces tenemos que la producción diaria de metano es:
PCH4 = Kgm
mkg 0216.0 2.1 018.0 3
3
de CH4
Como el tiempo de estabilización para estos tipos de reactores es de
aproximadamente de 45 a 60 días y con los datos aportado por el análisis de DQO, la
degradación de la materia orgánica corresponde aproximadamente al 50 % de eficiencia;
se determino tomar como tiempo de retención 30 días [6]
.
Los datos experimentales de temperatura y pH se pueden observar en el anexo 1,
en ellos se puede visualizar como el pH varia conforme transcurren los días y se va
estabilizando a neutro, es decir a un pH de 7.
La temperatura dentro del biodigestor se mantuvo en el rango establecido de 20 ºC
– 40 °C, o bien, de 30 ºC – 40 °C, tal como se puede observar en la tabla 2 y la grafica 1
que se muestran en el anexo 1.
- 40 -
Residuo generado en el proceso
El tipo de proceso que se utiliza en este proyecto es el Tratamiento Biológico
Anaerobio de Biogasificación (Biodigestión Anaerobia), el cual es seleccionado como
tratamiento para los Residuos Sólidos Orgánicos Urbanos por no tener problema con los
malos olores al ser un sistema cerrado y obtener como residuo orgánico líquido y sólido,
llamado biofertilizante que puede ser utilizado como nutriente para el campo y plantas.
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
Facultad de Ciencias Químicas
Elab. Claudia López Mendoza
Omar Anthelmo López Solís
Fig.2.1 Diagrama General
Coatzacoalcos, Ver. / Mayo, 2008
- 41 -
Tomando en cuenta que los Residuos Sólidos Orgánicos Urbanos son los que se muestran
en la tabla 6[16]
:
Tabla 6. Caracterización de Residuos Sólidos
Orgánicos Urbanos
Residuos alimenticios
Residuos de jardinería
Estiércol vacuno
- Mecanismo de reacción
A continuación se hace un análisis con respecto a un sistema completamente mezclado.
Un balance de materia bajo condiciones de estado continúo resultando la siguiente
relación.
V * dt
dS QS - QS e0
…(2.8)
Donde:
Q = flujo (Carga Hidráulica)
V = volumen de proceso del Biodigestor
S0 = influente, DQO
Se = efluente, DQO
t = tiempo de retención
Asumiendo dS/dt está en función del sustrato remanente de acuerdo a la cinética de
degradación de primer orden.
eVSXk dt
dS
…(2.9)
El resolviendo la siguiente relación:
e 0 kS
tX
SS
V
e
…(2.10)
Donde:
k = Constante de degradación
S0 = Concentración inicial del sustrato, mg/l
Se = Concentración del efluente, mg/l
Xv = Sólidos volátiles suspendidos, mg/l
k = Constante de la velocidad de reacción
t = tiempo de retención
- 42 -
Los sólidos volátiles son:
)1( bt
aSrXv …(2.11)
Donde:
Sr = Sustrato Removido mg/l (So-Se)
a, b = Constantes
Por lo que tenemos que el tiempo de Retención es:
)(
1
bakSet …(2.12)
Donde:
Se = Concentración del efluente en mg/l, promedio por la eficiencia
Xv = Sólidos volátiles suspendidos, mg/l [13]
k = Constante de la velocidad de reacción
t = tiempo de retención
a, b = constantes (Gráfica)
En la tabla 7. Valores necesarios para el cálculo del Tiempo de Retención:
Días So Se So-Se Xv So-Se/Xv So-Se/Xvt
1 4480 2720 1760 27500 0.064 0.016
30 4640 2400 2240 32000 0.07 0.00233
En las gráficas 1 y 2 se muestran los valores de la tabla 6, utilizadas para obtener los
valores de las constantes [6]
:
- 43 -
Grafica 1.
Gráfica 2.
m = 0.00021
k = 0.00019
a = 15.68
b = 0.003292
Se promedio = 1085
)(
1
bakSet …(2.13)
Sustituyendo: )003292.01085*00019.0*68.15(
1t
El Tiempo de Retención obtenido de los cálculos es de:
t = 0.309 días.
- 44 -
2.2.2 CRITERIOS ECONOMICOS
Costos de la inversión
En la inversión inicial se contemplan los aspectos siguientes.
Tabla 7. Costo total del biodigestor
DESCRIPCION COSTO
Construcción del biodigestor 7, 906.50
Base del biodigestor 742.50
Material de laboratorio. 851.00
Material Auxiliares 1,106.00
Mano de obra 3, 515.00
TOTAL $ 14, 121.00
Costos de Operación, Mantenimiento y Periodo de Vida Útil
El costo de operación y de mantenimiento son muy bajos, debido a que la materia
prima que se utiliza en el proceso es generada por residuos de animales, residuos de
vegetales y restos de jardinería, los cuales se colectan de manera sencilla, el
mantenimiento del reactor se realizará de forma mensual, debido a que nuestro tiempo de
retención es de 30 días en los que obtenemos productos y se verificarán las válvulas,
mangueras, conexiones y la bomba de alimentación. Teniendo así periodos de
mantenimiento, lo que proporcionará al biodigestor un mayor periodo de vida útil [5, 21, 23,
24]].
2.2.3 CRITERIOS SOCIALES
Participación Ciudadana y Nivel de Capacitación
La participación ciudadana consiste en la separación de la basura en orgánica e
inorgánica, considerando una capacitación a la ciudadanía en general, no solo en la
escuela, sino, en las comunidades y en nuestra propia casa. Dando a conocer también una
alternativa de generación de energía renovable y limpia la cual contribuye a la
conservación del medio ambiente, que es la Biodigestión Anaerobia.
En conclusión, la razón de elegir como parte de este proyecto a la biodigestión
anaerobia se debe a que es una tecnología que permite que se ofrezca un desarrollo
sustentable, debido a que:
Es una tecnología respetuosa del medio ambiente,
Ofrece un servicio para mejorar la calidad de vida,
Produce energéticos,
Ofrece nutrientes para el campo
Son ecológicamente viables pues no degradan el medio ambiente y satisfacen la
necesidad de eliminar los desechos ofreciendo una mejora en la calidad de vida
Son económicamente posibles en virtud de que el costo de instalación no es muy
alto.
- 45 -
Es importante definir que de las opciones que obtienen el máximo de provecho de
los mismos con el menor impacto ambiental, es el Tratamiento Biológico Anaerobio de
Biogasificación, por lo cual es seleccionado como tratamiento para los Residuos Sólidos
Orgánicos.
Antes de iniciar la operación rutinaria del tratamiento biológico, es necesario
inocular (introducirles) los Biodigestores con una mezcla homogénea de excremento de
animal (preferentemente vacuno) con agua en proporciones volumétricas de 1 a 1, con la
finalidad de obtener rápidamente los diferentes tipos de microorganismos que producirán
las reacciones hasta la obtención del biogás, venteando la primera presurización obtenida,
logrando con ello eliminar el aire contenido al iniciar la operación.
Para la operación rutinaria (diaria), la fracción orgánica, se mezcla con agua hasta
disminuirlos a un 30 % del total de la mezcla y después se homogeniza antes de entrar al
Tanque de Alimentación. Una vez que se tiene homogénea la mezcla en el tanque de
alimentación, se bombea por la tubería de entrada al digestor, vigilando el pH y la
temperatura de proceso, con la finalidad de garantizar que el proceso se cubra hasta la
generación de biogás en caso de tener variación de pH, es necesario alimentar RSOU al
digestor.
Con la finalidad de mantener una eficiencia adecuada, es importante que al menos 2
veces al mes se inocule en conjunto con los residuos orgánicos excremento de ganado, lo
que permite regenerar los microorganismos [5, 21, 23, 24]
.
- 46 -
CAPÍTULO III.
“COSTOS,
CONSTRUCCIÓN Y
OPERACIÓN DEL
BIODIGESTOR.”
- 47 -
3.1 EVALUACIÓN ECONÓMICA
Uno de los aspectos de vital importancia para que se establezca un proceso es su
viabilidad económica, por lo cual se realizo la cotización en diversas tiendas de la ciudad
de Coatzacoalcos, Ver. Obteniendo los precios que fueron más accesibles a nuestra
economía.
Entre los factores preponderantes que se deben contemplar es la inversión inicial,
para ello, se contemplan los aspectos siguientes.
- Construcción del biodigestor
En la tabla 1 Se muestra los materiales que se utilizan en la construcción del Biodigestor
y su costo correspondiente.
Tabla. 1. Materiales para la construcción del biodigestor
- Base del biodigestor.
En la tabla 2 se muestra la lista de los materiales que se utilizan para la construcción de la
base del Biodigestor y su costo correspondiente.
CANT. MATERIAL SUB-TOTAL ($)
1 Tramo de tubo hidráulico de 2” 120.00
2 Válvula de PVC de 2 ” 180.00
3 Válvula de PVC de 1/2 ” 51.00
2 Te de PVC de 1/2 ” 20.00
3 Codo de PVC de 90º de 1/2 ” 31.50
2 Copla hidráulico PVC de 1/2 “ 10.00
1 Reducción de 4 a 3 ” 17.00
2 Codos Hidráulicos de 2 “ 30.00
1 Solera 60.00
2 Codos galvanizados 90º * 2” 84.00
3 m Neopreno 630.00
2 m Manguera 110.00
2 Abrazaderas 30.00
1 Niple galvanizado de 2” 48.00
1 Adaptador hembra de 2” 7.00
1 Bomba sumergible 1 ½ HP 4,200.00
1 Tuerca unión de 2” 70.00
2 Pegamento para PVC 213.00
2 Lijas 15.00
25 Kg. Fibra de Vidrio 1,050.00
25Kg. Resina 900.00
3/8 gal. Catalizador 30.00
TOTAL $ 7,906.50
- 48 -
Tabla 2. Materiales para construcción de la Base del Biodigestor
CANT. MATERIAL SUB-TOTAL ($)
2 Cemento 180.00
1 Armex 85.00
1 m3 Gravilla 160.00
1 m3 Grava 250.00
15 Ladrillo
hueco
67.50
TOTAL $ 742.50
- Material de Laboratorio
Para efectuar las pruebas de D.Q.O a las muestra de la carga de la alimentación del equipo
y posteriormente realizar las pruebas de D.Q.O del producto saliente del mismo se
utilizan reactivos.
En la tabla 3. Muestran los reactivos requeridos, con su costo correspondiente.
Tabla. 3. Material requerido para los análisis.
CANT. MATERIAL SUB-TOTAL ($)
1 L Acido sulfúrico Concentrado 287.00
250 g Dicromato de potasio 277.00
250 g. Sulfato ferroso amoniacal 287.00
TOTAL $ 851.00
- Materiales e instrumentos auxiliares.
Para el desarrollo de las pruebas, es necesario contar con el equipo y material que
se detalla en la tabla 4, con su costo correspondiente
Tabla 4. Materiales e instrumentos auxiliares para las pruebas
CANT. MATERIAL/INSTRUMENTO SUB-TOTAL ($)
1. Termómetro digital 180.00
1 pHmetro digital 600.00
2 pza. Pares de guantes de hule 60.00
1 Caja de tiras indicadoras de pH 219.00
1 Manguera de látex 17.00
1 Cámara de hule 30.00
TOTAL $ 1,106.00
- Mano de Obra
Para la construcción del biodigestor y la base es necesario emplear la mano de obra
calificada que se detalla en la tabla 5, con su costo correspondiente.
- 49 -
Tabla 5. Mano de obra especializada
CANT. ACTIVIDAD COSTO
1 Albañil 450.00
1 Fibrero 3,605.00
TOTAL $ 3,515.00
- Costo total
La inversión inicial para este tipo de equipos, se detalla en la tabla 6
Tabla 6. Costo total del biodigestor
DESCRIPCION COSTO
Construcción del biodigestor 7, 906.50
Base del biodigestor 742.50
Material de laboratorio. 851.00
Material Auxiliares 1,106.00
Mano de obra 3, 515.00
TOTAL $ 14, 121.00
3.2 CONSTRUCCIÓN DEL BIODIGESTOR.
Para mejor ilustración, la construcción del biodigestor se establece en las figuras
que muestran, su base de concreto en la que esta fijado que se puede observar en la figura
1, como además el cuerpo de biodigestor y el fondo recubierto con fibra de vidrio como
se puede ver el la figura 2 y figura 3 que posteriormente se le adicionó un recubrimiento
epóxico para sellar todo el cuerpo del biodigestor como se puede apreciar en la figura 6 y
7, en la figura 4 se puede observar la brida de fibra de vidrio la cual va a sujetar el
neopreno que se muestra en la figura 5, en la figura 6 se muestra la bomba con la cual se
introducía la materia orgánica al biodigestor, posteriormente se le hizo una prueba
hidrostática para verificar que no tuviera fugas.
- 50 -
El biodigestor está sobre una base de concreto, la cual fue hecha para soportar el
peso del biodigestor, además cuenta con cuatro pilares en la parte superior de ella para
evitar que el biodigestor se moviera por cuestiones de seguridad.
Figura 1. Base del biodigestor.
Figura 2.Cuerpo del biodigestor recubierto con cuatro capas de fibra de vidrio.
- 51 -
En la construcción del biodigestor, para sellarlo en la parte inferior se le colocó una
lámina de fierro recubierta con fibra de vidrio y en la parte superior se le hizo al tanque
una adaptación en forma de brida para colocarle un sello de neopreno que funciona como
una cúpula, lo que significa que con base en su construcción es un biodigestor de cúpula
fija y trabajara a temperatura ambiente. Toda la tubería usada en el biodigestor es de PVC
hidráulico.
Figura 3.Tapa del fondo del biodigestor, fabricada con una placa de fierro
recubierta con fibra de vidrio.
Figura 4. Brida del biodigestor hecha con fibra de vidrio y recubierta con pintura
epóxica.
- 52 -
Figura 5. Neopreno, utilizado como cúpula.
Figura 6. Biodigestor recubierto en la parte interior con un recubrimiento epóxico.
- 53 -
Como se puede ver en la figura 7, el biodigestor cuenta con una malla de PVC en su
interior, con extensiones de tubería en forma media caña de 1.60 metros de longitud, cada
vez que se alimenta carga de materia orgánica ésta realiza la función de homogenizar la
materia orgánica degradada y la materia fresca. Se tomó la decisión de poner esta malla
debido al alto costo y colocación del equipo de agitación.
Figura 7. Malla hecha en PVC en media caña, para ayudar a homogenizar la carga
al biodigestor.
Figura 8. Bomba trituradora sumergible
- 54 -
Figura 9. Prueba hidrostática realizada al biodigestor. La cual resultó satisfactoria,
al no presentar fugas.
- 55 -
3.3 PUESTA EN OPERACIÓN.
En la figura 10 se muestran los componentes del biodigestor, considerando la
nomenclatura asignada a los diversos accesorios, tomando en consideración dicha
nomenclatura, durante la operación de alimentación al biodigestor, se efectúan las
operaciones siguientes:
1. Verificar que estén cerradas las válvulas V-2, V-3,V4 y V-5
2. Preparar la mezcla de alimentación, diluyendo la materia orgánica en relación 1:3
de agua, además verificar que la mezcla de la carga sea homogénea.
3. Sumergir la bomba en la mezcla.
4. Abrir la válvula V-1.
5. Conectar al suministro de energía eléctrica la bomba.
6. Verificar que se alimenta hasta que el volumen de carga descienda al nivel
seleccionado.
7. Una vez alimentado el biodigestor, Des-energizar la bomba B-1.
8. Cerrar la Válvula V-1.
9. Enjuagar y lavar todo el equipo utilizado.
Una vez que se llevó a cabo la alimentación del biodigestor, se verifican las variables
pH y temperatura para corroborar su correcto funcionamiento a lo largo de días, tiempo
en el cual se lleva a cabo la biodigestión, de acuerdo a lo establecido en cálculos
anteriores del Tiempo de retención.
Las variables importantes que se necesitan verificar es el pH y la temperatura, para
lo cual se toman muestras diariamente (de la válvula de toma de muestra V-4) antes de
cada alimentación y se realizan las siguientes operaciones:
1. Se calibra el pHmetro con las tres soluciones reguladoras: la de pH 4, la de pH 7 y
por último la de pH 10 y se utiliza un termómetro con un rango de temperatura de
-10°C a 150°C
2. Se obtiene la muestra, tomándola de la válvula V-4, en un vaso de precipitados de
50 ml.
3. Se procede a tomar el pH y la temperatura de la muestra.
4. Lavar el pHmetro y el termómetro con agua destilada y dejar sumergido en una
solución neutra el pH-metro.
- 56 -
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
Facultad de Ciencias Químicas
Elab. Claudia López Mendoza
Omar Anthelmo López Solís
Fig. 10 Diagrama del Biodigestor
Coatzacoalcos, Ver. / Marzo, 2008
- 57 -
CONCLUSIONES Y
RECOMENDACIONES:
- 58 -
Acorde con las perspectivas que se presentan durante el desarrollo del trabajo de
investigación, se llega las conclusiones siguientes:
La construcción de biodigestor puede ser una alternativa muy importante para
desarrollarlas en zonas rurales, ya que el gas producido puede ser utilizado en la
cocción de los alimentos para dichas zonas, como también el aprovechamiento
del biofertilizante para plantas.
Los cálculos para el diseño del biodigestor, se realizaron en base a los materiales
que ya se tenían.
En las muestras tomadas al biodigestor en los resultados se pueden ver que el
funcionamiento del biodigestor es favorable.
El uso de biodigestores anaerobios para el tratamiento de la parte orgánica de los
residuos sólidos municipales, es una alternativa que permite eliminar la
problemática que estos representan, proyectándolos como una oportunidad para la
obtención de energético y nutrientes naturales para el campo.
La utilización de biodigestores anaerobios para el tratamiento de la parte orgánica
de los residuos sólidos municipales permite procesos sostenibles y sustentables.
Considerando los resultados obtenidos durante el proyecto de investigación, se pueden
establecer las Recomendaciones siguientes:
Utilizar biodigestores anaerobios para el tratamiento tanto de las aguas residuales
como la parte orgánica de los residuos sólidos de los diversos municipios; así
como el estiércol de los diversos hatos ganaderos enclavados en los mismos.
Utilizar los nutrientes tanto líquido como sólido obtenidos de los tratamientos de
los diversos residuos orgánicos directamente en los cultivos de las comunidades
donde se establezcan los biodigestores.
Las pruebas de DQO deben realizarse en periodos definidos durante el proceso e
la producción del biogás en el biodigestor.
Para realizar las pruebas de DQO se debe de tener bastante cuidado, porque en
esta técnica se manipulan reactivos que ser muy tóxicos y peligrosos para la salud.
Verificar que se cuenten con todos los reactivos para la realización de las pruebas
de DQO.
El pHmetro se debe calibrar antes de usarse con las tres soluciones reguladoras de
pH, como son la de 4, la de 7, y la de 10.
- 59 -
BIBLIOGRAFÍA
1. Arabo, F. Fundamentos de tecnología ambiental, S.A.P.T Publicaciones Técnicas.
Madrid. 2000.
2. Campos Pozuelo E. Optimización de la digestión anaerobia de purines de cerdo
mediante codigestión con residuos orgánicos de la industria agroalimentaria.
Universitat de Lleida. 2001.
3. Conama. Manual práctico de compostaje. Comisión Nacional de Medio Ambiente
de Chile. 2002
4. Cortinas Cristina. Minimización y manejo ambiental de los residuos sólidos.
Secretaría de Medio Ambiente, Recursos naturales y pesca; Instituto Nacional de
Ecología; Dirección General de Materiales, Residuos y Actividades Riesgosas.
5. D.C. Cristina. Situación de los residuos sólidos en México. 2004
6. Eckenfelder. Water Pollution Control. 1970.
7. Esquivel, M. Tendencia en el reciclado de papel, cartón y vidrio. In II Taller
Internacional Reciclaje, en Conferencia Metánica 99. Editora del Palacio de las
Convenciones de Cuba. Cuba. 1999
8. Fernández V. G. Inhibidores del proceso anaerobio: compuestos utilizados en
porcicultura. División de Estudios de Posgrado, Facultad de Ingeniería, UNAM.
México.
9. Frioni Lillian. Procesos Microbianos. De la fundación Universidad Nacional de Rio
Cuarto. Argentina.1999.
10. Focer. Manuales sobre energía renovable. Biomasa. Costa Rica.2002
11. González, N. El reciclaje una alternativa económica y ambiental. In II Taller
Internacional Reciclaje, en Conferencia Metánica 99. Editora del Palacio de las
Convenciones de Cuba. Cuba. 1999.
12. Hilbert A. Manual para la producción de biogás. Instituto de Ingeniería Rural.
INTA Castelar
13. Mandujano Sánchez P. Digestión Anaerobia de Sólidos en alta concentración.
Universidad Politécnica de Madrid, España. 2001
14. Medina Roos J. Guía para la Gestión Integral de los Residuos Sólidos Municipales.
México, D.F. 2001
- 60 -
15. Saavedra M. Biogás. Universidad Técnica Federico Santa María sede Viña del
Mar. 1999.
16. Sánchez P. La biomasa y la energía. México.2006
17. Sccenna J. Modelao, Simulación y Optimización de Procesos Químicos.1999
18. Secretaria de Economía. Norma Mexicana NMX-AA-030-SCFI-2001.
http://www.economia-nmx.gob.mx
19. Secretaria de Energías Renovables. Energía Biomasa. México. 2004
20. SEDESOL, S.D.D.S., Proyecto de Residuos Sólidos y Estudios de Impacto
Ambiental en Zamora-Jacona., Gobierno Federal Mexicano: Zamora, Mich.
México. 2001.
21. Segovia. Usos de la basura, In el Sol de México. México, D,F. 2002
22. Tecnología sostenible para la gestión de residuos en Ventanilla (Lima).
Aprovechamiento energético del biogás.
23. Wehenpohl Gunter. Consultoría de la GTZ, SERMANAT, guía para la elaboración
de programas municipales para la prevención y gestión integral de los residuos
sólidos urbanos. México, D,F. 2002
24. Wilson R. Lastet trends in anaerobic digestion in North America. Biocycle energy.
2004
REFERENCIAS WEB.
25. http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/jaimefa/jaimecuevas/clase8.pdf
26. http://www.unsa.edu.ar/matbib/ebiomasa.pdf
ANEXO 1
DATOS
EXPERIMENTALES
PRUEBAS Y RESULTADOS DE ANALISIS
Se realizaron cuatro pruebas de DQO a dos muestras obtenidas de la alimentación
del biodigestor y dos pruebas del efluente obtenido después de llevarse acabo la digestión.
Los resultados se dan en la Tabla 1
Tabla 1 Resultados de los análisis.
Prueba Alimentación (mg de O2/ L)
DQO
Descarga (mg de O2/ L)
DQO
1 4480 2720
2 4640 2400
Los datos presentados en la tabla 1 se obtuvieron bajo las siguientes condiciones:
La medición de pH se hizo con un pHmetro portátil, en la Tabla 2. Se presentan los
valores de las temperaturas y pH tomados durante la biodegradación de la materia
orgánica en el Biodigestor.
Tabla 2. Resultados de los análisis.
Dia No. Tamperatura °C pH
1 31 7
2 37 7
3 33 7
4 36 7
5 31 6.8
6 33 6.8
7 32 6.5
8 31 6.5
9 32 7.3
10 33 7.2
11 31 7.2
12 34 7.1
13 31 7
14 32 7
15 32 7
16 33 7
17 33 7
18 34 6.8
19 32 6.8
20 33 6.5
21 34 7
22 33 7
23 35 7
24 34 7
25 35 6.8
26 32 6.5
27 35 6.5
28 35 6.9
29 36 7
30 34 7
Grafica 1. Se muestra la Temperatura en el interior del biodigestor con
respecto a los días de biodigestión
Grafica 2. Se muestra el pH en el interior del biodigestor con respecto a los
días de biodigestión
La medición de los componentes se realizó recolectando muestras en una cámara de
polietileno totalmente herméticamente en período de tres días, para posteriormente
realizar un análisis cromatográfico.
Tabla 3. Resultados de la composición del biogás del primer muestreo.
Componentes Fracción mol % mol
CH4 0.32 32
CO2 0.07 07
O2 0.11 11
N2 0.50 50
Gráfica 4. Composición del biogás en el primer muestreo.
0
20
40
60
80
100
CH4 CO2 O2 N2
Componentes
% mol
% mol
Tabla 4. Resultados de la composición del biogás en el segundo muestreo.
Componentes Fracción mol % mol
CH4 0.45 45
CO2 0.36 36
CO 0.01 01
O2 0.03 03
N2 0.13 13
Gráfica 5. Composición del biogás en el segundo muestreo muestreo.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
CH4 CO2 CO O2 N2
Componentes
% mol
% mol
Tabla 5. Resultados de la composición del biogás en el tercer muestreo
Componentes Fracción mol % mol
CH4 0.56 56
CO2 0.34 34
N2 0.10 10
O2 0.02 02
Gráfica 6. Composición del biogás en el tercer muestreo muestreo.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
CH4 CO2 N2 O2
Componentes
% mol
% mol
Se puede observar en los resultados de los análisis en los diferentes muestreos que
se le realizo al biodigestor, que no hay presencias de sulfuro de hidrogeno en el biogás, lo
que significa que el filtro para purificarlo funciona correctamente.
ANEXO 2
NMX-AA-030-SCFI-2001
NMX-AA-030-SCFI-2001
ANÁLISIS DE AGUA - DETERMINACIÓN DE LA DEMANDA
QUÍMICA DE OXÍGENO EN AGUAS NATURALES, RESIDUALES
Y RESIDUALES TRATADAS - MÉTODO DE PRUEBA (CANCELA
A LA NMX-AA-030-1981)
INTRODUCCIÓN
Se entiende por demanda química de oxígeno (DQO), la cantidad de materia
orgánica e inorgánica en un cuerpo de agua susceptible de ser oxidada por un oxidante
fuerte.
El método que involucra el uso de dicromato es preferible sobre procedimientos
que utilizan otros oxidantes debido a su mayor potencial redox y su aplicabilidad a una
gran variedad de muestras.
Se describen dos métodos para la determinación de DQO con dicromato. El
método a reflujo abierto es conveniente para aguas residuales en donde se requiera utilizar
grandes cantidades de muestra. El método a reflujo cerrado es más económico en cuanto
al uso de reactivos, pero requiere una mayor homogeneización de las muestras que
contienen sólidos suspendidos para obtener resultados reproducibles.
1 OBJETIVO Y CAMPO DE APLICACIÓN
Esta norma mexicana especifica dos métodos para la determinación de la demanda
química de oxígeno en aguas naturales, residuales y residuales tratadas.
2 PRINCIPIO DEL MÉTODO
Una gran cantidad de compuestos orgánicos e inorgánicos son oxidados con una
mezcla de ácido crómico y sulfúrico a ebullición. La muestra se coloca a reflujo en una
disolución de ácido fuerte con un exceso conocido de dicromato de potasio (K2Cr2O7).
Después de la digestión, el dicromato no reducido se mide por titulación o
espectrofotométricamente para determinar la cantidad de dicromato consumido y calcular
la materia oxidable en términos de oxígeno equivalente.
3 DEFINICIONES
Para los propósitos de esta norma se establecen las siguientes definiciones:
3.1 Aguas naturales
Se define como agua natural el agua cruda, subterránea, de lluvia, de tormenta, residual y
superficial.
3.2 Aguas residuales
Las aguas de composición variada provenientes de las descargas de usos municipales,
industriales, comerciales, agrícolas, pecuarios, domésticos y similares, así como la mezcla
de ellas.
3.3 Bitácora
Cuaderno de laboratorio debidamente foliado e identificado, en el cual los analistas
anotan todos los datos de los procedimientos que siguen en el análisis de una muestra, así
como todas las informaciones pertinentes y relevantes a su trabajo en el laboratorio. Es a
partir de dichas bitácoras que los inspectores pueden reconstruir el proceso de análisis de
una muestra tiempo después de que se lleva a cabo.
3.4 Blanco analítico o de reactivos
Agua reactivo o matriz equivalente que no contiene, por adición deliberada, la presencia
de ningún analito o sustancia por determinar, pero que contiene los mismos disolventes,
reactivos y se somete al mismo procedimiento analítico que la muestra problema.
3.5 Calibración
Conjunto de operaciones que establecen, bajo condiciones específicas, la relación entre
los valores de una magnitud indicados por un instrumento o sistema de medición, o los
valores representados por una medida materializada y los valores correspondientes de la
magnitud, realizados por los patrones, efectuando una corrección del instrumento de
medición para llevarlo a las condiciones iniciales de funcionamiento.
3.6 Descarga
Acción de verter, infiltrar o depositar o inyectar aguas residuales a un cuerpo receptor en
forma continua, intermitente o fortuita, cuando éste es un bien del dominio público de la
Nación.
3.7 Desviación estándar experimental
Para una serie de n mediciones del mismo mensurando, es la magnitud s que caracteriza la
dispersión de los resultados, dado por la siguiente fórmula:
1
)(1
21
n
xxn
i
En donde xi es el resultado de la i-ésima medición y x es la media aritmética de los n
resultados considerados.
3.8 Disolución estándar
Disolución de concentración conocida preparada a partir de un patrón primario.
3.9 Disolución madre
Corresponde a la disolución de máxima concentración en un análisis. Es a partir de esta
disolución que se preparan las disoluciones de trabajo.
3.10 Material de referencia
Material o sustancia en el cual uno o más valores de sus propiedades son suficientemente
homogéneas y bien definidas, para ser utilizadas para la calibración de aparatos, la
evaluación de un método de medición, o para asignar valores a los materiales.
3.11 Material de referencia certificado
Material de referencia, acompañado de un certificado, en el cual uno o más valores de las
propiedades están certificados por un procedimiento que establece la trazabilidad a una
realización exacta de la unidad en la cual se expresan los valores de la propiedad, y en el
que cada valor certificado se acompaña de una incertidumbre con un nivel declarado de
confianza.
3.12 Medición
Conjunto de operaciones que tiene por objeto determinar el valor de una magnitud.
3.13 Mensurando
Magnitud particular sujeta a medición.
3.14 Muestra compuesta
La que resulta de mezclar un número de muestras simples. Para conformar la muestra
compuesta, el volumen de cada una de las muestras simples debe ser proporcional al
caudal de la descarga en el momento de su toma.
3.15 Muestra simple
La que se tome en el punto de descarga, de manera continua, en día normal de operación
que refleje cuantitativa y cualitativamente él o los procesos más representativos de las
actividades que generan la descarga, durante el tiempo necesario para completar cuando
menos, un volumen suficiente para que se lleven a cabo los análisis necesarios para
conocer su composición, aforando el caudal descargado en el sitio y en el momento de
muestreo.
3.16 Parámetro
Variable que se utiliza como referencia para determinar la calidad del agua.
3.17 Patrón (de medición)
Material de referencia, instrumento de medición, medida materializada o sistema de
medición destinado a definir, realizar, conservar o reproducir una unidad o uno o más
valores de una magnitud para utilizarse como referencia.
3.18 Patrón de referencia
Patrón, en general de la más alta calidad metrológica disponible en un lugar dado, o en
una organización determinada, del cual se derivan las mediciones realizadas en dicho
lugar.
3.19 Patrón de trabajo
Patrón que es usado rutinariamente para calibrar o controlar las medidas materializadas,
instrumentos de medición o los materiales de referencia.
3.20 Patrón nacional (de medición)
Patrón reconocido por una decisión nacional en un país, que sirve de base para asignar
valores a otros patrones de la magnitud concerniente.
3.21 Patrón primario
Patrón que es designado o reconocido ampliamente como un patrón que tiene las más
altas cualidades metrológicas y cuyo valor es aceptado sin referencia a otros patrones de
la misma magnitud.
3.22 Patrón secundario
Patrón cuyo valor es establecido por comparación con un patrón primario de la misma
magnitud.
3.23 Precisión
Es el grado de concordancia entre resultados analíticos individuales cuando el
procedimiento analítico se aplica repetidamente a diferentes alícuotas o porciones de una
muestra homogénea. Usualmente se expresa en términos del intervalo de confianza o
incertidumbre:
ntxx a 2/
En donde:
x es la media calculada a partir de un mínimo de tres mediciones independientes;
t á/2 es el valor de la t de Student para un nivel de significancia del 95 %;
s es la desviación estándar de la muestra;
n es el número de réplicas, y
x es el resultado que incluye el intervalo de confianza.
3.24 Trazabilidad
Propiedad del resultado de una medición o del valor de un patrón por la cual pueda ser
relacionado a referencias determinadas, generalmente patrones nacionales o
internacionales, por medio de una cadena ininterrumpida de comparaciones teniendo
todas las incertidumbres determinadas.
3.25 Verificación de la calibración
Una verificación periódica de que no han cambiado las condiciones del instrumento en
una forma significativa.
4 REACTIVOS Y PATRONES
Todos los productos químicos usados en este método deben ser grado reactivo, a menos
que se indique otro grado.
4.1 Método reflujo abierto / método de titulación
4.1.1 Dicromato de potasio (K2Cr2O7)
4.1.2 Sulfato ferroso amoniacal heptahidratado (Fe (NH4)2(SO4)2•7H2O)
4.1.3 Ácido sulfúrico concentrado (H2SO4)
4.1.4 Sulfato de plata (Ag2SO4)
4.1.5 1,10 fenantrolina (C12H8N2)
4.1.6 Sulfato mercúrico (HgSO4)
4.1.7 Biftalato de potasio patrón primario (HOOCC6H4COOK)
4.1.8 Sulfato ferroso heptahidratado (FeSO4•7 H2O)
4.1.9 Disolución estándar de dicromato de potasio (para concentraciones altas),
(0,041 7 M). Pesar aproximadamente y con precisión 3.065 gr. De dicromato de potasio
(ver inciso 4.2.1) previamente secado durante 2 hrs. A 105°C ± 1°C, disolver y aforar a
250 mL con agua y homogeneizar.
4.1.10 Disolución de sulfato ferroso amoniacal (0.25 M); disolver en aproximadamente
400 mL de agua aproximadamente 49.0 gr de sulfato ferroso amoniacal heptahidratado
(ver inciso 4.1.2), agregar cuidadosamente 10 mL de ácido sulfúrico concentrado (ver
inciso 4.1.3), enfriar, llevar a 500 mL con agua y homogeneizar.
4.1.11 Normalización de la disolución de sulfato ferroso amoniacal (0,25 M) (ver inciso
4.1.10). Tomar una alícuota de 2.5 mL de la disolución estándar de dicromato de potasio
0,041 7 M (ver inciso 4.2.9). Diluir con agua hasta 25 mL, agregar cuidadosamente 7.25
mL de ácido sulfúrico concentrado (ver inciso 4.2.3) y homogeneizar, enfriar y valorar
con la disolución de sulfato ferroso amoniacal 0,25 M (ver inciso 4.1.10), utilizando 1
gotas de 1,10-fenantrolina (ver inciso 4.1.14) como indicador, hasta el cambio de color de
azul verdoso a café rojizo. Esta disolución debe normalizarse cada vez que se utilice.
MOLARIDAD DEL SULFATO FERROSO AMONIACAL
mL n, valoraciólaen utilizadosSFA deVolumen
M 0.25 * M) (0.0417 K de utilizadoVolumen 722 OCr
4.1.12 Disolución de ácido sulfúrico-sulfato de plata. Disolver cristales o polvo de sulfato
de plata (ver inciso 4.2.4), en ácido sulfúrico concentrado (ver inciso 4.1.3) en una
relación 2.53 gr. Ag2SO4 en 250 mL de acido sulfúrico. Se requieren de 1 a 2 días para
que se disuelva completamente el sulfato de plata.
4.1.13 Disolución indicadora de 1,10-fenantrolina. Pesar aproximadamente y con
precisión 0.372 g de 1,10-fenantrolina (ver inciso 4.2.5) y aproximadamente 0.174 gr de
sulfato ferroso heptahidratado (ver inciso 4.2.8), diluir y aforar a 25 mL con agua y
homogeneizar.
5 EQUIPO Y MATERIALES
5.1 Método de reflujo abierto / método de titulación
5.1.1 Equipo
5.1.1.1 Equipo de destilación con parrilla de calentamiento que asegure la ebullición del
contenido del matraz de reflujo y condensadores tipo Friedrich, con mangueras.
5.1.2 Material
Todo el material volumétrico utilizado en este método debe ser de clase A con certificado,
o en su caso debe estar calibrado.
5.1.2.1 Bureta
6 RECOLECCIÓN, PRESERVACIÓN Y ALMACENAMIENTO DE MUESTRAS
6.1 La muestra se debe analizar inmediatamente después de su toma, en caso contrario
debe conservarse en refrigeración a 4°C, además de la adición de ácido sulfúrico hasta pH
< 2.
6.2 El tiempo máximo de almacenamiento previo al análisis es de 28 días.
7 CONTROL DE CALIDAD
7.1 Cada laboratorio que utilice este método debe operar un programa de control de
calidad (CC) formal.
7.2 El laboratorio debe mantener los siguientes registros:
- Los nombres y títulos de los analistas que ejecutan los análisis y el encargado de control
de calidad que verifica los análisis, y las bitácoras manuscritas del analista y del equipo en
los que se contengan los siguientes datos:
a) Identificación de la muestra;
b) Fecha del análisis;
c) Procedimiento cronológico utilizado;
d) Cantidad de muestra utilizada;
e) Número de muestras de control de calidad analizadas;
f) Trazabilidad de las calibraciones de los instrumentos de medición;
g) Evidencia de la aceptación o rechazo de los resultados, y
h) Además el laboratorio debe mantener la información original reportada por los equipos
en disquetes o en otros respaldos de información.
De tal forma que permita a un evaluador externo reconstruir cada determinación mediante
el seguimiento de la información desde la recepción de la muestra hasta el resultado final.
7.3 Cada vez que se adquiera nuevo material volumétrico debe de realizarse la
verificación de la calibración de éste tomando una muestra representativa del lote
adquirido.
8 CALIBRACIÓN
Se debe contar con la calibración de los equipos y materiales siguientes:
8.1 Material volumétrico
8.2 Balanza analítica
9 PROCEDIMIENTO
9.1 Método de reflujo abierto / método de titulación
9.1.1 Para niveles mayores de 50 mg/L de demanda química de oxígeno:
9.1.1.1 Transferir una muestra de 12.5 mL (o dilución) al matraz Erlenmeyer de 125 mL.
Agregar una cantidad adecuada de sulfato mercúrico (ver inciso 4.2.6) (aproximadamente
0.25 gr, la relación de sulfato mercúrico/cloruros debe ser 10 a 1) y algunas perlas de
vidrio. Adicionar una alícuota de 6.25 mL de la disolución estándar de dicromato de
potasio 0,0417 M (ver inciso 4.2.9) y mezclar mediante un movimiento circular. Se
pueden utilizar cantidades menores de muestra conservando la proporción de los
reactivos.
9.1.1.2 Conectar el matraz erlenmeyer al condensador tipo Friedrich y hacer circular el
agua de enfriamiento.
9.1.1.3 Por el extremo superior del condensador agregar lentamente 18.75 mL de la
disolución de ácido sulfúrico-sulfato de plata (ver inciso 4.2.14) y agitar con movimiento
circular para homogeneizar.
9.1.1.4 Calentar el matraz que contiene la mezcla y mantener a reflujo durante 2 h a partir
del momento en que empieza la ebullición. Dejar enfriar y lavar el condensador con 25
mL de agua.
9.1.1.5 Añadir agua por el extremo superior del condensador hasta completar un volumen
aproximado de 75 mL, retirar el matraz del condensador y enfriar a temperatura ambiente.
9.1.1.6 Agregar 3 gotas de disolución Indicadora de 1,10 fenantrolina (ver inciso 4.2.15)
como indicador y titular con la disolución de sulfato ferroso amoniacal 0.25 M (ver inciso
4.2.11). Tomar como punto final el primer cambio de color de azul verdoso a café rojizo.
9.1.1.7 Llevar simultáneamente un testigo preparado con agua y todos los reactivos que se
utilizan en el procedimiento.
10 CÁLCULOS
10.2 Método de reflujo abierto / método de titulación
10.2.1 La demanda química de oxígeno, expresada en mg O2 /L, se calcula con la
ecuación 2.
3
21 8000
V
MVVDQO Ecuación 2
Donde:
V1: es el volumen en mL de la disolución de sulfato ferroso amoniacal requerido para la
valoración del testigo:
V2: es el volumen en mL de la disolución de sulfato ferroso amoniacal requerido para la
valoración de la muestra;
V3: es el volumen en mL de la muestra, y M es la molaridad de la disolución de sulfato
ferroso amoniacal utilizada en la determinación.
11 INTERFERENCIAS
11.1 El método no oxida uniformemente todos los materiales orgánicos. Algunos
compuestos son muy resistentes a la oxidación, mientras que otros tales como los
carbohidratos son fácilmente oxidables.
11.2 Los compuestos alifáticos volátiles de cadena abierta no se oxidan.
12 SEGURIDAD
12.1 No ha sido determinada la carcinogenicidad de todos los reactivos, por lo que cada
sustancia química debe tratarse como peligro potencial a la salud. La exposición a estas
sustancias debe reducirse al menor nivel posible. Se sugiere que el laboratorio realice
inspecciones de higiene ocupacional de cada reactivo a los que pueda estar expuesto el
analista y que dichos resultados estén a su disposición.
12.2 Este método puede no mencionar todas las precauciones de seguridad asociadas con
su uso. El laboratorio es responsable de mantener un ambiente de trabajo seguro y un
archivo de las normas de seguridad respecto a la exposición y manejo seguro de las
sustancias químicas especificadas en éste método. Debe tenerse en un archivo de
referencia las hojas de información de seguridad, el cual debe estar disponible a todo el
personal involucrado en estos análisis.
12.3 Cuando se trabaje con cualquiera de los compuestos químicos descritos en este
método, debe usar todo el tiempo equipo de seguridad, tal como: batas, guantes de látex y
lentes de seguridad.
12.4 La preparación de todos los reactivos usados en este método debe efectuarse bajo
una campana de extracción. Consulte las hojas de seguridad sobre manipulación y
disposición de éstos.
12.5 El ácido sulfúrico es un compuesto químico debe manejarse con extremo cuidado. El
adicionar ácido sulfúrico concentrado al agua produce una fuerte reacción exotérmica por
lo cual esto debe realizarse muy lentamente con agitación y enfriamiento externo.
12.6 Cuando se adiciona ácido sulfúrico al agua el punto de ebullición de la mezcla
resultante es considerablemente mas bajo que el del ácido sulfúrico solo (338ºC). Si la
mezcla se coloca en la parrilla de digestión a una temperatura significativamente alta,
pueden presentarse problemas de proyecciones dando como resultado la pérdida de
muestra y contaminación además de posibles daños corporales. Siempre debe usarse una
careta mientras se trabaje en las proximidades de la parrilla de digestión, especialmente
durante el monitoreo de ésta.
12.7 El sulfato de plata es tóxico, evitar el contacto con el producto así como con sus
disoluciones.
12.8 El sulfato mercúrico es muy tóxico, evitar el contacto con los productos químicos así
como con sus disoluciones.
13 MANEJO DE RESIDUOS
Es la responsabilidad del laboratorio cumplir con todos los reglamentos federales,
estatales y locales referentes al manejo de residuos, particularmente las reglas de
identificación, almacenamiento y disposición de residuos peligrosos.
13.1 Desecho de residuos
13.1.1 Para los residuos de mercurio, diluir todo el residuo ácido en aproximadamente dos
veces su volumen original.
13.1.2 Ajustar el pH a un valor mayor de 7 adicionando lentamente disolución de
hidróxido de sodio (40 % a 50 %, peso/volumen) con agitación, pudiendo también
combinar este residuo con desechos alcalinos. Los residuos combinados deben tener un
pH de 10 o mayor; en caso contrario, agregar hidróxido de sodio hasta que el pH alcance
un valor de 10 a 11.
13.1.3 Agitar con pequeñas cantidades de disolución de tiosulfato de sodio (40 % a 50 %
peso/volumen) mientras el residuo alcalino está aún tibio y hasta que no ocurra ninguna
precipitación.
13.1.4 Dejar que sedimente el precipitado y drenar unos cuantos mililitros de la disolución
sobrenadante asegurando que el pH esté aún arriba de 10, adicionar un volumen igual de
disolución de tiosulfato de sodio. Si el sobrenadante aún contiene mercurio disuelto, se
forma rápidamente un precipitado, indicando que debe adicionarse más tiosulfato de
sodio.
13.1.5 Decantar o sifonear el sobrenadante y descartar después que el precipitado se ha
sedimentado.
13.1.6 Lavar el precipitado dos veces con agua que contenga trazas de hidróxido de sodio,
dejar sedimentar y descartar los lavados.
13.1.7 Secar el precipitado, primero con aire y después en una estufa a temperatura no
mayor de 110ºC.
13.1.8 Almacenar los sólidos secos hasta que haya una cantidad suficiente acumulada
para justificar el envío a algún sitio de reproceso. El mercurio metálico y los desechos
organomercuriales deben almacenarse en contenedores herméticos hasta su reproceso
comercial.
13.2 Cada laboratorio debe contemplar dentro de su programa de Control de Calidad (CC)
el destino final de los residuos generados durante la determinación.
13.3 Todas las muestras que cumplan con la norma de descarga al sistema de
alcantarillado pueden ser descargadas en el mismo.
14. FOTOGRAFÍAS DEL EQUIPO UTILIZADO.
Figura 1. Condensador tipo Friedrich
Figura 2. Equipo utilizado para la determinación de la demanda química de oxigeno.
Figura 3. Determinación del blanco.
Figura 4. Vire intermedio verde
Figura 5. Vire final café- rojizo.
ANEXO 3
HOJAS DE SEGURIDAD
HOJA DE SEGURIDAD DEL METANO.
NOMBRE DEL PRODUCTO
Metano
NOMBRE COMERCIAL Y SINONIMOS
Metano, Hidruro de Metilo, Gas de los Pantanos
NOMBRE QUIMICO Y SINONIMO
Metano
FORMULA =
CH4 PM: 16.04
FAMILIA ORGANICA
Hidrocarburos alifáticos
INFORMACIÓN NECESARIA PARA LA PROTECCIÓN DE LA SALUD
LÍMITE DE EXPOSICIÓN
OSHA: Ninguno establecido. ACGIH: Asfixiante simple.
SÍNTOMAS DE EXPOSICIÓN
INHALACION: Altas concentraciones de metano para no admitir un suministro
adecuado de oxígeno a los pulmones producirán mareos, respiración profunda debido a
la necesidad de aire, posibles nauseas y la inconsciencia eventual.
PROPIEDADES TOXICOLÓGICAS
El metano es inactivo biológicamente y esencialmente no es tóxico; por lo tanto, el
mayor riesgo de sobre exposición es la no admisión de un suministro adecuado de
oxígeno a los pulmones.
El metano no esta clasificado como cancerígeno o potencialmente cancerígeno por NTP,
IARC u OSHA Subparte Z
TRATAMIENTO Y PRIMEROS AUXILIOS RECOMENDADOS
SE REQUIERE ATENCIÓN MEDICA INMEDIATA EN TODOS LOS CASOS DE
SOBREEXPOSICIÓN AL METANO. EL PERSONAL DE RESCATE DEBE ESTAR
EQUIPADO CON EL EQUIPO DE PROTECCIÓN APROPIADO (EQUIPO DE
RESPIRACIÓN AUTÓNOMO, ETC.) PARA PREVENIR LA EXPOSICIÓN
INNECESARIA Y ESTAR CONSCIENTE DEL PELIGRO EXTREMO DE FUEGO Y
EXPLOSIÓN.
Las personas concientes deben ser trasladadas a un área sin contaminación e inhalar aire
fresco suministrando oxígeno suplementario si esta disponible. Las personas
inconscientes deben ser trasladadas a un área sin contaminación, si no esta respirando,
dar resucitación boca a boca y oxígeno suplementario. Remover a la persona
rápidamente del área contaminada es lo más importante. El tratamiento posterior debe ser
sintomático y de apoyo.
MEZCLAS PELIGROSAS DE OTROS LÍQUIDOS, SÓLIDOS O GASES
Forma mezclas explosivas o inflamables con la mayoría de los agentes oxidantes
(oxígeno, cloro, flúor, etc.) y es inflamable en aire en un amplio rango.
PROPIEDADES FISICAS
PUNTO DE EBULLICIÓN @ 1 atm.
-258.6 ºF (-161.4 ºC)
DENSIDAD DEL LÍQUIDO AL
PUNTO DE EBULLICIÓN
26.4 lb/ft3 (424.7 kg/m
3)
PRESIÓN DE VAPOR @ 70 ºF (21.1 ºC)
arriba de la temperatura crítica de -116.17
ºF (-82.8 ºC)
DENSIDAD DEL GAS A 70ºF, @ 1atm 0.042 lb/ft
3 (0.673 kg/m
3)
SOLUBILIDAD EN AGUA A 64 ºF
(vol./vol.)
Insignificante
PUNTO DE CONGELAMIENTO
-296.45 ºF (-182.47 ºC)
APARIENCIA Y OLOR
Gas incoloro e inodoro. Gravedad específica a 70 ºF (21.1ºC), 1 atm (aire = 1) = 0.555
INFORMACIÓN SOBRE RIESGOS DE FUEGO Y EXPLOSIÓN
PUNTO DE IGNICIÓN
(MÉTODO USADO)
-306 ºF (-188 ºC) C. C.
TEMPERATURA DE
AUTOIGNICIÓN
1076 ºF (580 ºC)
LÍMITES DE
INFLAMABILIDAD %
POR VOLUMEN
INFERIOR 5 SUPERIOR
15
METODO DE EXTINCIÓN
Polvo químico, CO2 ó agua.
CLASIFICACIÓN ELÉCTRICA
Clase 1, Grupo D
PROCEDIMIENTOS ESPECIALES PARA COMBATIR INCENDIOS
Si es posible, cierre la fuente de metano. Desde una distancia segura, use chorro de agua
para enfriar los cilindros adyacentes hasta que el fuego sea extinguido por completo. Si
es posible sin arriesgarse, mueva los cilindros a un área alejada del incendio.
PELIGROS INUSUALES DE FUEGO Y EXPLOSIÓN
Si la flama es extinguida y el flujo de gas continúa, incremente la ventilación para
prevenir la formación de una atmósfera inflamable o explosiva. Los cilindros expuestos
al calor o flama pueden ventearse rápidamente o explotar.
DATOS DE REACTIVIDAD
ESTABILIDAD
CONDICIONES A EVITAR
Altas temperaturas.
ESTABLE INESTABLE
X
INCOMPATIBILIDAD
(MATERIALES A EVITAR)
Oxidantes.
PRODUCTOS DE
DESCOMPOSICIÓN PELIGROSOS
Ninguno
RIESGO DE POLIMERIZACIÓN
CONDICIONES A EVITAR Ninguna
NO OCURRE PUEDE OCURRIR
X
PROCEDIMIENTOS EN CASOS DE FUGAS O DERRAMES
MEDIDAS DE SEGURIDAD EN CASOS DE FUGAS O DERRAMES.
Evacue a todo el personal del área afectada. Incremente la ventilación en el área de la
fuga. Use un explosímetro calibrado para monitorear la concentración de metano. Existe
un riesgo inmediato de explosión en atmósferas con concentraciones mayores a 5%.
Utilice equipo de protección apropiado (equipo de protección autónomo y ropa resistente
al fuego). Nunca entre a un área donde la concentración sea mayor al 20% del límite
inferior de inflamabilidad. Si la fuga esta en el sistema del usuario cierre la válvula del
cilindro, libere la presión y purgue las líneas con gas inerte antes de intentar
reparaciones.
MÉTODO DE ELIMINACION DE DESECHOS
Regrese el producto no utilizado a su proveedor. El producto residual en el sistema puede
ser quemado si existe un equipo adecuado (incinerador) en el lugar. Esto deberá
realizarse de acuerdo con las reglamentaciones federales, estatales y municipales. Los
residuos que contengan este material pueden ser clasificados como residuos peligrosos
por su inflamabilidad.
INFORMACIÓN PARA PROTECCIÓN ESPECIAL
PROTECCIÓN RESPIRATORIA
En situaciones de emergencia debe utilizarse equipo de respiración autónomo.
Precaución: No entre en áreas donde la concentración de sea mayor de 1.00% (20% del
Límite Inferior de Inflamabilidad).
VENTILACIÓN
Provea buena ventilación o sistema de extracción para prevenir la acumulación de
concentraciones de gas por encima del límite inferior de inflamabilidad.
GUANTES DE PROTECCIÓN
Se recomienda el uso de guantes de carnaza y zapatos de seguridad para el manejo de
cilindros.
PROTECCIÓN OCULAR
Se recomienda el uso de anteojos de seguridad para el manejo de cilindros
EQUIPO DE PROTECCIÓN
En situaciones de emergencia utilice ropa resistente al fuego.
PRECAUCIONES ESPECIALES
INFORMACIÓN ESPECIAL DE CLASIFICACIÓN
El metano está clasificado como un gas inflamable, clase de riesgo 2.1. Debe
especificarse en la calcomanía "GAS
INFLAMABLE". El nombre correcto para transportación es METANO O METANO
COMPRIMIDO. El número UN es 1971.
RECOMENDACIONES ESPECIALES PARA EL MANEJO
SOLO USELO EN AREAS BIEN VENTILADAS. Los capuchones de protección de las
válvulas deben permanecer en su lugar a menos de que el cilindro este asegurado y la
válvula acoplada al punto de uso. Utilice un regulador reductor de presión cuando los
cilindros se conecten a tuberías o sistemas de baja presión (<3000 psi). Utilice una
válvula de retención para prevenir retroceso a los cilindros. Nunca aplique flama o calor
directo a ninguna parte del cilindro para incrementar el flujo de descarga del cilindro.
Evite arrastrar, deslizar ó rodar los cilindros, aún en distancias cortas. Use un carro
apropiado para el traslado de cilindros.
Para recomendaciones adicionales en el manejo de cilindros consulte el folleto P-1 de la
Compressed Gas Association (CGA).
RECOMENDACIONES ESPECIALES PARA EL ALMACENAMIENTO
Proteja los cilindros de daños físicos. Almacénelos en áreas con buena ventilación, secas
y frías construidas con materiales no inflamables y localizados en áreas que no contengan
tráfico pesado o salidas de emergencia. Los cilindros deben almacenarse en posición
vertical y bien sujetos para prevenir caídas o que sean tirados. No permita que la
temperatura de las áreas de almacenamiento exceda 125 ºF (52 ºC). No deberá haber
fuentes de ignición en las áreas de almacenamiento o uso. Coloque señales de "No
Fumar" o "No usar flamas" en las áreas de almacenamiento o uso. Separe los cilindros
vacíos de los llenos. Use un sistema de inventarios de "primeras entradas - primeras
salidas" para prevenir que los cilindros llenos sean almacenados por períodos excesivos
de tiempo.
RECOMENDACIONES ESPECIALES PARA EL ENVASADO
El metano no es corrosivo y puede ser usado con cualquier material estructural común.
OTRAS PRECAUCIONES O RECOMENDACIONES
Las líneas y el equipo asociado con el sistema de metano deben ser conectadas a tierra.
Todo el equipo eléctrico debe ser antichispas o a prueba de explosión. Los cilindros de
gases comprimidos sólo deben ser llenados por el personal experimentado de productores
calificados. Los cilindros deben transportarse asegurados en posición vertical en una
unidad con buena ventilación. Nunca los transporte en el compartimiento de pasajeros de
un vehículo
HOJA DE SEGURIDAD DEL DIOXIDO DE CARBONO
NOMBRE DEL PRODUCTO
Dióxido de Carbono
NOMBRE COMERCIAL Y SINONIMOS
Dióxido de Carbono, Gas Carbónico
NOMBRE QUIMICO Y SINONIMOS
Dióxido de Carbono, Anhídrido Carbónico, Gas de Ácido Carbónico
FORMULA =
CO2 P.M. 44.01
FAMILIA ORGANICA
Óxidos no metálicos
INFORMACIÓN NECESARIA PARA LA PROTECCIÓN DE LA SALUD
LÍMITE DE EXPOSICIÓN
OOSHA: PEL-TWA = 5,000 ppm. ACGIH-TW-TWA = 5000 PPM. NIOSH: No
Establecido
CPT: 5,000 ppm. CCT : 15,000 PPM
El dióxido de carbono no está clasificado como cancerígeno por IARC, NTP u OSHA.
SÍNTOMAS DE EXPOSICIÓN
El dióxido de carbono no favorece la vida e inmediatamente puede producir atmósferas
peligrosas. A una concentración mayor a 1.5% el dióxido de carbono puede producir
hiperventilación, dolor de cabeza, disturbios visuales, temblor, pérdida de la conciencia y
muerte. Los síntomas de exposición a concentraciones de 1.5 a 5% pueden ser altamente
variables, pero los síntomas típicos de intoxicación con dióxido de carbono incluyen los
siguientes:
Concentración de CO2 Síntomas
1% Incrementa el ritmo de la respiración
3-6% Dolor de cabeza, sudor, disnea.
6-10% Dolor de cabeza, sudor, disnea, temblor, disturbios visuales,
inconsciencia
mayor al 10% Inconsciencia
PROPIEDADES TOXICOLÓGICAS
El dióxido de carbono es un componente menor pero importante en la atmósfera, se
encuentra en una concentración aproximada de 0.03% por volumen. A concentraciones
altas afecta la velocidad de respiración. Los síntomas adicionales fueron descritos con
anterioridad.
TRATAMIENTO Y PRIMEROS AUXILIOS RECOMENDADOS
Las personas que presenten efectos tóxicos por la exposición al dióxido de carbono
deben ser trasladadas a áreas con atmósfera normal. PUEDE SER NECESARIO EL
USO DE EQUIPO DE RESPIRACIÓN AUTÓNOMO PARA PREVENIR LA
EXPOSICIÓN TÓXICA O LA ASFIXIA DEL PERSONAL DE RESCATE. Si la
víctima no está respirando aplique respiración artificial y administre oxígeno. Los tejidos
congelados deben ser irrigados o empapados con agua tibia (41-46ºC). NO UTILICE
AGUA CALIENTE. Las quemaduras criogénicas que produzcan ampollas o
congelamiento severo de los tejidos deben ser tratadas de inmediato por un médico.
MEZCLAS PELIGROSAS DE OTROS LÍQUIDOS, SÓLIDOS O GASES
Ninguna
PROPIEDADES FISICAS
PUNTO DE EBULLICIÓN @ 1 atm.
- 109.3ºF (-78.5 ºC)
DENSIDAD DEL LÍQUIDO AL
PUNTO DE EBULLICIÓN @ -35ºF (-37ºC), 11 atm: 68.74 lb/ft
3
PRESIÓN DE VAPOR @ 68ºF (20ºC):
831 psia (56.5 atm).
DENSIDAD DEL GAS A @ 68 ºC
(20ºC), 1 atm: 0. 115 lb/ft3
SOLUBILIDAD EN AGUA A @ 68ºF
(20ºC), 1 atm: 87.8% en volumen
PUNTO DE CONGELAMIENTO @ 76 psia: - 69.9 ºF (-56.6ºC)
APARIENCIA Y OLOR
El dióxido de carbono es incoloro e inodoro como gas o líquido. Es almacenado en
contenedores bajo su propia presión de vapor. Si la presión es liberada repentinamente, el
líquido se enfría rápidamente conforme se evapora y sublima, produciendo hielo seco a -
109.3 º F (-78.5ºC). Gravedad específica (aire=1) @ 68ºF (20º C), 1 atm=1.53
INFORMACIÓN SOBRE RIESGOS DE FUEGO Y EXPLOSIÓN
DEFINICION DEL GRADO DE RIESGO
SALUD : 1 INFLAMBILIDAD : 0 REACTIVIDAD : 0 ESPECIAL : Ninguna
PUNTO DE IGNICIÓN
(MÉTODO USADO)
N/A
TEMPERATURA DE
AUTOIGNICIÓN
N/ A
LÍMITES DE
INFLAMABILIDAD %
POR VOLUMEN
N/A
MÉTODO DE EXTINCIÓN
N/A CLASIFICACIÓN ELÉCTRICA
N/A
PROCEDIMIENTOS ESPECIALES PARA COMBATIR INCENDIOS
N/A
PELIGROS INUSUALES DE FUEGO Y EXPLOSIÓN
N/A
DATOS DE REACTIVIDAD
ESTABILIDAD
CONDICIONES A EVITAR
Ningunas
ESTABLE INESTABLE
X
INCOMPATIBILIDAD
(MATERIALES A EVITAR)
Los materiales deben resistir al ácido
carbónico, si existe humedad
PRODUCTOS DE
DESCOMPOSICIÓN PELIGROSOS
Ninguno
RIESGO DE POLIMERIZACIÓN
CONDICIONES A EVITAR Ninguna
NO OCURRE PUEDE OCURRIR
X
PROCEDIMIENTOS EN CASOS DE FUGAS O DERRAMES
MEDIDAS DE SEGURIDAD EN CASOS DE FUGAS O DERRAMES
El dióxido de carbono en pequeñas cantidades se vaporizará dejando una "nieve" de
dióxido de carbono (una combinación de hielo seco y hielo de agua donde este presente
la humedad atmosférica). Ventilar bien las áreas interiores para evitar concentraciones
peligrosas de CO2. Evitar el contacto con vapores fríos o hielo seco y ventilarlos
adecuadamente. El dióxido de carbono es un gas pesado y permanecerá en lugares bajos
si no hay ventilación auxiliar.
INFORMACIÓN SOBRE TRANSPORTACIÓN
El dióxido de carbono como gas licuado esta catalogado como un material peligroso, la
unidad que lo transporte se rotula con la etiqueta de transporte de material peligroso.
Además debe portar el rombo de señalamiento de seguridad (gas no inflamable) con el
número de naciones unidas ubicando en la unidad según NOM-004-STC/1999. Cada
envase requiere una etiqueta de identificación con información de riesgos primarios y
secundarios.
La unidad deberá contar con su hoja de emergencia en transportación con la información
necesaria para atender una emergencia según NOM-005-STC/1999.
Para este tipo de producto no existe ninguna restricción por incompatibilidad para el
transporte con otro producto según NOM-010-STC/1999.
Los cilindros deberán ser transportados en posición vertical y en unidades bien
ventiladas, nunca transporte en el compartimiento de pasajeros del vehículo.
INFORMACIÓN SOBRE ECOLOGÍA
Dióxido de carbono no genera efectos adversos a la ecología. El dióxido de carbono no
contiene ningún químico de clase I o II que afecten la capa de ozono, el dióxido de
carbono no está catalogado como contaminante marino. El dióxido de carbono no se
encuentra dentro de los listados que sirven para clasificar a una actividad como de alto
riesgo.
MÉTODO DE ELIMINACIÓN DE DESECHOS
No intente desechar el dióxido de carbono residual en cilindros de gases comprimidos.
Cuando deseche cantidades a granel de dióxido de carbono proveniente de tanques de
almacenamiento refrigerados, siempre hacerlo a un área al aire libre, con buena
ventilación y alejada de áreas de trabajo, donde los vapores se pueden dispersar. Ventear
lentamente a la atmósfera debido a que una despresurización rápida del contenedor
provocará la formación interna de dióxido de carbono sólido (hielo seco), requiriendo
períodos largos de tiempo para vaporizarse.
INFORMACIÓN PARA PROTECCIÓN ESPECIAL
PROTECCIÓN RESPIRATORIA
Utilizar equipo de respiración autónomo donde el dióxido de carbono este presente en
una cantidad mayor a 1.5%. ¡PRECAUCIÓN!
Las mascarillas no funcionarán. Su uso puede provocar asfixia.
VENTILACIÓN
Natural o forzada donde el gas esté presente para evitar concentraciones de dióxido de
carbono mayores a los normales en las áreas de trabajo.
GUANTES DE PROTECCIÓN
Utilizar guantes de material impermeable que sean fáciles de remover, tales como piel o
cuero cuando se trabaje con líquido frío, sólido o vapor.
PROTECCIÓN OCULAR
Se recomienda usar anteojos de seguridad para el manejo de cilindros de alta presión y en
áreas donde se descarguen vapores. Se recomienda usar adicionalmente protector facial.
EQUIPO DE PROTECCIÓN
Zapato con casquillo y ropa 100% algodón.
PROCEDIMIENTOS ESPECIALES
RECOMENDACIONES ESPECIALES PARA EL MANEJO
Evitar el contacto con la piel CO2 líquido, vapores fríos, o la "nieve" de dióxido de
carbono. Evitar que el líquido pueda quedar atrapado en sistemas cerrados. Sólo
utilizarlo en áreas bien ventiladas. Los cilindros de gases comprimidos contienen dióxido
de carbono líquido y gaseoso a presiones extremadamente altas y por lo mismo deben ser
manejados con cuidado. Utilizar un regulador para reducir la presión cuando se conecte a
un sistema de tuberías de baja presión. Asegurar los cilindros cuando estén en servicio.
Nunca utilizar flama directa para calentar los cilindros de gases comprimidos.
Utilizar una válvula de retención para prevenir el retroceso de flujo al contenedor. Evitar
arrastrar, deslizar o rolar los cilindros aún en distancias cortas. Utilice un carro de mano
adecuado (diablo) para transportar cilindros de gases comprimidos.
RECOMENDACIONES ESPECIALES PARA EL ALMACENAMIENTO
Almacene los contenedores de líquidos y los cilindros en áreas con buena ventilación.
Mantenga los cilindros alejados de fuentes de calor. No almacenar los cilindros en áreas
de tráfico pesado para evitar la caída accidental o el daño al caerse objetos en
movimiento. Los capuchones deben permanecer fijos a los cilindros cuando no estén en
servicio. Separar los cilindros llenos de los vacíos. Las áreas de almacenamiento deben
estar libres de materiales combustibles. Evitar la exposición en áreas donde estén
presentes sales u otros químicos corrosivos. Almacenar los cilindros de dióxido de
carbono con la válvula hacia arriba.
RECOMENDACIONES ESPECIALES PARA EL ENVASADO
El dióxido de carbono es envasado en cilindros que cumplen las especificaciones DOT,
el código ASME o la norma NOM
S-11-1970.
OTRAS PRECAUCIONES O RECOMENDACIONES
En aplicaciones donde las temperaturas sean menores de -20ºF (.29ºC), evitar el uso de
acero al carbón y otros materiales que lleguen a ser frágiles a bajas temperaturas. Los
cilindros de gases comprimidos sólo pueden ser llenados por proveedores calificados de
gases comprimidos. Utilice un analizador de CO2 portátil o continuo para medir la
concentración de CO2 en áreas donde el gas pueda ser venteado y se concentre.
HOJA DE SEGURIDAD DEL SULFURO DE HIDROGENO
NOMBRE DEL PRODUCTO
Sulfuro de Hidrogeno
NOMBRE COMERCIAL Y SINONIMOS
Sulfuro de Hidrógeno, Hidrógeno Sulfurado
NOMBRE QUIMICO Y SINONIMOS
Sulfuro de Hidrógeno
FORMULA =
H2S H2S
FAMILIA
ORGANICA
Hidruro no metálico
INFORMACIÓN NECESARIA PARA LA PROTECCIÓN DE LA SALUD
LÍMITE DE EXPOSICIÓN
OSHA y ACGIH : TWA = 10 PPM, STEL = 15 PPM, NIOSH : IDLH = 300 PPM
SÍNTOMAS DE EXPOSICIÓN
Exposición continua a bajas concentraciones (15-20 ppm) generalmente causará
irritación a las membranas mucosas y a la conjuntiva de los ojos. Puede causar también
dolor de cabeza mareos o nauseas. Concentraciones mayores (200-300 ppm) pueden
provocar paro respiratorio que conduzca a estado de coma o inconciencia. Las
exposiciones por más de 30 minutos a concentraciones de más de 700 ppm han sido
fatales. La inhalación continua de bajas concentraciones puede causar fatiga (pérdida de
sensibilidad al olor) provocando que el olfato no detecte su presencia.
PROPIEDADES TOXICOLÓGICAS
La inhalación de Sulfuro de Hidrógeno es altamente tóxica, también es un irritante a la
mucosa y a las membranas y a la conjuntiva de los ojos. La continua exposición al
producto inhabilita el olfato. Toxicológicamente su reacción con enzimas en la corriente
sanguínea inhibe la respiración pulmonar resultando parálisis pulmonar, colapso
repentino y muerte. Algunas veces esta situación oculta su efecto irritante sobre las
membranas mucosas y tejidos, los cuales en el peor de los casos causará edema pulmonar
(formación anormal de fluidos en los pulmones) o lesiones de las conjuntivas. El Sulfuro
de hidrógeno no está catalogado por las asociaciones IARC, NTP u OSHA en su parte 2
como material carcinógeno o potencialmente carcinógeno.
PROPIEDADES FÍSICAS
PUNTO DE EBULLICIÓN @ 1 atm.
-'76.5ºF (-60.3ºC)
DENSIDAD DEL LÍQUIDO AL
PUNTO DE EBULLICIÓN 59.1 lb/ft
3 (946 kg/m
3)
PRESIÓN DE VAPOR a 70ºF (21.1ºC) 261 psia (1800 KP2)
DENSIDAD DEL GAS
0.0893 lb/FT3 (1.43 kg/m3)
SOLUBILIDAD EN AGUA Soluble
PUNTO DE CONGELAMIENTO -121.99ºF (-85.55ºC)
APARIENCIA Y OLOR
Es transportado y almacenado como líquido bajo su propia presión de vapor. El vapor es
incoloro y con un olor característico a huevos podridos. Gravedad específica a 70ºF (aire
=1) 1.192
INFORMACIÓN SOBRE RIESGOS DE FUEGO Y EXPLOSIÓN
PUNTO DE
IGNICIÓN
(MÉTODO
USADO)
Gas
TEMPERATURA
DE
AUTOIGNICIÓN
554 °F (290 °C)
LÍMITES DE INFLAMABILIDAD %
POR VOLUMEN
VOLUMEN INFERIOR 4.00 SUPERIOR
44.0
METODO DE EXTINCIÓN
Bióxido de Carbono, polvo químico o agua CLASIFICACIÓN ELÉCTRICA
Clase 1
PROCEDIMIENTOS ESPECIALES PARA COMBATIR INCENDIOS
Si es posible sin riesgo, detenga el flujo de gas si es posible desde una distancia segura,
enfriar con agua los recipientes expuestos hasta que el fuego se haya extinguido
completamente. El escape del producto fuera de control de fuego puede causar polución.
PELIGROS INUSUALES DE FUEGO Y EXPLOSIÓN
El Sulfuro de Hidrógeno es ligeramente más pesado que el aire, de tal manera que puede
acumularse en nube a baja altura y viajar una distancia considerable hacia una flama o
otra fuente de ignición. Los cilindros expuestos al fuego o al calor pueden ventearse
rápidamente o explotar.
DATOS DE REACTIVIDAD
ESTABILIDAD
CONDICIONES A EVITAR
ESTABLE INESTABLE
X
INCOMPATIBILIDAD
(MATERIALES A EVITAR)
Ácido Nítrico concentrado, Cloro,
Trifluoruro de Nitrógeno, Difluoruro de
Oxígeno, u otros agentes oxidantes fuertes.
PRODUCTOS DE
DESCOMPOSICIÓN PELIGROSOS
Óxidos de Azufre
RIESGO DE POLIMERIZACIÓN
CONDICIONES A EVITAR N/A
NO OCURRE PUEDE OCURRIR
X
PROCEDIMIENTOS EN CASOS DE FUGAS O DERRAMES
MEDIDAS DE SEGURIDAD EN CASOS DE FUGAS O DERRAMES
Evacue a todo el personal del área afectada. Use equipo de protección apropiada. Si la
fuga se encuentra en el equipo del usuario asegurarse de purgar la tubería con un gas
inerte antes de realizar alguna reparación, si la fuga se presenta en el contenedor en la
válvula.
METODO DE ELIMINACION DE DESECHOS
Deben respetarse todos las reglamentaciones federales, estatales o locales con respecto a
la salud y a la contaminación para el desecho de estos materiales. No deseche cantidades
que no sean usadas.
INFORMACIÓN PARA PROTECCIÓN ESPECIAL
PROTECCIÓN RESPIRATORIA (ESPECIFICAR EL TIPO)
Equipo de respiración autónomo deberá estar disponible en caso de emergencia.
VENTILACIÓN
Utilice una campana con ventilación forzada y / o extracción local para evitar la
acumulación a niveles superiores de 10 ppm.
GUANTES DE PROTECCIÓN
De neopreno o hule de butílico, PVC, Polietileno.
PROTECCIÓN OCULAR
Lentes de seguridad y protector facial.
OTRO EQUIPO DE PROTECCIÓN
Zapatos de seguridad, regaderas de seguridad, fuente de lavaojos, ropa de protección
resistente a productos químicos.
PRECAUCIONES ESPECIALES
INFORMACION ESPECIAL DE CLASIFICACION
Nombre del envío de DOT : Sulfuro de Hidrógeno, licuado, etiqueta de envío de DOT :
gas tóxico inflamable, clase de riesgo DOT : 2,3 número UN 1053
RECOMENDACIONES ESPECIALES PARA EL MANEJO
Úsese únicamente en áreas bien ventiladas. Deben mantenerse los capuchones bien
colocados a menos que el contenedor se encuentre en uso. No arrastre, deslice o role los
cilindros. Use un transportador adecuado para el movimiento de los cilindros. Use un
regulador para reducir la presión cuando el cilindro sea conectado a un sistema ó tubería
de menor presión (<750 Psig.) No caliente el cilindro por ningún medio para aumentar la
velocidad de descarga. Use una válvula check ó trampa en la línea de descarga para
evitar el retroceso de flujo al cilindro
RECOMENDACIONES ESPECIALES PARA EL ENVASADO
Muchos metales se corroen rápidamente en presencia de Sulfuro de Hidrógeno húmedo.
El Sulfuro de Hidrógeno Anhidro (Contenido de Agua < -40 F) puede ser manejado en
Aluminio, Inconel, Estelita y Acero Inoxidable 304 y 316. Evitar los aceros duros puesto
que son susceptibles a quebraduras de Hidrógeno debido al Sulfuro de Hidrógeno
OTRAS PRECAUCIONES O RECOMENDACIONES
Conecte a tierra todas las líneas y equipo asociado con sistemas de Sulfuro de Hidrógeno
y el equipo efectivo debe ser a prueba de explosión y sin generación de chispa eléctrica.
Los cilindros de gases comprimidos no deben ser rellenados excepto por protectores
calificados de gases comprimidos.
HOJA DE SEGURIDAD DEL HIDROGENO
NOMBRE DEL PRODUCTO
Hidrogeno
NOMBRE COMERCIAL Y SINONIMOS
Hidrógeno
NOMBRE QUIMICO Y SINONIMOS
Hidrógeno
FORMULA =
H2 H2 P.M: 2.016
FAMILIA ORGANICA
Gases inflamables
INFORMACIÓN NECESARIA PARA LA PROTECCIÓN DE LA SALUD
LÍMITE DE EXPOSICIÓN
El hidrógeno es un simple asfixiante por lo que no tiene un valor límite de exposición
(TLV). El hidrógeno no está clasificado como cancerígeno por NTP, IARC, u OSHA.
CPT : Asfixiante puro CCT : Asfixiante puro
SÍNTOMAS DE EXPOSICIÓN
El hidrógeno no es tóxico y está clasificado como un simple asfixiante. Los síntomas de
anoxia sólo ocurrirán cuando las concentraciones del gas estén dentro de los rangos de
inflamabilidad y la mezcla no haya encendido. NO ENTRAR EN ÁREAS DENTRO
DEL RANGO DE INFLAMABILIDAD DEBIDO A LOS PELIGROS INMEDIATOS
DE INCENDIO Y EXPLOSIÓN.
PROPIEDADES TOXICOLÓGICAS
El hidrógeno no es tóxico y está clasificado como un simple asfixiante, pero es
extremadamente inflamable. El hidrógeno necesario para reducir las concentraciones del
oxígeno en un nivel inferior al requerido para soportar la vida causaría mezclas dentro de
los rangos de inflamabilidad. No entrar en áreas que contengan mezclas inflamables
debido al peligro inmediato de incendio o explosión.
TRATAMIENTO Y PRIMEROS AUXILIOS RECOMENDADOS
Las quemaduras de primer grado (sólo enrojecido, como quemadura de sol), o de
segundo grado (ampolla) que sean ocasionadas por la exposición al fuego y se
encuentran localizadas en una porción de alguna extremidad u otra pequeña área del
cuerpo, pueden ser sumergidas en agua fría de 10 a 20 min. Para aliviar el dolor. No
sumergir el cuerpo entero en un baño de agua fría. Todas las quemaduras, excepto las de
menor grado y que se localicen en un área pequeña deberán ser tratadas por un médico.
Las áreas quemadas deben ser cubiertas con el material más limpio disponible, como una
sábana limpia, previo al traslado del lesionado. No utilice ungüentos para quemaduras o
materiales grasosos, a menos que sólo sean quemaduras de primer grado en áreas
pequeñas. Las personas que sufran de falta de oxígeno deberán ser trasladadas a áreas
con atmósfera normal. Si la víctima no está respirando aplique respiración artificial de
preferencia boca a boca, si la respiración se dificulta administre oxígeno.
MEZCLAS PELIGROSAS DE OTROS LÍQUIDOS, SÓLIDOS O GASES
No mezclar con gases oxidantes tales como oxígeno, flúor, cloro, etc.
PROPIEDADES FÍSICAS
PUNTO DE EBULLICIÓN @ 1 atm.
- 423.0ºF (-252.8ºC)
DENSIDAD DEL LÍQUIDO AL
PUNTO DE EBULLICIÓN
PRESIÓN DE VAPOR N/A
DENSIDAD DEL GAS
21.1 ºC , 1 atm 0.0834401 kg/m3
SOLUBILIDAD EN AGUA @ 68ºF(20º), 1 atm: 3.35% por volumen
PUNTO DE CONGELAMIENTO @1 atm: - 434.5 ºF(-252.9ºC)
APARIENCIA Y OLOR
El hidrógeno es incoloro e inodoro.
INFORMACIÓN SOBRE RIESGOS DE FUEGO Y EXPLOSIÓN
DEFINICION DEL GRADO DE RIESGO
SALUD : 0 INFLAMABILIDAD : 4 REACTIVIDAD : 0 ESPECIAL : NINGUNA
PUNTO DE
IGNICIÓN
(MÉTODO
USADO)
N/A Gas a temp.
normal
TEMPERATURA
DE
AUTOIGNICIÓN
LÍMITES DE INFLAMABILIDAD %
POR VOLUMEN
VOLUMEN INFERIOR 4.00 SUPERIOR
74.2
METODO DE EXTINCIÓN
Polvo Químico, CO2, o Halón CLASIFICACIÓN ELÉCTRICA
PROCEDIMIENTOS ESPECIALES PARA COMBATIR INCENDIOS
Cerrar la fuente de hidrógeno. Cuando sea posible, permita que el fuego se extinga por si
mismo. Rociar agua al equipo adyacente para mantenerlo frío.
PELIGROS INUSUALES DE FUEGO Y EXPLOSIÓN
El hidrógeno se quema con una flama casi invisible de baja radiación térmica. Hay gente
que ha caminado sin saber en flamas de hidrógeno. Fácilmente se incendia; la energía
mínima de ignición es muy baja (0.2 MJ) y el rango de inflamabilidad es muy amplio. La
flama se propaga muy rápidamente. Existe peligro potencial de explosión por reignición
si el fuego se extingue sin cerrar la fuente de hidrógeno. El hidrógeno puede acumularse
en las áreas superiores de los lugares cerrados.
DATOS DE REACTIVIDAD
ESTABILIDAD
CONDICIONES A EVITAR
Fuentes de ignición, flamas, objetos
calientes
ESTABLE INESTABLE
X
INCOMPATIBILIDAD
(MATERIALES A EVITAR)
Materiales oxidantes. Algunos aceros son
susceptibles de ataque o de hacerse
quebradizos a altas temperaturas o
presiones.
PRODUCTOS DE
DESCOMPOSICIÓN PELIGROSOS
Ninguno
RIESGO DE POLIMERIZACIÓN
CONDICIONES A EVITAR Ninguna
NO OCURRE PUEDE OCURRIR
X
PROCEDIMIENTOS EN CASOS DE FUGAS O DERRAMES
MEDIDAS DE SEGURIDAD EN CASOS DE FUGAS O DERRAMES
NO ENTRAR en áreas que contengan mezclas inflamables de hidrógeno en aire.
Ventilar las áreas cerradas para prevenir la formación de atmósferas inflamables o
deficientes de oxígeno. Ver "VENTILACION" a continuación. Eliminar todas las fuentes
potenciales de ignición. Trasladar los cilindros de gases comprimidos al aire libre si la
fuga es pequeña.
INFORMACIÓN SOBRE TRANSPORTACIÓN
El hidrógeno gas comprimido esta catalogado como un material peligroso, la unidad que
lo transporte se rotula con la etiqueta de transporte de material peligroso. Además debe
portar el rombo de señalamiento de seguridad (gas inflamable) con el número de
naciones unidas ubicando en la unidad según NOM-004-STC/1999. Cada envase
requiere una etiqueta de identificación con información de riesgos primarios y
secundarios.
La unidad deberá contar con su hoja de emergencia en transportación con la información
necesaria para atender una emergencia según NOM-005-STC/1999.
Para este tipo de producto no existe ninguna restricción por incompatibilidad para el
transporte con otro producto según NOM- 010-STC/1999.
Los cilindros deberán ser transportados en posición vertical y en unidades bien
ventiladas, nunca transporte en el compartimiento de pasajeros del vehículo.
INFORMACIÓN SOBRE ECOLOGÍA
El hidrógeno no genera efectos adversos a la ecología, no contiene ningún químico de
clase I o II que afecten la capa de ozono, el hidrógeno no esta catalogado como
contaminante marino. El hidrógeno por sus características se encuentra dentro del listado
de los productos que si se almacenan, producen o transportan en cantidades iguales o
mayores a la de reporte se consideran la actividad como de alto riesgo, la cantidad de
reporte para el hidrógeno es de 500 kg.
INFORMACIÓN PARA PROTECCIÓN ESPECIAL
PROTECCIÓN RESPIRATORIA (ESPECIFICAR EL TIPO)
Las atmósferas deficientes de oxígeno se encuentran en el rango de inflamabilidad. NO
ENTRAR.
VENTILACIÓN
Natural o mecánica según se requiera. La ventilación mecánica debe cumplir con el
Código Nacional Eléctrico (NEC) para Clase 1 Grupo B.
GUANTES DE PROTECCIÓN
Guantes de carnaza para el manejo de cilindros de gases comprimidos.
PROTECCIÓN OCULAR
Se recomienda el uso de anteojos de seguridad para el manejo de cilindros de gases
comprimidos.
OTRO EQUIPO DE PROTECCIÓN
Zapato con casquillo y ropa 100% de algodón.
PROCEDIMIENTOS ESPECIALES
RECOMENDACIONES ESPECIALES PARA EL MANEJO
Sólo utilizar en áreas con buena ventilación. Los cilindros de gases comprimidos
contienen hidrógeno a una presión muy elevada, por lo que deben ser manejados con
cuidado. Utilizar un regulador de presión cuando los cilindros se conecten a sistemas de
baja presión. Asegurar los cilindros cuando estén en uso. Nunca utilizar flama directa
para calentar los cilindros. Utilizar válvulas check para prevenir el retroceso de flujo al
cilindro. Evitar arrastrar, deslizar o rolar los cilindros aún en distancias cortas. Utilizar un
diablo apropiado. Para recomendaciones adicionales consultar el folleto P-1 de la CGA.
(Compressed Gas Association).
RECOMENDACIONES ESPECIALES PARA EL ENVASADO
El hidrógeno gaseoso en USA se envasa en cilindros que cumplen con las
especificaciones DOT o los códigos ASME.
En México se fabrican cilindros de acuerdo a la norma NOM S-11-1970.
RECOMENDACIONES ESPECIALES PARA EL ALMACENAMIENTO
El hidrógeno gaseoso en USA se envasa en cilindros que cumplen con las
especificaciones DOT o los códigos ASME.
En México se fabrican cilindros de acuerdo a la norma NOM S-11-1970.
MÉTODO DE ELIMINACIÓN DE DESECHOS
No intentar desechar el hidrógeno residual en cilindros.