EVALUACIÓN DE LA VINAZA Y SU EFECTO SOBRE LA PRODUCCION Y CALIDAD DE BIOGÁS Y DE SUS EFLUENTES

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1 Tierra Tropical (2010) 6 (2): EVALUACIÓN DE LA VINAZA Y SU EFECTO SOBRE LA PRODUCCION Y CALIDAD DE BIOGÁS Y DE SUS EFLUENTES H. Alvarado, D. Rodriguez, R. Botero 1 Universidad EARTH Las Mercedes de Guácimo, Limón, Costa Rica Recibido 2 de diciembre Aceptado 15 de noviembre RESUMEN Este estudio evaluó la producción y calidad del biogás (CH 4, H 2 S) y la calidad de los efluentes (DQO, DBO), utilizando excretas bovinas disueltas en agua y vinaza, como suplemento en los biodigestores. El estudio se realizó con cuatro tratamientos (0 %, 30 %, 40 % y 50 % de vinaza suplementada en reemplazo del agua) y tres repeticiones por tratamiento, para un total de 12 biodigestores a escala. El testigo presentó mayor producción de biogás. El CH 4 en el T2 y T3 presentó la mayor concentración en el biogás. El testigo fue el único que presentó contenidos de H 2 S en el biogás. En todos los tratamientos lograron una disminución en la concentración de DQO, DBO y sólidos totales en el efluente. Sin embargo, no lograron cumplir con los niveles permisibles para que los efluentes puedan ser vertidos en cuerpos de aguas naturales. Palabras clave: biogás, biodigestores, DBO, DQO, H 2 S, CH 4, vinaza. ABSTRACT This study evaluated the production and quality of biogas (CH 4, H 2 S) and the quality of the effluents (DQO, DBO), using cattle manure dissolved in water and vinasse as a supplement in biodigesters. The study was conducted with four different treatments (0 %, 30 %, 40 % and 50 % vinasse replacing the water) and three repetitions for each treatment, for a total of 12 scale model biodigesters. The control sample (0 % vinasse) produced the highest amount of biogas. The highest concentration of CH 4 in the biogas was generated with 40 % and 50 % vinasse treatments. The control sample was the only one generated H 2 S in the biogas. For all treatments there was a reduction in the concentrations of COD, BOD and total solids in the effluents. However, these reductions were not sufficient for the effluents to be discharged into natural waterways. Key words: biogas, biodigesters, COD, BOD, H 2 S, CH 4, vinasse. INTRODUCCIÓN La producción de alcohol a partir de jugos y melazas son una alternativa viable para su empleo como combustible automotor (Gálvez, 2005). Esta alternativa cuenta con un inconveniente, ya que por cada litro de etanol producido se generan de 12 L a 15 L de residuos de vinaza. De esta cantidad de vinaza, una pequeña parte es utilizada nuevamente como fertilizante. No obstante, la vinaza tiene un ph ácido y un alto contenido de carbono orgánico por lo cual no debe verterse irracionalmente al suelo, ya que de esta forma la mayor parte contaminaría los suelos, ríos y fuentes de agua subterráneas (García y Rojas, 2007). 1 Contacto: Raúl Botero (rbotero@earth.ac.cr) ISSN:

2 242 Alvarado et al. / Tierra Tropical (2010) 6 (2): En la industria azucarera donde se produce fermentación y destilación de alcohol hidratado se tiene como problema el destino que se da a las excesivas cantidades ese residuo vinaza. La solución de esta problemática debe apoyarse fundamentalmente en medidas para la reducción del volumen y agresividad de los mostos y alternativas de aprovechamiento de la vinaza. A esta problemática, se le suma la contaminación generada por el sector ganadero. Según la FAO (2006), en el sector ganadero la producción de las emisiones de gases del efecto invernadero llegan a 18 %, más altos que los del sector de transporte que producen un 13 % de las emisiones totales. Por ello se necesita la implementación de alternativas prácticas y de bajo costo que permitan el aprovechamiento racional de la vinaza. Entre las alternativas de uso de la vinaza se pueden mencionar: concentración de la vinaza para fertilizante, alimentación animal, fermentación anaeróbica (biodigestión), fermentación aeróbica (producción de proteínas), combustión directa (incineración para obtener cenizas con alta fertilidad) y biofertilizante, a través de la reducción de la DBO (Machado y Guilherme, 2007). La producción de biogás a partir de vinaza suplementada en sustitución del agua, mezclada con excretas bovinas, es una alternativa viable para un manejo adecuado de la misma y además, reducir la contaminación ambiental. El biogás puede ser empleado como combustible en las cocinas, calefacción o iluminación, y en grandes instalaciones se puede utilizar para alimentar motores que generen electricidad (Herrero, 2008). Asimismo, se genera un abono orgánico (bioabono) con un contenido mineral similar al de las excretas frescas (Botero y Preston, 1987). El objetivo de esta investigación fue aprovechar las excretas bovinas y la vinaza como suplemento para la producción de biogás, mediante el uso de la tecnología de biodigestores de polietileno tubular, determinando así la calidad y cantidad del biogás producido y el uso potencial del efluente como fertilizante. MATERIALES Y MÉTODOS La fase de campo se realizó en el Laboratorio Experimental de Biodigestores, ubicado en la Finca Pecuaria Integrada (FPI) de la Universidad EARTH, Mercedes de Guácimo, Provincia de Limón, Costa Rica, localizado según coordenadas geográficas en N E, a una elevación de 50 msnm.. Dicho laboratorio se encuentra bajo techo con una temperatura promedio de 26,5 C. La precipitación anual promedio del área es de 3000 mm a 4000 mm bien distribuidos durante el año, con una evaporación media de 3,6 mm/día y una humedad relativa de 87 % (Rodríguez, 2008). Se usaron el mismo sistema de biodigestores, tipo Taiwán, de flujo continuo, que usaron Aldana (2008) en su experimento con estiércol de cerdo y vinaza. 2 Para este presente proyecto, se alimentaron los biodigestores con excretas de bovino disueltas en agua en una proporción de 1:5 (una parte de excretas bovinas frescas, disueltas en cinco partes de agua); se recolectaron las excretas bovinas directamente del piso de los corrales de la lechería de la FPI. El agua a utilizar en la mezcla para alimentar los biodigestores se recolectó directamente de la lluvia en reservorios de almacenamiento, sin contenidos de cloro, jabón u otra sustancia que pueda interferir en los 2 Nota del editor: la información de ese documento también está disponible en esta edición de Tierra Tropical: L.Y. Aldana, S. Lansing, R. Botero Suplementación de biodigestores con vinaza y su efecto sobre la producción y calidad del biogás y sus efluentes, p

3 Alvarado et al. / Tierra Tropical (2010) 6 (2): resultados finales. La vinaza a suplementar se encontraba almacenada desde inicios del año 2008 (Aldana, 2008). La investigación se llevó a cabo con cuatro tratamientos de vinaza: 20 % (T1), 40 % (T2), 80 % (T3) y testigo, 0 % (T4). Cada tratamiento contó con tres repeticiones, llegando a un total de 12 biodigestores en el laboratorio experimental. Los biodigestores fueron alimentados en periodos de cada 3 días y la toma de datos para la medición de biogás se realizó cada 7 días, junto con su respectivo análisis de cantidad y calidad de biogás (contenido de CH 4 ). La cantidad de alimento (excretas bovinas frescas, disueltas en vinaza y agua, según tratamiento) que se suministró fue de 4,7 litros diarios. La vinaza utilizada como suplemento sustituyó el agua en los tratamientos en los que fue utilizada. La distribución de los tratamientos y las repeticiones fue en bloques completamente al azar. Este proyecto tuvo una duración de 90 días de fase de campo, el cual comprende 30 días de estabilización y los 60 días posteriores corresponden a la toma de datos durante 8 semanas. El análisis de biogás se realizó con un medidor de gas con una presión máxima de 5 PSI y extraído con una bomba de vacío de 1 hp desde las bolsas de almacenamiento de biogás. También se evaluó la calidad del biogás, donde se tomó como principal parámetro la concentración de CH 4, ya que a mayor contenido de metano, mayor calidad del biogás tanto para mover generadores de energía como para el uso domestico. Para la medición de CH 4 se utilizó un medidor, el cual se colocó en la tubería de paso entre los biodigestores y la bolsa de almacenamiento. Después de encendido el medidor, se estabilizó con el paso del biogás durante 4 min; inmediatamente después comenzó la lectura durante un tiempo aproximado de 10 min por repetición. Conjuntamente, se realizó la medición de H 2 S. Para el análisis de aguas, se tomaron muestras durante cinco series, después de haberse terminado la estabilización (30 d) con 7 d de intervalo entre muestreos. Para la toma de muestras del afluente (entrada del biodigestor) se tomó solamente una muestra por tratamiento en cada serie. En el efluente (salida del biodigestor) se tomaron muestras en todas las repeticiones, tres por tratamiento, siendo un total de doce muestras. No obstante, las tres repeticiones por tratamiento se mezclaron y luego se sometió al análisis de laboratorio. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Se encontraron diferencias estadísticamente significativas (p<0,01) entre tratamientos en cuanto a la producción diaria de biogás. El testigo fue el de mayor producción de biogás a través del tiempo, con un promedio de 24,9 L/d durante las ocho semanas de observación. El siguiente tratamiento en producción fue el de 30 % de vinaza con una producción promedio de 20,8 L/d. Los tratamientos de 40 % y 50 % de vinaza no mostraron diferencias estadísticamente significativas entre ellos (p>0,05), con producciones promedio de 18,6 L/día y 16,8 L/día, respectivamente. En el estudio de Aldana (2008), sobre producción de biogás utilizando excretas porcina y vinaza como suplemento, el tratamiento con 40 % de vinaza presentó una mayor producción de biogás. Ese tratamiento tenía un rendimiento de un 54 % más de biogás en comparación al testigo. En esta investigación el T2 suplementado con 40 % de vinaza más excretas bovinas mostró una disminución en la producción de biogás en comparación al testigo, correspondiendo a un decremento de 34 %. Al comparar el testigo de Aldana (2008) (27,7 L/d), con el testigo de esta investigación (24,9 L/d), ambos presentaron una producción de biogás similar. La diferencia

4 244 Alvarado et al. / Tierra Tropical (2010) 6 (2): representó un aumento de 11 % en el tratamiento testigo alimentado con excretas porcinas en comparación con el testigo alimentado con excretas bovinas Sin embargo, es importante considerar que existe diferencia en el sistema digestivo y flora bacteriana entre el ganado porcino y bovino, lo que puede influir en la producción de biogás. No obstante, para los tratamientos suplementados con vinaza, el comportamiento de producción de biogás fue muy diferente. Un factor puede ser la calidad de la vinaza suplementada en ambos estudios; ésta fue extraída de los procesos de la destilación de alcohol en el año 2008, y almacenada en estañones (recipientes de metal de 250 litros de capacidad), durante más de un año. La vinaza presentó características químicas diferentes del 2008 para el 2009, observando cambios importantes en cuanto a ph, DQO, sólidos totales, P, Ca y NH 4 + (Cuadro 1). Lo anterior probablemente sea el factor más importante para que el comportamiento de los biodigestores suplementados con vinaza de cada una de las investigaciones tenga diferencias tan marcadas en la producción de biogás. Cuadro 1. Caracterización química de la vinaza utilizada en las investigaciones en 2008 y Variable ph 5,35 7,93 DQO (mg/l) Sólidos totales (mg/l) P (mg/l) 0, Ca (mg/l) NH 4 + (mg/l) 1,13 76,86 Se observó una tendencia decreciente en la cantidad de biogás a medida que aumenta el suplemento de vinaza por tratamiento durante el periodo de este estudio (Figura 1). Se puede aducir que la vinaza aparentemente perdió su contenido energético durante el almacenamiento, lo cual influye en la menor producción y calidad del biogás producido con excretas bovinas, teniendo un comportamiento decreciente en la producción de biogás a medida que se suplementa más vinaza. Respecto a la estabilidad de la producción de biogás en el tiempo, se encontraron diferencias estadísticamente significativas (p<0.01) entre semanas de observación. Las primeras tres semanas mostraron mayor producción promedio que las restantes cinco semanas; esta diferencia no fue tan marcada en el testigo (Figura 1).

5 Alvarado et al. / Tierra Tropical (2010) 6 (2): Biogás (L/d) T1 T2 T3 T CH 4 (%) Tiempo (semanas) Figura 1. Producción de biogás y CH 4 a través de ocho semanas de medición según los tratamientos evaluados. El biogás generado en la biodigestión anaeróbica procedente de los excrementos de animales, presenta rangos de CH 4 que oscilan entre un 50 % a 70 % de su volumen, un 30 % a 50 % de CO 2, 1 % de H 2 S y un 2 % de H 2 (Prats et al., 1996). El porcentaje de CH 4 en los tratamientos de excretas bovinas suplementados con de vinaza fue, en promedio, 61,6 %. Esto fue 10 % menos que el porcentaje de CH 4 (71,5 %) encontrado en los tratamientos de estiércol de cerdo suplementados con de vinaza (Aldana, 2008). Se encontraron diferencias estadísticamente significativas (p<0.05) entre tratamientos en cuanto a la concentración de CH 4 en el biogás. Los tratamientos T2 y T3 fueron los de mayor concentración de CH 4, con promedios a través de ocho semanas de observación de 62,5 % y 63,8 %, respectivamente y no presentaron diferencias estadísticamente significativas entre ellos. Por otro lado, el testigo y T1 tampoco presentaron diferencias estadísticamente significativas entre ellos, mostrando concentraciones de CH 4 promedio de 60,2% y 59,7%, respectivamente. Se registraron diferencias estadísticamente significativas entre semanas de medición, observándose que en las primeras cuatro semanas (p<0,01) la concentración de CH 4 fue estadísticamente mayor que en las cuatro últimas semanas de la evaluación (Figura 1). Altas concentraciones de H 2 S generan problemas en la utilización del biogás que es transformado en energía eléctrica, debido a que al reaccionar con agua se forma H 2 SO 4, el cual produce corrosión en el metal, ocasionando daños internos al motor (Quesada et al., 2007). El contenido de H 2 S se midió en los cuatro tratamientos y solo el testigo presentó una producción de H 2 S en comparación con los tratamientos suplementados con vinaza. Se encontró el mismo resultado en el experimento con estiércol de cerdo suplementado con vinaza (Aldana, 2008). Esto sugirió que la vinaza como suplemento tuvo un efecto de inhibir la producción de H 2 S. En los análisis de los afluentes y efluentes, se encontró que el tratamiento con mayor concentración de DQO en el afluente, y en el efluente, fue el testigo, con una reducción durante los 30 días de retención en el biodigestor del 63,6 % (Cuadro 1). Los valores promedio de la DQO de las entradas y los efluentes de los biodigestores para los tratamientos suplementados con

6 246 Alvarado et al. / Tierra Tropical (2010) 6 (2): vinaza no presentaron diferencia significativa (p>0,05), mientras que el testigo si presentó una diferencia significativa con respecto a los otros tratamientos (Cuadro 2). En la investigación realizada por Aldana (2008), donde evaluó excretas porcina y vinaza como suplemento en los biodigestores, reportó más que 90 % reducción en DQO en el efluente, para todos los tratamientos. El tratamiento con mayor reducción de la concentración de DQO en este presente estudio, T3, tenía 10 % menos que en el otro estudio (Cuadro 2). Aunque en todos los tratamientos, en ambos estudios, lograron una disminución en la concentración de DQO, en ningún caso lograron cumplir con el nivel permisible para la descarga de aguas residuales de 500 mg/l (MINAE, 2007). Cuadro 2. DQO y sólidos totales en los afluentes y efluentes a través del tiempo. Tratamiento DQO (mg/l) Reducción Sólidos totales (mg/l) Afluente Efluente (%) Afluente Efluente Reducción (%) T b 2504 b 77, a 3132 a 46.6 T b 2566 b 71, a 3533 a 37.1 T b 2392 b 78, a 3418 a 49.9 T a 4941 a 63, a 3710 a 45.5 Otra de las variables evaluadas y analizadas fue la concentración de sólidos totales, en lo cual los afluentes y los efluentes no presentaron diferencias significativas (p>0,05) (Cuadro 2). Igual que para las concentraciones de DQO, la reducción en las concentraciones de sólidos totales en los efluentes fueron mucho menos que en los tratamientos en el estudio de Aldana (2008). Las reducciones tampoco fueron suficientes para cumplir con el reglamento de menos de 200 mg/l de sólidos totales para descargar el agua residual (Cuadro 2). La DBO presenta entre la entrada y la salida una diferencia estadística significativa en los tratamientos, con reducciones entre un 20,2 % (T1) hasta un 45,8 % (T4) (Figura 2). Sin embargo, los efluentes entre sí no presentaron diferencia significativa entre tratamientos. Es importante someter los afluentes a tratamiento anaeróbico para producir biogás. En esta investigación no se logró cumplir con la cantidad mínima de DBO en los efluentes (Figura 2), exigida en el reglamento de Costa Rica (MINAE, 2007). Debido a estos resultados, sería necesario un tratamiento posterior del biodigestor para que los efluentes cumplan con el reglamento y pueden ser vertido en un cuerpo de agua natural.

7 Alvarado et al. / Tierra Tropical (2010) 6 (2): Nivel permisible Afluente Efluente DBO (mg/l) T1 T2 T3 T4 Tratamiento Figura 2. Reducción de la DBO en los afluentes y efluentes en los diferentes tratamientos durante la duración del experimento. CONCLUSIONES Alimentando biodigestores con excretas de bovino resultó en 11 % menos biogás en comparación con alimentación de biodigestores con excretas porcina, probablemente por la diferencia en el sistema digestivo y flora bacteriana entre el ganado bovino y porcino, lo que puede influir en la producción de biogás. Alimentando biodigestores con excretas de bovino más vinaza no resultó en un incremento en la producción de biogás. Un factor puede ser la calidad de la vinaza que fue almacenada en estañones durante más de un año. La vinaza presentó características químicas diferentes después del ese almacenamiento, con cambios importantes en cuanto a ph, DQO, sólidos totales, P, Ca y NH 4 +. En los análisis de los efluentes, observaron reducciones en las concentraciones de DQO, sólidos totales y DBO durante los 30 días de retención en los biodigestores. Sin embargo, en ningún caso logró cumplir con la cantidad mínima de estos parámetros en los efluentes. Debido a estos resultados, sería necesario un tratamiento posterior del biodigestor para que los efluentes cumplan con el reglamento del país para ser vertido en un cuerpo de agua natural. AGRADECIMIENTOS Este estudio se pudo realizar gracias al financiamiento brindado por la Administración Académica y la Unidad de Investigación de la Universidad EARTH, Guácimo, Costa Rica. LITERATURA CITADA Aldana, LY Suplementación de biodigestores con vinaza y su efecto sobre la producción y calidad del biogás y sus efluentes [Proyecto de Graduación Lic. Ing. Agr.]. Guácimo (CR) : Universidad EARTH. 45 p.

8 248 Alvarado et al. / Tierra Tropical (2010) 6 (2): Botero, R. y Preston, TR Biodigestor de bajo costo para la producción de combustible y fertilizante a partir de excretas. Manual para su instalación, operación y utilización. Cali (CO) : CIPAV (Centro para la Investigación en Sistemas Sostenibles de Producción Agropecuaria). 30 p. FAO (Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, IT) Las repercusiones del ganado en el medio ambiente [en línea]. Revista Enfoques, noviembre. [consultado 25 septiembre 2009]. Disponible en el World Wide Web: < Galvéz, L Etanol: producción y tendencias de desarrollo. In Conferencia Polo Científico del Oeste. La Habana, Cuba, 20 junio de García, OA. y Rojas, CA Posibilidades de uso de la vinaza en la agricultura de acuerdo con su modo de acción en los suelos. Colombia (CO) : Técnica. 11 p. Herrero, JM Biodigestores familiares: guía de diseño y manual de instalación. Biodigestores de polietileno tubular de bajo costo para el trópico y valle altiplano. La Paz (BO) : GTZ. 85 p. Machado J. y Guilherme, R Vinaza: características, usos y manejo [Presentación Power Point]. Ciudad Guatemala (GT). Primera Feria Energética. 28 diapositivas. MINAE (Ministerio de Ambiente y Energía, CR) Reglamento de vertido y reuso de aguas residuales. Decreto Ejecutivo Nº MINAE-S. Alcance No. 8. La Gaceta, 19 marzo, no p. Prats, I Manual de gestió dels purins i de la selva reutilización agrícola. España (ES) : Generalitat de Catalunya. p Rodríguez, W Datos climáticos: resumen anual de 1996 a 2008 [documento electrónico]. Guácimo (CR) : Universidad EARTH. Actualizado mensualmente. Formato Excel.