Lecherías o porquerizas.

Ing. Joaquín A. Víquez Arias
Coordinador del Programa Agroambiental
Cooperativa de Productores de Leche Dos Pinos R.L.
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El digestor anaeróbico, popularmente conocido como biodigestor, tiene sus raíces desde los 1770´s cuando el científico italiano Alessandro Volta colectó muestras de gas de pantano  e investigó sobre sus propiedades inflamables (GTZ. 1998).
Hoy, la tecnología de biodigestores es utilizada notoriamente, por ejemplo: Alemania montó su primera planta anaeróbica (biodigestor) en 1906, y para 1997 tenía por encima de 400 plantas industriales (GTZ. 1998); para el 2010 se espera una capacidad instalada de 5.300 a 6.300 Mega Watts (MW) (Reith, et al. 2003). Dinamarca, gracias a una política impulsada por el gobierno, tienen cerca de 20 plantas centralizadas de biogás (Reith, et al. 2003). España espera, gracias al empuje del Ministerio de Ciencia e Innovación, tratar los 83,5 millones de toneladas de desecho anuales y convertirlos en 8000 millones de m3 de biogás/año (Oshima, T. 2009) (25 millones de estañones de gasolina). Grandes promotores de dicha tecnología lo son también Suiza y Suecia. En China se estima que más de 20 millones de personas utilizan el biogás como combustible (GTZ. 1998).
El amplio uso de dicha tecnología se debe a que la digestión anaeróbica es un proceso tecnológico simple, con bajos requerimientos energéticos, utilizado para convertir materia orgánica de un vasto rango de tipos, en metano (Reith, et al. 2003). Adicionalmente es una tecnología para el tratamiento de aguas/desechos residuales, reduce: malos olores, patógenos y en algunos casos, gases de efecto invernadero. Finalmente la tecnología no afecta el contenido de nutrientes, lo que convierte el efluente  en un excelente fertilizante para suelos (Wilkie, A. 2005).
Un detalle clave para sacar el máximo provecho a la tecnología de digestores anaeróbicos en fincas agropecuarias (lecherías y porquerizas) es un adecuado dimensionamiento del biodigestor. Cada biodigestor debería ser dimensionado acorde a las características de cada finca, indiferente de su tamaño; la tecnología es apta para granjas de cualquier tamaño (desde 1 animal a miles de animales).
Previo al dimensionamiento de un biodigestor, es esencial definir el tipo de biodigestor a utilizar. Los tipos de biodigestores se clasifican en dos tipos: 1. De alta tasa y 2. De baja tasa. Los digestores de alta tasa se caracterizan por tiempo de retención hidráulico (TRH) bajo, pero tiempo de retención alto de lodos . Por otro lado, los digestores de baja tasa, se caracterizan por tener alto TRH y retención de lodos (Reith, et al. 2003).
A nivel de costos, los biodigestores de alta tasa, a pesar de que tendrán un tamaño considerablemente más pequeño que un biodigestor de baja tasa, son mas costosos por su nivel tecnológico (control de temperatura, sistemas de agitación, retorno de lodos, entre otros), y su rentabilidad no es aceptada al menos que sean proyectos con altos volúmenes de aguas residuales.  Por tanto, es común el uso de biodigestores de baja tasa para granjas agropecuarias.

Imagen 1. Biodigestor tubular de PVC de 7,85 m de circunferencia. Proyecto Alex Romero en Agua Zarcas. (Víquez, 2009).
En Costa Rica ha sido muy común el biodigestor tubular de plástico (PVC o Polietileno), popularmente conocido como biodigestor salchicha o mortadela. También se han desarrollado experiencias a partir de concreto o lagunas tapadas. Todos se caracterizan por ser biodigestores de baja tasa, con ingreso de influente  con una concentración de sólidos entre del 8% hasta menor a 1%.

Parámetros de diseño
La forma más usual para diseñar un biodigestor es utilizando como regla o parámetro, el tiempo de retención hidráulico (TRH). El TRH es el tiempo en que tarda, hidráulicamente hablando, el material que alimentamos (influente/mezcla) hasta que salga (efluente). Es común escuchar el uso de 30 días de retención para biodigestores de baja tasa.
El TRH tiene su fundamento en el proceso de digestión anaeróbica. Dicho proceso inicia con la hidrólisis, donde polímeros no solubles se convierten en compuestos orgánicos solubles. Seguidamente dichos compuestos se convierten en ácidos grasos volátiles y dióxido de carbono. Luego estos ácidos orgánicos se convierten en acetato e hidrogeno, para que finalmente formen metano (Reith, et al. 2003). El TRH trata de garantizar que exista suficiente tiempo para que se dé el proceso antes mencionado. Si el TRH es muy bajo, se da un “lavado de microorganismos”, generando que su recuperación (reproducción) sea más LENTO con respecto a la “alimentación”, haciendo que el biodigestor se acidifique rápidamente (predominan las bacterias formadoras de ácidos grasos volátiles) (GTZ. 1998).
Sin embargo, el utilizar el TRH, como único parámetro de diseño, puede llevar a un error, dado que cada finca se caracteriza por tener diferentes tipos y cantidad de excreta. Analicemos lo anterior: Utilicemos como ejemplo Finca A y Finca B, donde ambas generan excreta en las mismas condiciones, con la variante del uso del agua de lavado para los proceso de limpieza. Ver tabla 1 para los detalles específicos.
Tabla 1. Resumen de las características de ambas fincas.

Si estandarizamos el diseño del biodigestor utilizando como único parámetro el TRH (por ejemplo en 30 días), obtendríamos que Finca A, necesitaría un biodigestor de 78,3 m3 y finca B un biodigestor de 42,3 m3. Es difícil de pensar que dos fincas donde se genera excreta exactamente en las mismas condiciones (cantidad y calidad) difieran en el tamaño del biodigestor, simplemente por la diferencia en el uso de agua. Analicemos, adicionalmente, la concentración de influente.  Mientras que Finca A tendría un efluente con una concentración de alrededor de 4800 mg/L DQO, Finca B tendría una concentración de 8900 mg/L DQO (Ver tabla 1). Lo más lógico seria que el biodigestor de la finca con un influente mas concentrado (el caso de finca B), tuviese asignado más TRH dado que requiere de más tiempo para descomponer, sin embargo no es el caso.
Dado lo anterior, se reafirma el hecho que el diseño de los biodigestores no debería ser dimensionado utilizando únicamente el parámetro de TRH.
Por tanto, otro parámetro de diseño que podría ser incorporado es el ORL . El ORL es una expresión de la cantidad de “comida” que esta entrando al biodigestor por volumen (House, D. 1978). Esta normalmente se expresa como kg de DQO por m3 de biodigestor, por unidad de tiempo (día) (USDA. 2007). El ORL, se basa en el principio fundamental de un biodigestor: “Comida” versus “microorganismos”. Entre más microorganismos haya dentro del biodigestor, más “comida” por volumen le podremos dar (biodigestor de alta tasa), pero si la población de microorganismos es baja, así debería ser su alimentación (biodigestor de baja tasa). Ver tabla 2 para detalles sobre el ORL de otros tipos de biodigestores.
Tabla 2. Diferentes tipo de biodigestores con su ORL recomendado (USDA. 2007).

Tal y como se explico anteriormente, en granjas agropecuarias es común el diseño de biodigestores de baja tasa. Para efectos de este artículo se utilizará un ORL de 0,2 kg de DQO/m3/día. Volviendo al diseño de un biodigestor con el parámetro de ORL y manteniendo el ejemplo anterior (Finca A versus Finca B), obtenemos lo siguiente:
Dado que ambas fincas tiene la misma cantidad de kg de DQO por día (ver tabla 1), los biodigestores son del mismo tamaño (63 m3). Ahora bien, procurado que ambas fincas requieren del mismo tamaño de biodigestor, pero Finca A utiliza el doble de agua de lavado (2,4 m3) que Finca B (1,2 m3), el TRH cambian sustancialmente.
Mientras que Finca A tiene 24 días de retención (TRH), finca B tiene 45 días de retención (TRH). Según (GTZ. 1998) comenta que 30 a 40 días de TRH es lo recomendado. De igual forma, Finca A incumple con lo mínimo requerido de TRH para un correcto funcionamiento.
Basado en lo anterior, vemos que a pesar de utilizar un parámetro de diseño que busca estandarizar el dimensionamiento de un biodigestor por la cantidad de excreta, es necesario no dejar de lado el tiempo de retención hidráulico (TRH) y realizar una combinación de ambos.

Imagen 2. Biodigestor tipo laguna tapada. Fotografía cortesía de Ing. Irene Cañas; Tecnologías de Generación, ICE.

¿Cómo diseñar un biodigestor?
Recapitulando, para el dimensionamiento de un biodigestor de baja tasa, es necesario conocer los siguientes parámetros:
- Kg de excretas diarias : Se estima de acuerdo a la cantidad de animales y su peso vivo, además del tiempo que permanecen en los corrales de espera/ordeño/estabulado.
- Demanda química de oxigeno9: Basado en un análisis de laboratorio de la excreta fresca, o bien utilizar datos de otros proyectos.
- Consumo de agua para el lavado: Se estima conociendo el flujo (litros por segundo) de la maguera que se utiliza para el lavado, y el tiempo de lavado (segundos). 
- % de eficiencia del separador de sólidos : Existe cierta estandarización dependiendo del tipo de tecnología a utilizar.
- % de extracción de sólidos fibrosos del separador de sólidos: De igual forma, existe cierta estandarización dependiendo del tipo de tecnología a utilizar.

El procedimiento para el dimensionamiento del biodigestor es:
1. Estimar la cantidad de influente o mezcla a generarse diariamente expresado en m3/día.
2. Calcular los kg de DQO que estarán entrando al biodigestor diariamente (kg DQO/día).
3. Definir, dependiendo si el biodigestor es de alta o baja tasa, el ORL (kg de DQO/m3/día).
4. Estimar el volumen del biodigestor (m3).
5. Verificar que el TRH este dentro del rango recomendado.

1.       Estimar la cantidad de influente o mezcla a generarse diariamente expresado en m³/día.Inicialmente se debe estimar la producción de excreta:

Seguidamente se estima el consumo de agua para el lavado. Se aconseja aforar el flujo de la manguera utilizada para lavar, llenando un balde de 5 galones (20 L)  y tomando tiempo que tarda en llenarse. Suponiendo que el balde de 20 L se lleno en 16 segundos, significa que el flujo es 1,25 litros por segundo (lps).

La finca realiza el lavado de los galerones 2 veces al día y tardan aproximadamente 1,2 horas (72 minutos) por lavado, o bien 144 minutos (2,4 horas) / día. Dado lo anterior, y considerando que se utiliza un caudal de 1,25 lps, se puede calcular que se utiliza aproximadamente 10.800 L (144 min x 60 segundos/min = 8.640 segundos x 1,25 lps = 10.800 L o 10,8 m³).

2.       Calcular los kg de DQO que estarán entrando al biodigestor diariamente (kg DQO/día).

La cantidad de kilogramos de DQO que se generan por día se estima utilizando la concentración de DQO de la excreta, sustrayendo el porcentaje de reducción acorde a la eficiencia del separador de sólidos. La finca genera 1.360 kg de excreta bruto con una concentración de 110.000 mg/L de DQO.

3.       Definir, dependiendo si el biodigestor es de alta o baja tasa, el ORL (kg de DQO/m3/día).

Para verificar que TRH es adecuado, se divide el volumen del biodigestor estimado, entre el volumen del influente/mezcla diaria:

Ahora bien, aquí se determina que el TRH, se encuentra fuera del rango recomendado (mínimo 30 días; recomendable 40 días). Tomar en cuenta que el biodigestor no cambia de tamaño con mayor o menor uso de agua, ya que se dimensiona con el DQO, pero si considerar que disminuir el consumo de agua, hace que el volumen de la mezcla final disminuya, aumentando TRH que finalmente se traduce a mayor rendimiento del biodigestor.

Para lograr equilibrar el consumo de agua, es necesario calcular el volumen de la mezcla ideal. Sabemos que el volumen del biodigestor no cambia (262 m³), y esperamos que el TRH suba a 40 días. Por tanto: 262 m³ / 40 días de TRH = 6,55 m³ de mezcla ideal diaria.

El paso siguiente es sustraer a 6,55 m³ de mezcla, la excreta bruta (952 kg), y se obtiene la cantidad de agua máxima a utilizar 5,6 m³. Dado que el flujo de la finca es de 1,25 lps, es fácil determinar el tiempo máximo de lavado: 5.600 / 1,25 lps = 4.480 seg / 60 = 75 minutos.

Esto reta a la finca a realizar y ejecutar un plan de uso racional de agua (Producción Más Limpia), no solo como “política” de racionamiento de agua, pero también con el fin de optimizar el biodigestor. En este caso la finca deberá bajar su consumo de agua de 10,8 m³ a 5,6 m³ (48%).

En conclusión, se requiere de un biodigestor 262 m³ de capacidad, para tratar 6,55 m³ de mezcla diariamente, de los cuales 952 kg son excreta. Si el interés es hacer un biodigestor tubular de PVC con 7,85 m de circunferencia (Ver imagen 1), colocado en una fosa trapezoidal inversa, con una proporción de 25% biogás y 75% mezcla, se requiere un biodigestor de 80 m de largo[2]. Actualmente eso tiene un costo (solamente la bolsa de PVC – no incluye movimientos de tierra o instalación) de aproximadamente $7.000 con una vida útil de 10 años. ($2,6/m³ de biodigestor/año de vida útil).

Existe otra posibilidad de realizar el biodigestor tipo laguna tapada (ver imagen 2) (parecido a un biodigestor tubular) con la variante que el dimensionamiento no esta limitado al ancho, largo o profundidad. Para este caso, se requiere de una laguna de 14 m x 14 m x 3,3 m de profundidad, con taludes 1:1.

- El ahorro de agua, o uso racional de agua en la finca, busca aumentar el TRH del biodigestor, mejorando la eficiencia del mismo.           

- Para lograr disminuir al máximo el tamaño de un biodigestor, se debe aumentar el ORL, pero para esto es necesario de alguna forma aumentar la concentración de microorganismos internamente (retención con filminas o bombeo de efluentes de regreso al biodigestor) (Reith, et al. 2003).

- Cada biodigestor debe ser diseñado acorde cada finca y por personal especializada.
 

T. 2009. España, una potencia mundial en biogás. El mundo (noticiero). (En Línea). Disponible en: http://www.elmundo.es/elmundo/2009/07/09/ciencia/1247134985.html

Reith, JH., Wijffels, RH. y Barten, H. (eds). 2003. Bio-methane and Bio-hydrogen. Dutch Biological Hydrogen Foundation. 168 p..

Ribeiro, D. 2008. Biodigestor Trapezoidal: Cálculo de dimensiones en función de la proporción Gas/mezcla liquida. Sin publicar. 2 p.

USDA (US Department of Agriculture). 2007. An Analysis of Energy Production Costs from Anaerobic Digestion Sytems on Us Livestock Production Facilities. USA. 27 p.