Biodigestores
¿Qué es un biodigestor?
Un biodigestor es un sistema que procesa material orgánico, como desechos agrícolas, estiércol, residuos municipales, plantas, algas y hasta ciertos tipos de desechos industriales, para producir biogás y digestato. El proceso central en un biodigestor es la digestión anaeróbica, una serie de reacciones biológicas donde microorganismos descomponen estos materiales en ausencia de oxígeno.
¿Qué es la digestión anaeróbica?
La digestión anaeróbica es un proceso biológico en el cual microorganismos descomponen material orgánico en ausencia de oxígeno, transformándolo en biogás, un combustible compuesto principalmente por metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2), y en digestato, un subproducto rico en nutrientes. Este proceso ocurre naturalmente en ambientes como pantanos, lagos, y el estómago de ciertos animales, como las vacas, y también se reproduce artificialmente en sistemas como los biodigestores.
El proceso de digestión anaeróbica
El proceso de digestión anaeróbica se puede dividir en cuatro etapas principales:
- Hidrólisis: Los compuestos orgánicos complejos, como lípidos, proteínas y carbohidratos, se descomponen en compuestos más simples como azúcares, aminoácidos y ácidos grasos, por la acción de enzimas producidas por bacterias hidrolíticas.
- Acidogénesis: Los productos de la hidrólisis son convertidos en ácidos orgánicos, alcohol, hidrógeno, y dióxido de carbono por bacterias acidogénicas.
- Acetogénesis: Los compuestos producidos en la acidogénesis se transforman en acetato, hidrógeno, y dióxido de carbono por bacterias acetogénicas. Este paso es crucial para la producción de metano en la siguiente etapa.
- Metanogénesis: El acetato, hidrógeno, y dióxido de carbono sirven de substratos para que las bacterias metanogénicas produzcan metano. Este es el paso final y esencial para la producción de biogás.
BIOGAS
El biogás es una mezcla de gases producida por la descomposición anaeróbica (en ausencia de oxígeno) de material orgánico por bacterias. Esta mezcla está compuesta principalmente por metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2), con pequeñas cantidades de otros gases como hidrógeno (H2), nitrógeno (N2), oxígeno (O2), monóxido de carbono (CO), y trazas de compuestos de azufre, como el sulfuro de hidrógeno (H2S).
El metano, el componente energético principal del biogás, es un gas con un alto potencial calorífico, lo que hace del biogás una fuente de energía renovable valiosa. El biogás se puede producir a partir de una amplia variedad de materiales orgánicos, incluyendo desechos agrícolas, estiércol de animales, residuos orgánicos municipales, lodos de depuradoras, y residuos de la industria alimentaria.
El biogás se puede utilizar de varias maneras, como:
- Generación de electricidad y calor: Mediante el uso de motores de cogeneración o turbinas, el biogás se puede convertir en electricidad y calor, aprovechando ambas formas de energía de manera eficiente.
- Combustible para vehículos: Tras un proceso de purificación para aumentar la proporción de metano, el biogás se convierte en biometano, que puede ser utilizado como combustible para vehículos.
- Inyección en la red de gas natural: El biometano purificado también puede ser inyectado en las redes de distribución de gas natural, mezclándose con el gas natural fósil y utilizándose para los mismos fines, como calefacción, cocina, e industria.
BIOL
El BIOL es un fertilizante orgánico líquido que se obtiene a través de la digestión anaeróbica de materia orgánica en biodigestores. Este proceso implica la descomposición de materiales orgánicos como estiércol, residuos de cocina, desechos agrícolas, y otros tipos de biomasa, en ausencia de oxígeno por la acción de microorganismos. El resultado principal de este proceso es la producción de biogás, que puede ser utilizado como fuente de energía renovable, y el subproducto es el BIOL, junto con un residuo sólido que también puede ser usado como fertilizante.
El BIOL contiene una variedad de nutrientes esenciales para el crecimiento de las plantas, incluyendo nitrógeno (N), fósforo (P), potasio (K), y otros microelementos en solución, lo que lo hace un excelente complemento para la fertilización en la agricultura y la jardinería. Su utilización ayuda a mejorar la estructura del suelo, incrementar la retención de agua, promover el desarrollo de microorganismos beneficiosos en el suelo, y aumentar la disponibilidad de nutrientes para las plantas.
Las concentraciones de nutrientes en el BIOL pueden variar ampliamente dependiendo de la composición del material orgánico inicial y del proceso de digestión anaeróbica. A continuación, se muestra una matriz con los rangos aproximados de los principales nutrientes encontrados en el BIOL.
| Nutriente | Rango aproximado |
|---|---|
| Nitrógeno (N) | 0.5 – 1.5% |
| Fósforo (P) | 0.2 – 0.8% |
| Potasio (K) | 0.5 – 2.0% |
| Calcio (Ca) | 0.1 – 1.0% |
| Magnesio (Mg) | 0.05 – 0.5% |
| Azufre (S) | 0.1 – 0.5% |
| Hierro (Fe) | 20 – 200 ppm |
| Manganeso (Mn) | 5 – 50 ppm |
| Cobre (Cu) | 1 – 20 ppm |
| Zinc (Zn) | 2 – 100 ppm |
| Boro (B) | 0.5 – 50 ppm |
| Molibdeno (Mo) | 0.1 – 10 ppm |
Además de sus beneficios agronómicos, el uso del BIOL como fertilizante contribuye a la gestión sostenible de residuos al convertir materiales que de otro modo podrían considerarse desechos en recursos valiosos. Esto no solo reduce la necesidad de fertilizantes químicos, sino que también minimiza el impacto ambiental asociado con la producción y uso de estos insumos sintéticos, apoyando así prácticas agrícolas más sostenibles y ecológicas.
El Impacto Ambiental de los Biodigestores
Los biodigestores son sistemas que promueven la gestión sostenible de residuos al convertir la materia orgánica en biogás y digestato mediante procesos de digestión anaeróbica. Estos sistemas ofrecen numerosos beneficios ambientales, económicos y sociales, desempeñando un papel crucial en la mitigación del cambio climático, el mejoramiento de la salud pública y la promoción de la economía circular. A continuación, se detalla el impacto ambiental de los biodigestores:
Reducción de Gases de Efecto Invernadero
Uno de los mayores beneficios ambientales de los biodigestores es su capacidad para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). La materia orgánica, como el estiércol y los residuos agrícolas, libera metano (CH4) cuando se descompone de manera anaeróbica en condiciones naturales, como en vertederos. El metano es un gas de efecto invernadero significativamente más potente que el dióxido de carbono (CO2). Los biodigestores capturan este metano, evitando su liberación a la atmósfera y permitiendo su uso como fuente de energía renovable, reduciendo así la dependencia de los combustibles fósiles y sus asociadas emisiones de CO2.
Mejora de la Calidad del Suelo y Reducción del Uso de Fertilizantes Químicos
El digestato, un subproducto de la digestión anaeróbica, es un fertilizante orgánico rico en nutrientes como nitrógeno, fósforo y potasio. Su uso en la agricultura mejora la estructura del suelo, aumenta su contenido de materia orgánica y promueve la actividad microbiana saludable. Esto no solo mejora la salud y fertilidad del suelo sino que también puede reducir la necesidad de fertilizantes químicos sintéticos, los cuales están asociados con la degradación del suelo, la contaminación del agua y emisiones de GEI durante su producción y transporte.
Gestión Sostenible de Residuos
Los biodigestores ofrecen una solución práctica y ecológica para la gestión de residuos orgánicos, convirtiendo materiales que de otro modo serían desechados o quemados (liberando CO2 y otros contaminantes) en recursos valiosos. Este enfoque reduce la contaminación del suelo y del agua, disminuye los olores nocivos y la proliferación de patógenos, y minimiza la presión sobre los vertederos.
Producción de Energía Renovable
El biogás generado por los biodigestores es una fuente de energía renovable que puede ser utilizada para generar electricidad, calefacción y como combustible para vehículos. Esto no solo reduce la huella de carbono asociada con el uso de energías no renovables sino que también promueve la autosuficiencia energética y la resiliencia de las comunidades, especialmente en áreas rurales o aisladas.
Impacto Social y Económico
Además de los beneficios ambientales, los biodigestores tienen un impacto social y económico significativo. Facilitan el acceso a energía limpia y asequible, mejoran las condiciones de higiene y salud al gestionar adecuadamente los residuos orgánicos, y pueden generar ingresos adicionales para las comunidades a través de la venta de excedentes de biogás y el uso del digestato como fertilizante orgánico.
Algunas consideraciones importantes antes de instalar un bio digestor
Instalar un biodigestor es una forma excelente de gestionar los residuos orgánicos de manera sostenible y producir biogás para su uso energético. La instalación de un biodigestor casero puede variar dependiendo del modelo y tamaño del sistema, pero hay algunas directrices generales que pueden ser de ayuda:
Evaluación de Necesidades y Planificación de un bio digestor
Determina tu objetivo
Aunque puede parecer una obviedad, tomar la decisión acerca del enfoque y uso que vas a darle a tu biodigestor resulta en la fase inicial del diseño de este sistema de manejo de residuos y por lo tanto es fundamental. La decisión se basa en si tu objetivo es producir biogás, fertilizante o los dos.
En caso de que le objetivo sea aprovechar el biogás, es importante tomar en cuenta en el diseño que los sistemas diseñados principalmente para producir biogás suelen tener una atención especial en maximizar la eficiencia de la digestión anaeróbica para obtener la mayor cantidad de gas posible. Esto puede implicar el control de temperatura, el pH, y la retención de tiempo de los materiales dentro del digestor. Por otro lado, cuando el objetivo es la obtención de biol, el diseño puede priorizar la facilidad de extracción y manejo del digestato líquido, asegurando que se mantenga una composición nutricional adecuada para su uso como fertilizante. La separación eficiente del digestato sólido y líquido puede ser una consideración clave.
Estima la cantidad de residuos a procesar
A nivel de granja, puede ser de ayuda considerar que una vaca en promedio produce entre 30 a 50 kg de heces por día. Así la cantidad de heces a procesar puede variar en función del tamaño del hato ganadero, el tipo de manejo y la logística de la recolección de las heces.
En el caso de biodigestores para hogares es igual de importante calcular la cantidad diaria de residuos orgánicos que se producen para determinar el tamaño adecuado del biodigestor. Para esto la forma más aconsejada es la medición directa, que consiste en pesar directamente los residuos orgánicos, después de haber sido separados del resto de los desechos del hogar, por cada día; de esta manera al cabo de unos días puedes tener una cantidad promedio de los desechos orgánicos que se producen en el hogar.
Un estudio realizado por la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO) indica que, a nivel global, aproximadamente un tercio de los alimentos producidos para el consumo humano se pierde o desperdicia, lo que equivale a unos 1.3 mil millones de toneladas por año. Si bien esta cifra abarca las pérdidas a lo largo de toda la cadena de suministro, desde la producción hasta el consumidor final, refleja la magnitud de los desechos orgánicos generados que están asociados con la alimentación. Específicamente, en el ámbito doméstico, la cantidad de desechos orgánicos generados por persona puede oscilar entre 0.2 y 0.5 kilogramos por día, dependiendo de las prácticas de consumo y manejo de alimentos. Esta estimación incluye restos de comida, así como desperdicios durante la preparación de alimentos (https://www.fao.org/3/mb060e/mb060e00.htm).
Es importante mencionar que estos números pueden variar. Por ejemplo, en los Estados Unidos, la Environmental Protection Agency (EPA) sugiere que la categoría de alimentos (incluyendo desperdicios de comida y residuos de jardín) constituye una porción significativa de los residuos sólidos municipales. La EPA estima que cada persona genera en promedio alrededor de 219 libras (aproximadamente 99 kg) de desechos de comida por año, lo que se traduce en aproximadamente 0.27 kg por día (https://www.epa.gov/facts-and-figures-about-materials-waste-and-recycling/food-material-specific-data).
¿Cómo calcular el tamaño de un biodigestor?
Para calcular el tamaño de un biodigestor necesario para un hogar que produce 0.27 kg de desperdicios orgánicos por día por persona, con una familia de 4 personas, debemos considerar algunos parámetros básicos y supuestos:
Cantidad total de residuos orgánicos generados por día:
0.27 kg/persona/día×4 personas=1.08 kg/día
Tiempo de retención: Es el período que los residuos permanecen en el biodigestor para su descomposición. Un tiempo de retención típico para pequeños biodigestores puede variar entre 30 y 50 días. Utilizaremos 40 días como un promedio para este cálculo.
Densidad de los residuos orgánicos: Asumiremos que la densidad es similar a la del agua, aproximadamente 1 kg/L1kg/L, para simplificar los cálculos. Esto significa que 1.08 kg de residuos orgánicos equivalen a aproximadamente 1.08 litros.
Para calcular el volumen necesario del biodigestor (V) en litros, utilizamos la fórmula: V=Residuos diarios en kg × Tiempo de retención × Densidad
Sustituyendo los valores: V=1.08 kg/día×40 días×1 kg/L
El volumen necesario del biodigestor para un hogar con 4 personas, generando 1.08 kg de residuos orgánicos por día, es de aproximadamente 43.2 litros. Este cálculo asume un tiempo de retención de 40 días y que la densidad de los residuos orgánicos es similar a la del agua.
Tipos de BIODIGESTORES
Los biodigestores pueden clasificarse según su diseño como sigue a continuación:
- Biodigestores de Domo Fijo (o de Cúpula Fija): Tienen una cámara de digestión sellada con un domo o cúpula que almacena el biogás producido. El nivel de presión del biogás se mantiene relativamente constante, y el desplazamiento del digestato es por el ingreso de nuevo material.
- Biodigestores de Domo Flotante (o de Cúpula Móvil): Cuentan con una cúpula o campana flotante que se eleva y baja en función de la cantidad de biogás acumulado. Este diseño permite una fácil visualización de la producción de biogás y una presión más variable.
- Biodigestores Tubulares (o de Bolsa): Son biodigestores flexibles, generalmente fabricados de materiales como plástico o caucho. Su forma es alargada y funcionan permitiendo que los desechos se desplacen a través del tubo, produciendo biogás que se recolecta en la parte superior.
- Biodigestores de Tipo Batch (o por Lotes): Se cargan con una cantidad determinada de materia orgánica que se deja fermentar durante un período antes de vaciar el digestor y volver a cargarlo. No están en operación continua.
- Biodigestores Continuos: Se alimentan continuamente o a intervalos regulares, permitiendo una producción constante de biogás. Este tipo puede incluir varias configuraciones, como tanques horizontales o verticales, y sistemas con múltiples etapas.
