Livestock Research for Rural Development 14 (1) 2002

http://www.cipav.org.co/lrrd/lrrd14/1/Pedr141.htm

Evaluación de los biodigestores en geomembrana (pvc) y plástico de invernadero en clima medio para el tratamiento de aguas residuales de origen porcino

Gloria Pedraza, Julián Chará, Natalia Conde, Sandra Giraldo y Lina Giraldo

 Fundación Centro de Investigación en Sistemas Sostenibles de Producción Agropecuaria (CIPAV),  Cali, Colombia
gloria@cipav.org.co


Evaluation of polyethylene and PVC tubular biodigesters in the treatment of swine wastewater
 

Abstract

A trial was carried out to assess the decontamination efficiency and biogas production of tubular biodigesters constructed with PVC (geomembrane) or polyethylene, the former being considered more resistant and durable. The trial was performed in "El Vergel" farm in south-western Colombia, at 1850 metres above sea level with an average temperature of 18 degrees Celsius. Two biodigesters of each material were installed. Each one had 520 litres of liquid capacity and was 2.6 m long. The daily input to each biodigester was a mixture of water and pig faeces (26 litres of water, 4.7 kg of pig manure and 4 litres of urine, to simulate the typical composition of wastewater in the zone). The hydraulic retention time was 15 days and the trial was conducted for six months (3 for starting the system and 3 for stabilisation).

During the starting period the volatile fatty acids (VFA) were significantly higher and more stable in the polyethylene than in the PVC biodigester (37.9 versus  33.0 mg/litroitre). During the stabilisation, the VFA were 18.9  and 18.4 mg/litroitre  for the polyethylene and PVC biodigesters, respectively. The internal temperature was similar in both biodigesters (average = 23 °C). During the starting period average biogas production was 65.5 and 66.4 litres/day for the polyethylene and PVC biodigesters respectively and increased up to 97 and 99 litres/day during the stabilisation period. The environmental temperature did not have any effect on the internal temperature of both types of biodigester (r=0.075 for polyethylene and r=0.097 for PVC). Both biodigester types showed very good removal rates of "Biochemical Oxygen Demand" (BOD) (91 and 92%, respectively) and "Chemical Oxygen Demand" (COD) (88 and 89%).

The main difference between the two biodigesters is their cost; a small biodigester (3 m long and 1.2m diameter) costs US$ 33 for polyethylene and US$ 100 for PVC. Both types of continuous flow biodigesters were highly efficient in the decontamination of piggery wastewater.

Key words: biodigester, anaerobic digestion,  biogas, decontamination, pig waste


Resumen
 

El ensayo se desarrolló en la Finca El Vergel, ubicada en la vereda Bellavista municipio de El Dovio, en zona de ladera de la cordillera Occidental del Valle de Cauca (Colombia), a 1850 m.s.n.m., con precipitación promedio de 1600 mm anuales y temperatura ambiental promedio de 18oC. El experimento comprendió dos biodigestores de plástico polietileno de invernadero y dos biodigestores en geomembrana de PVC.  Cada biodigestor poseía una longitud de 2.6 m y 520 litros de volumen líquido. Se cargaron diariamente con 34.7 litros de una mezcla (26 litros de agua, 4.7 kg de estiércol y 4 litros de orina) durante las fases de arranque (3 meses) y de estabilización (3 meses). El tiempo de retención de los biodigestores fue de 15 días.

En la fase de arranque, la concentración de AGV en el biodigestor de plástico de invernadero fue más estable y más alta que en el de PVC (39.7 versus  33.0 mg/litroitre). En la fase de estabilizacion, los valores fueron de 18.9  and 18.4 mg/litroitre  para los biodigestores de polietileno and PVC, respectivamente.  La producción de biogás en los dos tipos de biodigestores presentó un comportamiento muy similar en la fase de arranque (66.4 litros/día en los biodigestores de geomembrana y 65.5 litros/día para los biodigestores plásticos), aumentándose en la fase de estabilización hasta 98 litros/día (19% del volumen líquido).  Las temperaturas internas fueron muy similares en los dos  tipos de biodigestor, con un promedio de 23°C. En general el pH y la temperatura fueron ligeramente más altos en el biodigestor plástico de invernadero que en el de geomembrana. El pH a pesar de sus variaciones se mantuvo entre 6.8 y 6.9. La variación en la temperatura ambiental no tuvo efecto directo sobre la producción de biogás para ninguno de los tratamientos (r=0.097 para el de geomembrana y de  r=0.075 para el de plástico). Ambos tipos de biodigestores resultaron eficientes para la remoción de la materia orgánica con valores de 91 y 92% para DBO (Demanda bioquímica de oxígeno) y  88 y 89% para DQO (Demanda química de oxígeno), respectivemente.

Las diferencias principales entre los dos tipos de biodigestor radican en los costos de los materiales. Un biodigestor en geomembrana de 3.5 m de largo y un diámetro de 1.20 m cuesta $234.000 (US$ 100), mientras que el de plástico cuesta  $87,000 (US$ 33).  

Palabras claves: biodigestores, geomembrana, polietileno, biogás, descontaminación  


Introducción
 

Los sistemas anaerobios son procesos fermentativos que liberan productos finales estables y una producción celular muy baja. Van Haandel y Lettinga (1994) argumentan que sólo el 3% de la materia orgánica presente en el agua residual es convertida en masa celular. El 97% remanente es convertido vía catabolismo en CH4 y CO2 como productos finales estables. En términos generales, la producción de lodos biológicos en los sistemas de tratamiento anaeróbico es baja, reduciendo los costos de tratamiento y disposición final. Adicionalmente el CH4 producido es una fuente de energía renovable (Noyola 1997). Los procesos anaerobios tienen bajos requerimientos energéticos, e inclusive con ciertos desechos orgánicos pueden producir energía por medio del biogás (metano y dióxido de carbono). Producen pocos lodos de purga y estabilizan la materia orgánica que mantienen los nutrientes para fertilizar, lo que la transforma en un mejorador de suelos muy valioso en medios rurales (Noyola 1997). 

La digestión anaerobia se ha aplicado principalmente en el manejo de residuos orgánicos rurales (animales y agrícolas) y más recientemente en el tratamiento de aguas residuales, tanto industriales como domésticas. Se considera un proceso de fermentación y mineralización en el que la materia biodegradable es convertida a compuestos orgánicos e inorgánicos, principalmente a metano y a dióxido de carbono (Noyola 1997). La principal característica de los procesos anaerobios es la degradación de los compuestos orgánicos por parte de las bacterias que no requieren oxígeno y finalmente con sus reacciones producen el gas metano (Veenstra et al 1998).  

La fermentación es un proceso de producción de energía menos eficiente que la respiración; como consecuencia de ello, los organismos heterótrofos estrictamente fermentativos se caracterizan por tasas de crecimiento y de producción celular menores que las de los organismos heterótrofos respiratorios (Metcalf y Eddy 1996). Los procesos microbiológicos involucrados en la digestión anaerobia, hacen posible la transformación de la materia orgánica presente en el agua residual (polímeros orgánicos complejos), a una mezcla gaseosa de metano, dióxido de carbono, nitrógeno y ácido sulfhídrico, especialmente (biogás) y a un nuevo material celular, estos se llevan a cabo por medio de reacciones bioquímicas que son realizadas por varios grupos de bacterias. 

La Fundación CIPAV ha venido implementando en Colombia biodigestores plásticos de flujo continuo paa la producción de biogás (Botero y Preston 1986) y para la descontaminación de aguas servidas de uso agropecuario y doméstico, siendo la última una opción de bajo costo, fácil manejo y operación y adaptable a las condiciones tropicales  desde las zonas más bajas hasta las zonas andinas (Chará et al 1999).  

Sin embargo, el ajuste de la tecnología a diferentes condiciones ambientales, de manejo y operación y durabilidad de los sistemas ha exigido una investigación básica más detallada sobre el comportamiento y la determinación de los parámetros de diseño y de operación de los biodigestores plásticos tipo CIPAV comparados con otros fabricados con materiales de mayor durabilidad como la geomembrana (PVC) HS500.


Metodología
 

El ensayo se desarrolló en la Finca El Vergel, ubicada en la vereda Bellavista municipio de El Dovio, en zona de ladera de la cordillera Occidental del Valle de Cauca, a 1850 m.s.n.m., con precipitación promedio de 1600 mm anuales y temperatura ambiental promedio de 18oC.  

Diseño

Se evaluaron dos tipos de materiales sintéticos flexibles para los biodigestores con el fin de analizar variables relacionadas con la operación y mantenimiento y su influencia en los parámetros de remoción. Se  compararon dos biodigestores de polietileno de invernadero y dos biodigestores en geomembrana de PVC (Foto 1). Cada biodigestor poseía una longitud de 2.6 m y 520 litros de volumen líquido. El estudio duró 6 meses considerándose los primeros 3 meses como período de arranque y el resto como período de estabilización.

Foto 1: Detalle material polietileno y geomembrana y orificios para medición de AGV, pH y temperatura, y salida del biogás (tubo PVC central)

Los biodigestores se cargaban diariamente con 34.7 litros de una mezcla (26 litros de agua, 4.7 kg de estiércol y 4 litros de orina). El tiempo de retención fue de 15 días. Durante toda el ensayo se registró diariamente la temperatura ambiental y la precipitación (gráfica 1).

Gráfica 1. Precipitación y temperatura ambiental durante el período experimental
 (promedios mensuales)

Los parámetros internos, su frecuencia de medición y el sitio de muestreo se presentan en la siguiente cuadro 1 y en la figura 1. 

Cuadro 1. Parámetros medidos en la fase de arranque, frecuencia de medición y sitio de muestreo

Parámetro

Sitio

Frecuencia

Ácidos grasos volátiles (AGV)

punto interno 2

2 veces por semana

pH y temperatura

entrada y salida
puntos internos 1 y 2

2 veces por semana durante 24 horas cada 4 horas

Producción de biogás

salida del reservorio

cada ocho días

Las mediciones de AGV se tomaron en los cuatro biodigestores en las horas de la mañana. La concentración de AGV dentro de los biodigestores fue un parámetro básico para determinar la estabilización del sistema después del arranque. Se colocaron bolsas plásticas removibles en las que se  acumulaba el biogás para la posterior medición; éstas se bajaban, se enrollaban y el biogás se hacia pasar por tubería de PVC a través de un medidor de biogás (SAMGAS G4®, 6 m³/hora, piezas internas en plástico). La temperatura y el pH se tomaron con medidores digitales "Hach®".

Figura 1. Sitios de muestreo en cada biodigestor

 Los AGV fueron analizados por medio del método de titulación simple desarrollado por Dillalo y Albert (1961).

En la fase de estabilización se aplicó la misma carga que para la fase arranque. Los parámetros evaluados se presentan en el cuadro 2: 

Cuadro 2. Parámetros medidos en la fase de estabilización, sitio de muestreo y frecuencia.

Parámetro

Sitio

Frecuencia

pH y temperatura

entrada y salida
puntos internos 1 y 2

2 veces por semana duran­te 24 horas cada 4 horas

Acidos grasos volátiles (AGV)

punto interno 2

1 vez por semana

Demanda bioquímica de oxígeno

entrada y salida

 semanal

Demanda química de oxígeno

entrada y salida

semanal

Nitrógeno total Kjelhdal

entrada y salida

semanal

Nitrógeno amoniacal

entrada y salida

semanal

De igual manera que en la fase de arranque, se realizaron mediciones de biogás cada cuatro días para saber la producción diaria (litros/día). 

A continuación (Cuadro 3) se muestra la metodología y referencia de los análisis  fisicoquímicos  realizados: 

Cuadro 3. Metodología y referencia de los análisis  fisicoquímicos

Parámetros

Método de análisis

Ref. Standard Methods Edition 19th

Demanda bioquímica de oxígeno

Prueba de 5 días incubación

5210B

Demanda química de oxígeno

Reflujo cerrado y titulación

5220C

Nitrógeno total

Kjelhdal

 

Nitrógeno amoniacal

Titulación

 


Resultados y discusión
 

Fase de arranque 
Ácidos grasos volátiles (AGV)

En la gráfica 2 se observa el comportamiento de los AGV. Éstos se incrementaron hasta las semanas 12 y 13, a partir de las cuales empezaron a estabilizarse con valores que oscilaron entre 37.25 y 30 mg/litro.

Gráfica 2. Variación de los ácidos grasos volátiles en biodigestores de geomembrana y plásticos

El comportamiento de los AGV en el biodigestor de polietileno fue más estable y con descensos menos bruscos que en el biodigestor de PVC (Gráficas 3 y 4). En el análisis estadístico se encontraron diferencias significativas entre los dos tratamientos (t calculado= 4.73 >tcrítico= 2.00). Además, como era de esperarse, se encontró una alta correlación inversa entre el pH y los AGV del biodigestor en geomembrana (r=0.51) y el de plástico (r=0.73).

Gráfica 3. Comportamiento de los AGV vs pH en biodigestores de geomembrana

 


Gráfica 4. Comportamiento de los AGV vs. pH en los biodigestores plásticos 

Producción de biogás

En la gráfica 5 se presenta la producción de biogás en los dos tipos de biodigestores. No se encontraron diferencias significativas entre los dos tratamientos (T calculado< t crítico).

Gráfica 5. Producción de biogás en los biodigestores de geomembrana y plásticos 

La media de producción de biogás para los biodigestores de geomembrana es de 66.4 litros/ día y de 65.5 litros/día para los biodigestores plásticos. Se encontraron correlaciones muy bajas (r < 0.34) entre la producción de biogás y la temperatura ambiental (entre 17 y 20 oC) para cada uno de los materiales empleados en el biodigestor (Gráfica 6).

Gráfica 6. Efecto de la temperatura ambiental sobre la producción de biogás en biodigestores
de geomembrana y plástico
 

De igual manera, el coeficiente de correlación entre el biogás producido y la temperatura interna fue muy bajo en los dos tipos de biodigestores (r<0.42); este mismo resultado se obtuvo al correlacionar con AGV.  Esto indica que en la variación de la producción de biogás no se evidenció una influencia directa del comportamiento de parámetros como la temperatura ambiental, interna o AGV. 

Variación de la temperatura y el pH dentro del biodigestor.

La temperatura a través del tiempo en el biodigestor plástico de invernadero presentó valores levemente mayores que el de geomembrana en los cuatro primeros muestreos, luego el comportamiento fue muy similar. La estadística mostró que no hay diferencias significativas entre los biodigestores de geomembrana y plástico (t calculado = -1,365 < t crítico = 2.059. Existe una correlación alta entre la temperatura interna y la ambiental (r = 0.66 en geomembrana y 0.678 en plástico)(Gráfica 7).

Gráfica 7. Variación de la temperatura interna en biodigestores de geomembrana y plástico
vs temperatura ambiental 

Las temperaturas de entrada y salida para cada uno de los materiales no presentaron diferencias significativas con variaciones mínimas entre las medias y comportamientos similares entre los dos tipos de biodigestores (Gráficas 8).

Gráfica 8. Variación de la temperatura de entrada y salida en biodigestores de geomembrana y plástico 

El pH interno a través del tiempo en el biodigestor de geomembrana mostró un descenso desde el inicio (6.9 a 6.13), en el muestreo 9 volvió a incrementar (6.21 a 6.92), dando signos de estabilidad hacia el final de la etapa de arranque. El pH en el biodigestor de plástico de invernadero inició al contrario, comenzó en 6.87, se incrementó hasta 6.94, descendió a 6.18 y empezó a incrementar con la misma tendencia que el de geomembrana. En estos biodigestores el pH está por encima del rango en el que permanecen las bacterias acidogénicas, es decir que empieza a pasar a la fase metanogénica (Gráfica 9).

Gráfica 9.Variación del pH interno en biodigestores de geomembrana y plástico 

Existen diferencias significativas entre los dos tratamientos (t calculado = 3.985>t crítico = 2.019). Las bacterias metanogénicas trabajan a pH entre 6,8 y 7,2 (De Souza 1982), por lo cual aparentemente ya se está alcanzando la fase metanogénica. 

El pH de entrada y de salida para cada uno de los materiales no presentaron diferencias significativas (t calculado < t crítico). Sin embargo las medias de los pHs fueron muy similares, oscilaron entre 6.89 y 6.91 en la entrada y entre 6.77 y 6.80 en la salida. Los pHs tuvieron menos variación a partir del muestreo 10 (gráfica 10). Se halló una correlación baja (r < 0.36) entre el pH de entrada y salida para cada uno de los tratamientos, por lo cual se concluyó que no hay efecto del pH que entró al biodigestor sobre el que salió, lo cual dependió más de la variación de los AGV dentro del biodigestor.

Gráfica 10. Variación del pH de entrada y salida en los biodigestores de geomembrana y plásticos 

En general el pH y la temperatura fueron ligeramente más altos en el biodigestor plástico de invernadero que en el de geomembrana y esto está directamente relacionado con el tipo de material. 

Variación de pH y temperatura durante el día

La temperatura del biodigestores de plástico de invernadero estuvo en rangos más altos que el de geomembrana. El punto de temperatura más alto para los dos biodigestores fue a las 6:00 p.m. (geomembrana:  27.0oC; invernadero:  25.0 oC) y el más bajo a las 6:00 a.m. (geomembrana: 22.0oC;  invernadero: 21.6oC).  La mayor temperatura se registró a las 6:00 p.m. y la menor a las 6:00 a.m. (ciclos de 12 horas). 

El pH a diferencia de la temperatura no tuvo grandes cambios, en ninguno de los dos biodigestores. 

Fase de estabilización 

Con base en un diseño de bloques al azar, se realizó el análisis estadístico de los datos obtenidos.  Se aplicó una prueba de t student y se determinaron los valores calculados de t, el t crítico y el coeficiente de correlación que se pueden observar en el cuadro 4. 

Cuadro 4. Analísis estadístico de los parámetros en biodigestores de geomembrana y plásticos

Parámetros

Geomembrana

Plástico

t calculado

t crítico

Coeficiente de correlación r

AGV (mg/litro)

18.4

18.9

-1.11

2.13

0.98

Producción de biogás

96.6

98.6

-0.44

2.00

0.96

DBO

91.9

91.3

0.65

2.13

0.80

DQO

88.5

87.9

0.59

2.13

0.81

DQO/DBO

3.22

3.16

0.43

2.13

0.62

Ntotal

33.7

35.0

-0.62

2.16

0.93

Temperatura entrada

22.1

22.3

-2.22

2.57

0.98

Temperatura salida

22.4

22.5

-2.32

2.57

0.95

Temperatura interna

22.2

22.5

-3.87

2.77

0.96

pH entrada

6.88

6.87

0.29

2.57

0.60

pH salida

6.85

6.84

0.91

2.57

0.74

pH interno

6.86

6.85

0.67

2.01

0.74

Las correlaciones entre los diferentes parámetros se presentan a continuación en el cuadro 5: 

Cuadro 5. Correlaciones de algunos parámetros en la fase de estabilización

 

AGV

Producción de biogás

Temperatura ambiental

Biodigestores en geomembrana

pH interno

-0.68

 

 

Temperatura ambiental

 

0.097

 

Temperatura interna

 

 

0.39

Biodigestores plásticos

pH interno

-0.54

 

 

Temperatura ambiental

 

0.075

 

Temperatura interna

 

 

0.46

Ácidos grasos volátiles (AGV)

El comportamiento de los ácidos grasos volátiles fue similar en los dos tipos de biodigestor. Para el biodigestor en geomembrana se encontró un promedio de 18.4 mg/litro y para el de plástico 18.9 mg/litro (Gráfica 11). No se encontraron diferencias significativas entre los dos tratamientos (t calculado = -1.11> t crítico = 2.13).

Gráfica 11. Comportamiento de los AGV en biodigestores de geomembrana y plástico en clima medio 

En las gráficas 11a y 12 se observa el comportamiento de los AGV según la variación del pH; la tendencia fue la misma que en la etapa de arranque, mientras el pH aumenta, los AGV disminuyen. En este caso los AGV se reducen constantemente, lo cual favorece la fase metanogénica y la producción de biogás. El pH a pesar de sus variaciones se mantiene entre 6.80 y 6.93.

Gráfica 11a. Comportamiento de los AGV según la variación del pH en biodigestores
de geomembrana en clima medio 

Gráfica 12. Comportamiento de los AGV según la variación del pH en biodigestores plásticos
en clima medio
 

Producción de biogás

En la gráfica 13 se aprecian las producciones de biogás que son muy similares en los dos tipos de biodigestores (98 litros/día). No hubo diferencias significativas entre los dos tipos de material, lo cual se verificó en la práctica en el desarrollo del proceso de descontaminación para el biodigestor en geomembrana y el de plástico.

Gráfica 13. Efecto de la temperatura ambiental sobre la producción de biogás en biodigestores de geomembrana y plástico en clima medio 

Las diferencias principales radican en los costos de los materiales, un biodigestor en geomembrana de 3.5 m de largo y un diámetro de 1.20 m cuesta $234.000 sin reservorio, mientras que el de plástico cuesta con reservorio de 5 m para biogás y arandelas, $110.000. 

En la gráfica 13 se muestra la variación en la temperatura ambiental que no tiene efecto  directo sobre la producción de biogás para ninguno de los tratamientos. En el análisis de correlación se encontraron coeficientes muy bajos de r = 0.097 para el biodigestor con geomembrana y de r =  0.075 para el de plástico (cuadro 5). 

Demanda bioquímica (DBO) y química (DQO)  de oxígeno

Las concentraciones promedio de la demanda química de oxígeno (DQO) en comparación con la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) presentaron valores notablemente mayores, cuyas relaciones DQO/DBO estuvieron cerca de lo que indicaría mayor presencia de compuesto inórgánicos en el sistema. . Las concentraciones a la entrada de DQO variaron entre 27547 mg/l hasta 13610 y para la DBO entre 11500 y 7088 mg/l. Para los biodigestores con geomembrana, los valores de salida se encontraron entre 1839 y 2785 de DQO y entre 566 y 974 mg/litro de DBO y para los de plástico estuvieron entre 1773 y 2450 mg/l de DQO y de DBO entre 521 y 1406 mg/litro, como se apreció en el cuadro 6. 

Cuadro 6. Resultados de concentraciones promedio de DBO y DQO (mg/litro).

No muestreo

Entrada

Geomembrana

Plástico

DQO

DBO

DQO

DBO

DQO

DBO

1

27549

9090

1993

618

1828

573

2

19780

8391

2785

974

42475

1406

3

19478

7857

1839

566

18195

521

4

19250

8659

1942

527

1773

595

5

27537

10345

2742

713

2175

698

6

19917

11500

2534

826

2442

704

7

19493

10764

1999

962

2310

1098

8

13610

7088

2407

692

2450

664

Pero dadas las características del agua residual, el aporte por materia inorgánica se debe encontrar en una muy baja cantidad; aunque se debe tener en cuenta que el estiércol aporta al sistema celulosa, la cual es procedente del forraje de la alimentación de los cerdos (nacedero, Trichanthera gigantea  y salvinia, Salvinia natans). y que difícilmente se determina en la DBO por ser un compuesto cuya degradación por parte de las bacterias se realiza de manera lenta, pero si es cuantificado por la DQO en la oxidación realizada por el dicromato de potasio. 

En cuanto al comportamiento de las remociones de DQO y DBO en los biodigestores se observó que se redujeron con respecto a los valores obtenidos durante el arranque, por lo cual se pudo asumir que se empezó a estabilizar el proceso para iniciar la fase metanogénica. Noyola (1997) afirma que en sistemas anaerobios como el UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) para aguas residuales domésticas, la eficacia de remoción de estos parámetros serán bajas al inicio del arranque, tal como se evidenció en esta etapa, pero a medida que la cama de los lodos crezca y aumenten las bacterias metanogénicas, ésta mejorará. No se encontraron diferencias significativas entre los dos tipos de biodigestores tanto para la DBO, la DQO como para la relación DBO/DQO (t calculado< t crítico). 

Noyola (1997) menciona que en un momento dado, las remociones pueden registrar una disminución progresiva en su eficacia para remover la materia orgánica durante las semanas posteriores al inicio del arranque, ya que después de haberse acumulado cierta cantidad de sustrato sólido, éste empieza a ser hidrolizado, pero aún la presencia de las bacterias metanogénicas, consumidoras del producto de la hidrólisis no es tan significativa como para que dichas bacterias puedan eliminar los productos solubilizados intermedios que por tanto, aparecerán en el efluente. Esta tendencia en la disminución de la remoción encontrada por Noyola (1997), se asemeja a la tendencia remoción de DQO y DBO tanto en los biodigestores de geomembrana como en los de plástico, tal como se aprecia en las gráficas 14 y 15.

Gráfica 14. Remoción de la DBO en biodigestores de geomembrana y plástico en clima medio 

Gráfica 15. Remoción de la DQO en biodigestores de geomembrana y plásticos en clima medio 

Este proceso de la hidrolización de la materia orgánica se relaciona de manera directa con los resultados obtenidos en nitrógeno total (NTK) y en nitrógeno amoniacal ya que el nitrógeno que se encuentra al inicio en el agua residual en esta forma orgánica, una vez ingresa a los biodigestores y se hidroliza la materia orgánica en compuestos de cadena más corta, los compuestos inorgánicos se transforman y aportan nitrógeno amoniacal. Los resultados arrojados por los biodigestores con materiales de geomembrana y plástico mostraron remociones promedio muy cercanas entre sí, sin diferencias estadísticamente significativas, es decir que el tipo de material no fue un factor significativo en la remoción de materia orgánica, 

Nitrógeno total

En el cuadro 7 se muestran las concentraciones de nitrógeno total del afluente de entrada a los biodigestores y el promedio de los efluentes de los biodigestores en geomembrana y plástico.  Se puede observar que a pesar de utilizar una mezcla de agua: heces homogénea, los valores de N total varían a la entrada durante el experimento, presumiblemente debido a variaciones en la alimentación y tamaño de los animales. Sin embargo, estos cambios en el influente no tienen efecto en las concentraciones de salida para ninguno de los biodigestores en los muestreos siguientes.  

Cuadro 7. Concentraciones de nitrógeno total (NTK) en mg/litro.

No. muestreo

Nitrógeno total (NTK) mg/litro

Entrada

Salida de Biodigestores

Geomembrana

Plástico

1

600

459

484

2

790

430

407

3

556

467

465

4

211

161

166

5

258

176

174

6

290

203

190

7

59

206

163

Nitrógeno amoniacal

En el cuadro 8 se muestran las concentraciones de nitrógeno amoniacal en mg/litro en el afluente de entrada y en los efluentes de salida (promedios de cada tratamiento). 

Los valores más bajos de nitrógeno amoniacal se registraron por parte del agua residual cruda, con respecto a la salida de los biodigestores; esta diferencia se hizo menor a partir del cuarto muestreo; en general tienden a disminuir la concentración, aunque para la última fecha de muestreo se apreció un leve aumento de las concentraciones de nitrógeno amoniacal tanto para el agua residual de entrada como para los efluentes de salida de los biodigestores (Gráfica 16).

Gráfica 16. Concentración del nitrógeno amoniacal en el influente y efluentes de los biodigestores
 de geomembrana y plástico
 

Se determinó que el nitrógeno total a la salida de los biodigestores está presente en su mayoría como nitrógeno amoniacal, ya que los valores de éstos últimos fueron muy cercanos a los del nitrógeno total (Cuadros 7 y 8). 

En los análisis realizados correspondientes a nitrógeno amoniacal, se pudo determinar que esta forma del nitrógeno fue producto de las reacciones ocurridas a partir de las formas orgánicas del nitrógeno. 

Cuadro 8. Concentraciones de nitrógeno amoniacal

No. muestreo

Nitrógeno amoniacal (mg/l)

Entrada

Salida de Biodigestores

Geomembrana

Plástico

1

149

344

337

2

212

373

338

3

177

406

393

4

72.9

152

129

5

69.7

122

108

6

53.8

52.3

85.5

7

88.7

162

152

Fue por ello que inicialmente el agua residual de estiércol de cerdo presentó bajas concentraciones promedio de nitrógeno amoniacal, debido a que el nitrógeno se encontró en su mayor parte en forma orgánica, donde su principal aporte está dado por la urea y las proteínas que aún no han sufrido la hidrólisis para permitir la transformación a nitrógeno amoniacal; tal como se puede apreciar en la gráfica 16. 

Gráfica 17: Efectode la biodigestión sobre la transformación
de nitrogeno (orgánico) en nitrógeno amoniacal

La proximidad de las concentraciones de nitrógeno amoniacal a las del nitrógeno total evidenció una vez más que los biodigestores actuaron como medio para hacer posible la hidrólisis del nitrógeno orgánico.
 

Conclusiones 

Esta investigación permite corroborar estadísticamente que los biodigestores tubulares de flujo continuo son una excelente alternativa para el tratamiento de aguas residuales de origen porcino, pues se logran altas remociones de materia orgánica y buena producción de biogás a muy bajo costo.

Se estableció además que para temperaturas ambientales de 18 a 21 grados centígrados como las de este ensayo, es adecuado trabajar 15 días de tiempo de retención y una carga volumétrica diaria de 0.066 m³/m³ de biodigestor. Con estos parámetros se puede esperar una remoción de DBO mayor del 90% y de DQO mayor del 85%, y una producción de gas de 184 litros diarios por m3 de biodigestor.

El tipo de material no afectó significativamente el comportamiento de la mayoría de los parámetros evaluados en este ensayo. La única diferencia notable entre los dos materiales es el costo, pues un biodigestor de 3m de longitud y 1m de diámetro cuesta en Colombia US$ 33 en plástico y US$ 100 en membrana de PVC. Sin embargo, aunque la comparación de la duración de los materiales no hizo parte de esta investigación, por experiencias anteriores con biodigestores de plástico y la duración de la lámina de PVC en otras aplicaciones se puede deducir que el PVC aunque es de mayor costo, también puede presentar una mayor durabilidad.

Las concentraciones de nitrógeno total y nitrógeno amoniacal logradas en los efluentes de los biodigestores requieren de un posterior tratamiento, puesto que bajo estas condiciones pueden alterar de manera nociva el medio ambiente.


Agradecimientos

A COLCIENCIAS por su apoyo financiero al ensayo en el marco del proyecto "El Sistema De Descontaminación Productiva Cipav: Una Tecnología Para Reducir La Contaminación De Agua Por Vertimientos Pecuarios Y Domésticos".

A la Fundación Charles A & Anne Morrow Lindbergh por al apoyo para la realización de la investigación.

A Ramiro Giraldo, propietario de la finca El Vergel, vereda Bellavista, Municipio de El Dovio por prestar la finca para el desarrollo de la investigación y aportar en la construcción del sistema.
 

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Received 7 November 2001

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