BIOGAS PRODUCCIÓN Y USOS

Transcripción

1 BIOGAS PRODUCCIÓN Y USOS Dra. Zulay Niño Universidad de Carabobo - Venezuela Instituto de Investigación - Universidad Estatal de Bolívar Investigador Prometeo-Senescyt

2 DIGESTIÓN ANAEROBIA Qué es? Proceso biológico en el que la materia orgánica, en ausencia de oxígeno, y mediante la acción de un grupo de bacterias específicas, se descompone en: Biogás: productos gaseosos (CH 4, CO 2, H 2, H 2 S, etc.) Digestato: mezcla de productos minerales (N, P, K, Ca, etc.) y compuestos de difícil degradación.

3 Para qué puede usarse? DIGESTIÓN ANAEROBIA reducción de emisiones de efecto invernadero aprovechamiento energético de los residuos orgánicos mantenimiento y mejora del valor fertilizante de los productos tratados. A qué puede aplicarse? residuos ganaderos: purines, estiércol residuos agrícolas o excedentes de cosechas residuos de las industrias de transformación de dichos productos. tratamiento de aguas residuales de alta carga orgánica, como las producidas en muchas industrias alimentarias..

4 DIGESTIÓN ANAEROBIA Beneficios asociados? reducción significativa de malos olores, mineralización, producción de energía renovable si el gas se aprovecha energéticamente y sustituye a una fuente de energía fósil, reducción de emisiones de gases de efecto invernadero derivadas de la reducción de emisiones incontroladas de CH 4, (que produce un efecto invernadero 20 veces superior al CO 2 ), reducción del CO 2 ahorrado por sustitución de energía fósil.

5 DIGESTIÓN ANAEROBIA Beneficios asociados? reducción significativa de malos olores, mineralización, producción de energía renovable si el gas se aprovecha energéticamente y sustituye a una fuente de energía fósil, reducción de emisiones de gases de efecto invernadero derivadas de la reducción de emisiones incontroladas de CH 4, (que produce un efecto invernadero 20 veces superior al CO 2 ), reducción del CO 2 ahorrado por sustitución de energía fósil.

6 Producción natural y controlada BIOGAS Producción natural en el medio ambiente por la descomposición bacteriana de materia orgánica incremento de la contaminación atmosférica. Producción controlada: gran auge para su utilización como combustible amigable con el medioambiente. Aprovechar los residuos sólidos urbanos utilizándolos como materia prima, Disminución del impacto negativo al medio ambiente de los residuos orgánicos no tratados.

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8 BIOGAS Características Composición: depende del sustrato digerido y del tipo de tecnología utilizada: 50-70% de metano (CH 4 ) % de anhídrido carbónico (CO 2 ). 5% de hidrógeno (H 2 ), ácido sulfhídrico (H 2 S), y otros gases Poder calorífico algo mayor que la mitad del poder calorífico del gas natural: alto contenido en CH 4, Un biogás con un contenido en CH 4 del 60% tiene un poder calorífico de unas kcal/nm 3 (6,4 kwh/nm 3 ). Posible problema: contenido en H 2 S.

9 BIOGAS Impacto medioambiental Reducción de la generación de gases de efecto invernadero: El cambio climático en el planeta es debido, principalmente, a la emisión descontrolada de gases contaminantes a la atmósfera. Destaca el metano, constituyente principal del biogás. CH 4 es 21 veces más potente que el CO 2 y posee una vida corta de aproximadamente 10 años. En el mundo, los principales sitios para la disposición final de los RSU son los rellenos sanitarios. Existen millones de toneladas de basura confinadas bajo el suelo que están emitiendo gases a la atmósfera (biogás) y/o líquidos al subsuelo (lixiviados), y que, en algunos casos, representan riesgos de incendio o explosión.

10 BIOGAS Fases de la digestión anaerobia Se produce en cinco fases secuenciales desde las primeras descomposiciones microbianas de la materia orgánica hasta la estabilización del producto con la producción del biogás. Ajuste inicial. Fase de transición. Fase ácida Fase de fermentación del metano (metanogénesis). Fase de maduración. Hidrolisis. Acidogénesis (acetogénesis)

11 BIOGAS I. Ajuste inicial Condiciones aerobias, Introducción de la materia orgánica en un medio que posea condiciones anaerobias: túneles de fermentación, digestor, vertedero, etc... Tiempo de adaptación.

12 II. Fase de transición Paulatino descenso de las condiciones aerobias, Comienza la etapa anaerobia, Desaparece el oxígeno del metabolismo respiratorio, BIOGAS Se forman compuestos inorgánicos oxidados, como el nitrito y el sulfito, Se forma N 2 y H 2 S por reducción de nitritos y sulfitos, sometidos a un potencial de oxidación-reducción (redox) del medio en torno a -50 a -100 mv, Se incrementa, el potencial reductor del medio, Comienza la generación de metano cuando potencial redox llegue a valores en torno a -150 a -300 mv, Potencial redox, comienzan un proceso de conversión del material orgánico complejo en ácidos orgánicos y otros productos intermedios, El ph de la fase líquida, si es que existe, inicia debido a la presencia de ácidos orgánicos y al efecto de las elevadas concentraciones de C0 2 dentro del medio.

13 III. Fase ácida BIOGAS Generación de compuestos gaseosos, principalmente C0 2 e H 2. del ph a un valor de 5 o menos, por la presencia de los ácidos orgánicos y por las elevadas concentraciones de C0 2. la demanda bioquímica de oxígeno (DBO 5 ), la demanda química de oxígeno (DQO) y la conductividad del medio líquido, debido a la disolución de ácidos orgánicos. Disolución de algunos constituyentes inorgánicos, principalmente metales pesados, y de algunos nutrientes en el medio líquido, debido a los bajos valores del ph. Predominan las bacterias no metanogénicas o acidogénicas Hidrólisis (transformación enzimática) de compuestos con alto peso molecular como los lípidos, polisacáridos, proteínas, ácidos nucleicos, etc., en otros compuestos aptos para ser utilizados por los microorganismos como fuentes de energía y como transformación a carbono celular. Acidogénesis de los compuestos resultantes de la hidrolisis, en compuestos intermedios de bajo peso molecular, como son el ácido acético (CH 3 COOH) y ácido fúlvico (pequeñas cantidades) y otros ácidos más complejos.

14 IV. Fase de fermentación del metano BIOGAS Dominada por microorganismos que comienzan a desarrollarse hacia el final de la fase ácida, estrictamente anaerobios (metanogénicos), Se caracteriza por la conversión del CH 3 COOH e H 2, producidos en la fase ácida, en CH 4 y C0 2, el ph de la fase líquida, en el rango de 6,8 a 8, las concentraciones de DOB 5 y DQO, así como el valor de conductividad del líquido, la concentración constituyentes inorgánicos en la disolución y la concentración de metales pesados presentes en el líquido.

15 BIOGAS V. Fase de maduración. Menos activa en cuanto a la generación de gases se refiere, Disminución de la humedad, Conversión del material biodegradable que anteriormente no estaba disponible.

16 Fases de la digestión anaerobia. BIOGAS

17 BIOGAS Duración del proceso Determinado por la duración de cada una de las fases individuales. La duración de cada una de estas variará según: la distribución de los componentes orgánicos, la disponibilidad de nutrientes, el contenido de humedad de los residuos, el grado de humedad del medio sólido y el grado de compactación inicial.

18 Duración del proceso BIOGAS Aspectos de interés: Intervienen seres de diferentes velocidades de crecimiento: 5 grandes poblaciones de microorganismos. Diferente sensibilidad a cada compuesto intermedio como inhibidor (ej: H 2, CH 3 COOH o NH 3 producido de la acidogénesis de aminoácidos. Cada etapa presentará diferentes velocidades de reacción según la composición del substrato El desarrollo estable del proceso global requerirá de un equilibrio que evite la acumulación de compuestos intermedios inhibidores o la acumulación de ácidos grasos volátiles (AGV), que podría producir una bajada del ph. Para la estabilidad del ph es importante el equilibrio CO 2 -bicarbonato. Para hacer posible algunas reacciones es necesaria la asociación sintrófica entre bacterias acetogénicas y metanogénicas, creando agregados de bacterias de estas diferentes poblaciones.

19 Duración del proceso Etapa limitante del proceso BIOGAS La velocidad del proceso está limitada por la velocidad de la etapa más lenta, la cual depende de la composición de cada residuo. Fase limitante: la metanogénesis Para sustratos solubles Para aumentar la velocidad adoptar diseños que permitan una elevada concentración de microorganismos acetogénicos y metanogénicos en el reactor. tiempo de proceso del orden de días. Fase limitante: la hidrólisis Para residuos en los que la materia orgánica esté en forma de partículas, Tiempos de proceso del orden de semanas, de dos a tres. Para aumentar la velocidad se usa el pretratamiento para disminuir el tamaño de partículas o ayudar a la solubilización (maceración, ultrasonidos, tratamiento térmico, alta presión, o combinación de altas presiones y temperaturas)

20 Parámetros ambientales a controlar BIOGAS Hacen referencia a condiciones que deben mantenerse o asegurarse para el desarrollo del proceso ph, Rango del valor del ph en el digestor es de entre 6,4 y 7,4. La producción óptima de biogás se logra cuando el valor de ph está entre 7 y 7,1. En el período inicial de la fermentación, microorganismos productores de ácido crecen rápidamente; pueden producir grandes cantidades de ácidos orgánicos, que no pueden ser consumidos por los microorganismos formadores de metano. El ph en el interior del digestor puede caer rápidamente. Esto inhibe o incluso detiene el proceso de la digestión o fermentación. (Wang,J. 2014) Alcalinidad, para asegurar la capacidad tampón y evitar la acidificación. Es recomendable una alcalinidad superior a 1,5 g/l CaCO3. Potencial redox, con valores recomendables inferiores a -350 mv. Nutrientes, con valores que aseguren el crecimiento de los microorganismos. Tóxicos e inhibidores, cuya concentración ha de ser la mínima posible

21 Parámetros operacionales a controlar Hacen referencia a las condiciones de trabajo de los reactores: BIOGAS Temperatura. Podrá operarse en los rangos (Bisschops et al., 2009) psicrofílico (temperatura ambiente), mesofílico (temperaturas de 25 a 45ºC; ideal C) o termofílico (temperaturas de 45 a 65 ºC; ideal C) (Wang,J. 2014) las tasas de crecimiento y reacción, la sensibilidad a algunos inhibidores, como NH 3. En el rango termofílico se aseguran tasas superiores de destrucción de patógenos. Se requiere aislamiento para no tener temperaturas muy bajas (Wang,J. 2014) Agitación. Debe transferirse al sistema el nivel de energía necesario para: favorecer la transferencia de substrato a cada población o agregados de bacterias, homogeneizar para mantener concentraciones medias bajas de inhibidores.

22 BIOGAS Parámetros operacionales a controlar (cont ) Tiempo de retención. Es el tiempo medio de permanencia del influente en el reactor, sometido a la acción de los microorganismos (cociente entre el volumen y el caudal de tratamiento) Velocidad de carga orgánica. (OLR en inglés) Es la cantidad de materia orgánica introducida por unidad de volumen y tiempo. Valores bajos implican baja concentración en el influente y/o elevado tiempo de retención. El incremento en la OLR implica una reducción en la producción de gas por unidad de materia orgánica introducida, Se debe encontrar un valor óptimo técnico/económico para cada instalación y residuo a tratar.

23 BIOGAS Acondicionamiento del sustrato previo a la producción Finalidad: introducir el residuo lo más homogéneo posible, para conseguir una eficiencia y rendimiento elevado de biogás, con las condiciones fisicoquímicas adecuadas al proceso al que va a ser sometido, y sin elementos que puedan dañar el digestor. En plantas de purines, pobres en materia orgánica, es necesario la codigestión con efluentes de algún proceso, como por ejemplo los lodos de espesado, bien como salen o con un tratamiento posterior o con residuos agrícolas. Pre-tratamientos posibles: reducción del tamaño de partícula, espesamiento, calentamiento, control de ph, eliminación de metales y eliminación de gérmenes patógenos. Precauciones: Controlar las fermentaciones espontáneas no almacenar demasiado tiempo, ya que decae muy deprisa la productividad de biogás.

24 BIOGAS Bioestimulación de la digestión anaerobia Requiere de macro y micronutrientes (González, Pereda, Schrimp, Oliva y Nielsen, 2006), así como trazas de algunos metales para el crecimiento y buen funcionamiento de los microorganismos (Feng, Karlsson, Svensson y Bertilsson, 2010; Pobeheim, Munk, Johansson y Guebitz, 2010). Las trazas de determinados metales están involucradas en las actividades enzimáticas de la acidogénesis y metanogénesis; en condiciones de depresión o estrés, la adición de elementos traza al proceso de digestión anaerobia es indispensable para garantizar una buena producción de metano (Rossi, 2010). Actualmente la estimulación de la digestión anaerobia se lleva a cabo mediante sales que son costosas y que se deben aplicar de manera limitada (Pereda, Irusta, Mata y Oliva, 2007). La investigación sobre nuevas fuentes de metales traza y/o iones para sistemas anaerobios ha conducido a minerales naturales (González et al., 2011).

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26 BIOGAS Red de reacciones dentro del sistema de digestión anaeróbica (Balmant et al 2014) Pasos del proceso de biodigestión: I) La hidrólisis; II) Acidogénesis; III) Acetogénesis; IV) Metanogénesis; grupos microbianos: 1) hydroliticos; 2) agentes acidógenos; 3) acetógenos; 4) Los metanógenos. Ácidos grasos volátiles (AGV); ácidos grasos de cadena larga (LCFA).

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32 Conclusiones BIOGAS El biogás es un combustible renovable de elevada importancia en la actualidad debido a sus múltiples usos y a su sencilla y económica obtención. La producción de biogás representa una alternativa importante para la utilización de los residuos sólidos urbanos y, de este modo, el posible aprovechamiento de rellenos sanitarios clausurados que, posterior al uso total de la materia orgánica que poseen, puedan servir como áreas verdes o para la construcción de instalaciones públicas de poco peso. La producción de biogás representa además una manera de recuperar sectores afectados por la contaminación física presencial de residuos sólidos y la contaminación biológica que la descomposición de estos residuos representa. En los próximos años el uso del biogás se verá incrementado debido a la creciente demanda energética y a la búsqueda de nuevos combustibles que desplacen la utilización de los combustibles fósiles que, en la actualidad, resulta contraproducente tanto por su escasez como por la contaminación que su combustión representa

33 Bibliografía BIOGAS Bisschops, I., Spanjers, H., and Schuman, E. (2009). Development of Decentralised Anaerobic Digestion Systems for Application in the UK: Phase 1 Final Report. Available at: Wang, Junye (2014) Decentralized biogas technology of anaerobic digestion and farm ecosystem: opportunities and challenges. Front. Energy Res., 26 March 2014 doi: /fenrg W. Balmant,, B.H. Oliveira, D.A. Mitchell, J.V.C. Vargas, J.C. Ordonez: Optimal operating conditions for maximum biogas production in anaerobic bioreactors. Applied Thermal Engineering. Volume 62, Issue 1, 10 January 2014, Pages