UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PANAMA

CENTRO REGIONAL DE CHIRIQUI

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

LIC. EN INGENIERIA CIVIL

METODOLOGIA DE LA INVESTIGACION

PROYECTO:

BIODIGESTOR- ENERGIA RENOVABLE

FACILITADOR:

ODILIO AYALA

PRESENTADO POR:

GUERRA, RODERICK

4-758-100

HERNANDEZ, SERGIO

4-758-1000

QUINTERO, VERONICA

4-756-6

RODRIGUEZ, MICHAEL

4-753-1873

SALON:

2IC- 151

MARTES 14 DE JULIO DE 2015

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

PLAN DEL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN

PORTADA

ÍNDICE

PRESENTACIÓN

RESUMEN EJECUTIVO (Problema, metodología, resultados y conclusiones. Palabras Claves)

CAPÍTULO 1. MARCO INTRODUCTORIO

1.1. Descripción de la problemática (definición del tema, antecedentes y preguntas de investigación)

1.2. Justificación

1.3. Objetivos

1.3.1. Generales

1.3.2. Específicos

1.4. Hipótesis

1.5. Alcances y limitaciones

CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO (Revisión literaria, resumida en un máximo de cinco páginas)

CAPÍTULO 3. METODOLOGÍA

3.1. Tipo de investigación (según su enfoque, su alcance y su diseño)

3.2. Variables

3.2.1. Identificación

3.2.2. Definiciones conceptuales

3.2.3. Definiciones operacionales

3.3. Población y muestra (definir el tipo de muestreo y el cálculo del tamaño de muestra)

3.4. Instrumentos de recolección de datos (Descripción)

3.5. Tratamiento de los datos (¿cómo se van a analizar los datos recolectados? ¿Con cuáles técnicas estadísticas?)

CAPÍTULO 4. RESULTADOS (Debe incluir los cuadros y gráficas más relevantes que faciliten la interpretación de resultados y la comprobación de hipótesis)

CONCLUSIONES

RECOMENDACIONES

BIBLIOGRAFÍA (en formato ISO 690 e ISO 690-2)

ANEXOS

PRECENTACION

Un digestor de desechos orgánicos o Biodigestor es, en su forma más simple, un contenedor cerrado,

hermético e impermeable (llamado reactor), dentro del cual se deposita el material orgánico a fermentar

(excrementos de animales y humanos, desechos vegetales-no se incluyen cítricos ya que acidifican-, etc) en

determinada dilución de agua para que a través de la fermentación anaerobia se produzca

gas metano y fertilizantes orgánicos ricos en nitrógeno, fósforo y potasio, y además, se disminuya el

potencial contaminante de los excrementos.

Este sistema también puede incluir una cámara de carga y nivelación del agua residual antes del reactor, un

dispositivo para captar y almacenar el biogás y cámaras de hidrogenación y pos tratamiento (filtro y piedras,

de algas, secado, entre otros) a la salida del reactor.

El fenómeno de indigestible ocurre porque existe un grupo de microorganismos

bacterianos anaeróbicos presentes en el material fecal que, al actuar sobre los desechos orgánicos de origen

vegetal y animal, producen una mezcla de gases con alto contenido de metano (CH4) llamada biogás, que es

utilizado como combustible. Como resultado de este proceso se generan residuos con un alto grado de

concentración de nutrientes y materia orgánica (ideales como fertilizante s) que pueden ser aplicados

frescos, pues el tratamiento anaerobio elimina los malos olores y la proliferación de moscas.

Una de las características más importantes de la biodigestión es que disminuye el potencial contaminante de

los excrementos de origen animal y humano, disminuyendo la Demanda Química de Oxígeno DQO y la

Demanda Biológica de Oxígeno DBO hasta en un 90% (dependiendo de las condiciones de diseño y

operación).

Se deben controlar ciertas condiciones, como son: el pH, la presión y temperatura a fin de que se pueda

obtener un óptimo rendimiento.

El Biodigestor es un sistema sencillo de implementar con materiales económicos y se está introduciendo en

comunidades rurales aisladas y de países subdesarrollados para obtener el doble beneficio de conseguir

solventar la problemática energética-ambiental, así como realizar un adecuado manejo de los residuos tanto

humanos como animales.

RESUMEN EJECUTIVO

Este proyecto busca solucionar un grave problema que tiene la comunidad de Potrerillo debido a la gran cantidad de granjas que generan mucho excremento por parte de estos animales que son criados para el consumo y venta.

Pensado en la problemática existente se han llevado a cabo estudios para encontrar una posible solución sostenible a este problema. Proponiendo un Biodigestor para utilizar las excretas como materia prima para la obtención de biogás, abono orgánico y energía no contaminante al ambiente y a su vez convertirlo en beneficio para la comunidad de Potrerillo.

CAPITULO 1. MARCO INTRODUCTORIO

1.1.Descripción de la problemática

¿Porque hacer un Biodigestor?

El inadecuado tratamiento de los excrementos de los animales y de las personas ha originado que constantemente el medio ambiente se vea contaminado tanto como en el suelo, aire y manto acuífero por su alto contenido de contaminantes.

¿Qué beneficio trae a la comunidad de Potrerillo?

Este proyecto busca crear una solución eficiente y viable para atacar un problema y a su vez convertirlo en un beneficio para la comunidad de Potrerillo, ya que con un Biodigestor podemos obtener energía renovable y no contaminante del medio ambiente.

¿Un Biodigestor es la solución más rentable para este problema?

Esta solución de construir un Biodigestor según los estudios demuestra que genera ingresos ya que la materia prima se obtiene sin ningún costo, esto hace que el Biodigestor sea una solución auto sostenible.

Esto ha sido un problema que al pasar los años se ha venido agravando en la comunidad de Potrerillo, ya que cada vez es más difícil deshacerse de estos excrementos por la falta de ingresos para la construcción de una planta de tratamiento que sería una solución demasiada costosa y no sostenible.

1.1.Justificación

Para resolver esta situación se construirá un Biodigestor, en una comunidad ubicada en Potrerillo Abajo, el cual usa los desechos de los habitantes y de los animales para transformarlos en biogás y también producir fertilizantes. El uso de los Biodigestores podría contribuir a la reducción de los problemas de contaminación de las aguas residuales por excretas, mantener un equilibrio ambiental y mejorar la estructura del suelo. La aplicación del efluente producido por el Biodigestor, (abono orgánico o bio-abono) en una comunidad ubicada en Potrerillo Abajo, aumenta la fertilidad del suelo permitiendo así el aumento de la producción de las plantas cultivadas, incluyendo las forrajeras.

1.3.Objetivos

1.3.1. Objetivos Generales

Diseñar un Biodigestor, en una comunidad de Potrerillo Abajo, para la producción de energía renovable a su vez usar sus residuos como fertilizante orgánico.

1.3.2. Objetivos Específicos

Fomentar el desarrollo sostenible a través de un Biodigestor en la comunidad de Potrerillo Abajo, transformando las excretas humanas y de animales en bio gas y abonos fertilizantes.

Minimizar la contaminación ambiental en una comunidad de Potrerillo Abajo, (suelo, aire y cuerpos de agua) que se produce por los excrementos de los animales por medio del Biodigestor.

Medir la opinión de los habitantes de la comunidad de Potrerillo Abajo sobre el desarrollo del proyecto del Biodigestor.

1.4.Hipótesis

La realización del proyecto de un Biodigestor, mejorará la calidad de vida en los habitantes de la comunidad de Potrerillos Abajo, impedirá la contaminación de mantos acuíferos.

1.5 Alcances y Limitaciones.

Alcance: En este proyecto solo se debe construir no más de dos Biodigestores ya que no se cuenta con suficiente biomasa para la producción de más de un Biodigestor.

Limitaciones:

Idealmente, la ubicación debe estar cerca de donde se recolecta la biomasa.

La temperatura de la cámara de digestión debe mantenerse entre 20ºC y 60ºC; puede ser limitante en lugares extremos.

El biogás contiene un subproducto llamado sulfato de hidrógeno el cual es un gas corrosivo y tóxico para los seres humanos.

Al igual a cualquier otro gas combustible, existe el riesgo de explosión o incendios por un mal funcionamiento, mantenimiento o seguridad.

Capítulo 2. Marco Teórico.

Un digestor de desechos orgánicos o Biodigestor es, en su forma más simple, un contenedor cerrado, hermético e impermeable (llamado reactor), dentro del cual se deposita el material orgánico a fermentar (excrementos de animales y humanos, desechos vegetales-no se incluyen cítricos ya que acidifican-, etcétera) en determinada dilución de agua para que se descomponga, produciendo gas metano y fertilizantes orgánicos ricos en nitrógeno, fósforo y potasio.

El proceso de Biodigestión Anaerobia ha sido conocido y aplicado desde la antigüedad, así por ejemplo, se utilizaba para el curtido de cueros, para la obtención de etanol, ácidos orgánicos como el láctico, etc. Pero era comprendido en razón de sus productos finales y no en función de sus procesos, taylhardat (1986)

Ya para 1884 Louis Pasteur al presentar los trabajos de su discípulo Gayón concluyo que la fermentación de estiércol podría ser una fuente de energía para la calefacción e iluminación, Medina, (1984).En Inglaterra en (1896), Donald Cameron perfecciono el tanque séptico y utilizo el gas que se origina en el proceso como fuente de energía. En los EE.UU. de Norteamérica se empezó a investigar esta tecnología en Massachusetts, por intermedio del Dr. Louis P. Kinnincutt.

El desarrollo de la bioquímica para satisfacer las altas demandas de solventes químicos que requería la Primera Guerra Mundial y el impacto de problemas sanitarios productos de ella, derivaron en el desarrollo acelerado de la microbiología de los procesos anaeróbicos que podría ayudar eficientemente a aportar soluciones que los procesos aeróbicos (asociados al oxigeno) no habían podido solucionar; además, la creciente población mundial requería cada día más fuentes de energía alternas que completarán las yaexistentes. En Alemania a partir de 1923 se empieza a utilizar el biogás, mediante una red pública para satisfacer las demandas de energía. En Inglaterra es sin embargo a partir de 1927 cuando se impulsa el uso de biogás, para suplir las necesidades de las comunidades que pasaban de 7000 habitantes; as que aquí también, donde se introduce el sistema para recolectar gas por medio de estructuras flotantes de concreto armado, Herrera (1977). Para el año de 1939 la India inaugura una unidad experimental para el estudio y diseño de sistemas de equipos que requieren la utilización de biogás, es en este país y en especial en la República Popular China donde esta tecnología se ha difundido en forma masiva en el sector campesino, existiendo más de 7.5 millones de digestores construidos y operando, Taylhardat (1986).

Sin embargo la Biodigestión Anaeróbica que inicialmente se había empleado para satisfacer la demando de energía, en los últimos años ha venido demostrando su potencialidad para el tratamiento de residuos y excretas de origen domésticos y agropecuaria, principales contaminantes del ambiente. Países como China, India, Australia, Inglaterra, etc. han encontrado en la fermentación anaeróbica una técnica aliada en la lucha contra la contaminación ambiental, espacialmente en el área rural en donde los afluentes urbanos y agropecuarios son transformados en sustancias inofensivas al ecosistema circulante, mejorando la calidad de vida de sus habitantes F.A.O.(1986); en este sentido Hobson, P et al(1980)utilizando la Biodigestión anaeróbica lograron grandes reducciones en los niveles de demanda bioquímica de oxigeno(D.B.O.)de estos afluentes, además los constituyentes olorosos de los residuos como el fenol y el indol fueron destruidos por la digestión; iguales resultados encontrados Sunmer, R and Bousfield en (1980).

En América (según lo expresado en el seminario taller sobre biogás y otras fuentes alternas de energía en el medio rural, realizado en Cali, Colombia, Perú, Bolivia, Costa Rica, Honduras; la organización para la agricultura y la alimentación (F.A.O.) está donde un apoyo decidido; así mismo unos países industrializados como la república federal de Alemania, concibió el programa especial de energías renovables (PEER), este proyecto debería fomentar la investigación sobre el uso energético renovables, entre ellos la tecnología del biogás, teniendo como objetivo la reducción de cargas contaminantes y la sustitución de abonos químicos mediante el uso de los afluentes tratados y de buena calidad de fertilizantes.

También existen algunas experiencias sobre tratamiento de afluentes porcinos que han demostrado la eficiencia del sistema en la reducción de la demanda bioquímica de oxigeno (D.B.O.) la demanda química de oxigeno (D.Q.B.). Trabajos de luna (1991)

Conociendo un alto porcentajes de necesidades básicas insatisfechas de la comunidad C.P. Huamammarca; algunas generadas por la escases de recursos económicos y la falta de empleo; otras causadas por el deterioro y deforestación de sus bosques utilizando la tala de árboles para leña como fuente de combustible para la cocción de los alimentos; así mismo las aguas servidas y en gran mayoría de las porquerizas que son arrojadas a las quebradas sin ningún control, generando contaminación. Como una respuesta a evitar lo anterior se impulsa la actividad de explotación piscícola y la instalación de biodigestores de campana de flujo continuo para la producción de biogás como fuente energética alternativa al uso de la leña, para mejorar las condiciones y calidad de vida, proteger el medio ambiente y permitir mejorar la situación económica de las familias, evitando la migración de la población económicamente activa.

Criterios para considerar en el diseño de un biodigestor

Los siguientes son los aspectos a tener en cuenta en el diseño, planificación y construcción de un biodigestor:

• Factores humanos

✓ Idiosincrasia

✓ Necesidad, la cual puede ser sanitaria, energía y de fertilizantes.

✓ Recursos disponibles de tipo económicos, materiales de construcción, mano de obra, utilización del producto, área disponible.

✓ Disponibilidad de materia prima, si se cuentan con desechos agrícolas, desechos pecuarios, desechos domésticos, desechos urbanos, desechos industriales.

• Factores biológicos

✓ Enfermedades y plagas tanto humanas como pecuarias y agrícolas

• Factores físicos

✓ Localización, la ubicación si es en zona Urbana, rural o semi-urbana y la geografía aspectos Como la latitud, longitud y altitud.

✓ Climáticos dentro de estos aspectos están las temperaturas máximas y mínimas, la precipitación pluvial, la humedad ambiental, la intensidad solar, los vientos su intensidad y dirección.

✓ Vías de acceso.

✓ Topografía, teniendo en cuenta el declive del suelo: si es plano, ondulado, o quebrado.

✓ Suelos con sus características como la textura, estructura, nivel freático y capacidad agrológica.

• Factores de construcción

✓ Técnicas de construcción si es de tierra compactada, cal y canto o ladrillo (barro cocido, suelo-cemento, silico-calcáreo), planchas prefabricadas, Ferro cemento, concreto, módulos prefabricados.

• Factores utilitarios

✓ Función principal, si se construye de manera experimental, demostrativa o productiva.

✓ Usos, si el uso es de tipo sanitario, energético, fertilizante, integral.

✓ Organizativo si el biodigestor se va a construir a escala doméstica, para grupo familiar, comunitario o empresas.

✓ Capacidad, si es pequeño de 3 a 12 m3 / digestor; si es mediano de 12 a 45 m3 digestor y si es grande de 45 a 100 m3 / digestor.

✓ Operación de la instalación contemplando aspectos como el funcionamiento del pre tratamiento, la mezcla, la carga, y controles de PH, obstrucciones de líquidos, sólidos y gases: las descargas de efluentes tanto liquidas como gaseosas y de lodos; el almacenamiento de los líquidos, sólidos y gases; la aplicación de líquidos por bombeo, por tanques regadores o arrastre por riego; los sólidos que están disueltos en el agua y los sólidos en masa y por último los gases utilizados para la cocción, iluminación e indirectamente en los motores.

Con el objetivo de disminuir el tamaño de los digestores se han utilizado los productos orgánicos que brindan mayor cantidad de biogás por unidad de volumen; algunos de ellos son: la excreta animal, la cachaza de la caña de azúcar, los residuales de mataderos, destilerías y fábricas de levadura, la pulpa y la cáscara del café, así como la materia seca vegetal.

Producción de biogás:

Los materiales que ingresan y abonan el Biodigestor se denominan afluente y efluente respectivamente. El proceso de digestión que ocurre en el interior del biodigestor libera la energía química contenida en la materia orgánica, la cual se convierte en biogás.

Biodigestión:

Es la fermentación realizada por bacterias anaerobias sobre la materia orgánica y posee las ventajas siguientes:

-Proporcionar combustible para suplir las principales necesidades energéticas rurales.

-Reducir la contaminación ambiental al convertir las excretas, que hacen proliferar microorganismos patógenos, larvas e insectos, en residuos útiles.

-Producir abono orgánico, con un contenido similar al de las excretas frescas e igualmente útil para los suelos, los cultivos y para el desarrollo del fitoplancton y del zooplancton utilizado por algunas especies acuáticas en su alimentación.

Digestores anaeróbicos

Para producir biogás se pueden emplearse diversos materiales orgánicos tales como residuos vegetales, estiércol, basura doméstica, algas, efluentes de las industrias de alimentos, bebidas, papel, y químicas.

Durante la bioconversión de materiales orgánicos a metano las distintas etapas tienen distinta velocidad: la degradación de la celulosa ocurre en semanas, la de las hemicelulosas y proteínas en días y la de las moléculas pequeñas, como azúcares, ácidos grasos y alcoholes, en horas, pero la lignina no es degradada en la mayoría de los sistemas de digestión anaeróbica.

El proceso en un digestor difiere de otros tipos de fermentaciones en que no es necesario utilizar cultivos puros de microorganismos. Las diversas bacterias capaces de descomponer las sustancias orgánicas y producir biogás están ampliamente distribuidas en la naturaleza.

Se encuentran, por ejemplo en los excrementos animales y humanos. Estas bacterias pueden activarse y mantenerse indefinidamente con un manejo adecuado.

Factores de los que depende la producción de biogás

* Temperatura

* Tiempo de retención

* Porcentaje de sólidos

* Factor pH

Operación del Biodigestor

Rangos de temperatura para la operación del Biodigestor

La tasa de fermentación anaerobia de los sólidos orgánicos y su conversión parcial en biogás, están directamente relacionadas con la temperatura interna de operación. Aunque el proceso se lleva a cabo en un amplio rango de temperaturas, desde 15°C hasta 60°C, la mayor eficiencia de conversión se obtiene en los rangos de temperatura 30°C a 40°c y 55°C a 60°C.

La mayoría de las bacterias metanogénicas digieren la materia orgánica más eficientemente en el rango 30°C a 40°C, que puede ser alcanzado por la fase líquida, no solo por efecto de la temperatura ambiental, sino también porque la temperatura interna se incrementa debido a la generación de calor ocurrida durante la fermentación de la materia orgánica.

Relación Carbono Hidrógeno

Los carbohidratos y las proteínas son los nutrientes indispensables para el crecimiento, desarrollo y actividad de las bacterias anaerobias. El carbono contenido en el estiércol, es el elemento que las bacterias convierten en metano (CH4). El nitrógeno es utilizado para la multiplicación bacteriana y como catalizador en el proceso de producción de biogás.

El contenido de carbono en el estiércol del bovino es excesivo. De allí, la posibilidad y ventaja de alimentar al Biodigestor con las excretas de especies animales.

Valores de pH

Aunque el rango de pH óptimo, para alcanzar la mayor eficiencia en la fermentación anaerobia de la materia orgánica, puede variar, el proceso de digestión bacteriana produce biogás a valores de pH entre 6.7 y 7.5, un medio prácticamente neutro (Griffis, Mote y Kienholz, 1980). El pH se mantiene en ese rango, solo si, el Biodigestor está operando correctamente. Si el pH se torna muy ácido, la acción de las bacterias se inhibe, aumentando la proporción de gas carbónico en el biogás (Taiganides, 1963). Las causas por las que se puede acidificar la fase líquida contenida dentro del Biodigestor son:

* Un cambio excesivo de la carga.

* El permanecer por largo tiempo sin recibir carga.

* La presencia de productos tóxicos en la carga.

* Un cambio amplio y repentino de la temperatura interna.

En algunos casos la alta acidez puede corregirse adicionando cal.

Gases presentes en el biogás.

El metano, principal componente del biogás es el gas que le confiere las características combustibles al mismo. El valor energético el biogás por lo tanto estará determinado por la concentración del metano.

Uso del biogás

En principio el biogás puede ser utilizado en cualquier equipo comercial diseñado para uso con gas natural.

El biogás constituye la alternativa más adecuada para la valorización energética de residuos orgánicos agroalimentarios de alto contenido en agua. Se obtiene mediante un proceso denominado “digestión anaerobia” que tiene lugar en bioreactores (o digestores) cerrados y alimentados de forma semi-continua.

Se denomina “co-digestión” al tratamiento conjunto de dos o más residuos. La co-digestión anaerobia permite aprovechar la complementariedad de la composición de los residuos para hacer procesos más eficientes. Además, unifica su gestión al compartir instalaciones de tratamiento, reduciendo costes de inversión y operación.

El biogás producido contiene un 65% aproximadamente de metano, lo que le proporciona una elevada capacidad calorífica. El biogás se lleva generalmente a un motor de co-generación, próximo al digestor, donde se emplea como combustible, obteniendo electricidad y calor.

El calor puede ser empleado para diversos usos (calefacción, agua caliente, secado, frío, etc.) según la necesidad específica del entorno de cada instalación. Además, como resultado de la fermentación se obtiene un subproducto digerido denominado “digestato” que puede ser empleado como fertilizante orgánico en condiciones controladas.

CAPITULO 3. METODOLOGIA

3.1. Tipo de investigación

Según su Enfoque:

Enfoque Cuantitativo: nuestra investigación se basa en un enfoque cuantitativo debido a que utilizaremos mediciones numéricas y análisis estadístico para determinar la factibilidad y aprobación por parte de la comunidad de Potrerillo Abajo en el diseño y uso de un Biodigestor.

Según su Alcance:

Investigación exploratoria: con esta investigación se busca examinar un problema poco estudiado en la República de Panamá como lo es la creación de un Biodigestor, estructura capaz de absorber contaminantes y reducir su impacto negativo en al ambiente.

Investigación descriptiva: esta investigación contiene además de la exploración estudios descriptivos que buscan especificar las características y los perfiles de comunidades afectadas por los diferentes tipos de contaminación que formarían parte de las variables en nuestra investigación.

Según su diseño

La investigación es de tipo No Experimental, la cual se refiere a estudios que se realizan sin la manipulación intencional de las variables, y en las que sólo se observan los fenómenos en su ambiente natural para después analizarlos. Es de tipo no experimental transeccionales y estas divididas en exploratorias y descriptivas.

3.2 Variables.

3.2.1 Identificación

Desechos

Volumen

Aceptación

3.2.2 Definiciones conceptuales

Desechos: La basura es todo el material y producto no deseado considerado como desecho y que se necesita eliminar porque carece de valor económico.(Wikipedia 2003)

Volumen: Espacio que ocupa un cuerpo.(Ranald Giles)

Aceptación: Consideración generalizada de que algo es bueno o válido. (Wikipedia 2003)

3.2.3 Definiciones operacionales

Desechos: Encuesta con 10 preguntas realizadas en la Comunidad de Potrerillo Abajo.

Volumen: Encuesta con 10 preguntas realizadas en la Comunidad de Potrerillo Abajo.

Aceptación: Encuesta con 2 preguntados realizadas en la Comunidad de Potrerillo Abajo.

3.3 Población y Muestra

La población de potrerillo abajo se estima 1,815 habitantes según el censo del 2010. Este proyecto de investigación solo se contemplaran 500 habitantes de esta comunidad, ya que se busca darle solución a parte de la población que no cuenta con los recursos para otras soluciones. De estos habitantes tomares la opinión acerca del proyecto, a favor o en contra del mismo.

n=Z2PQE2

n=(1.645 )2(0.6)(1−0.6)

(0.05)2

n=¿259.78

n≈260

Dónde:

n = Tamaño de la Muestra

P = Probabilidad de éxito (60%)

Q = Probabilidad de Fracaso (40%)

E = Error Muestral (5%)

Z = confiabilidad (90%)

3.4 Instrumentos de Recolección de Datos

Encuestas y Cuestionarios: nuestro grupo de trabajo encargado de la recolección de datos se dirigió a la comunidad de Potrerillo Abajo con el fin de llegar a conocer la opinión de una parte de la comunidad, acerca de la aceptación o negación hacia el proyecto propuesto, un Biodigestor. Dicha recolección se dio a través de encuestas y cuestionarios. Asumimos que a información recolectada tiene una confiabilidad del 90%.

3.5. Tratamientos de los datos

CAPITULO 4 RESULTADOS