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Biogás a partir de basura con la mínima tecnología

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Esta es la historia del desarrollo de un prototipo de biodigestor para tratar basura orgánica y generar biogás y biol en Bolivia, pero bajo el concepto de 'tecnología estrictamente necesaria', en contraposición a las tecnologías más sofisticadas y conocidas en Europa. Es la historia de un proceso colaborativo donde han participado casi una decena de instituciones de Bolivia, Ecuador, España y Holanda, durante los últimos dos años. El artículo es de Jaime Martí Herrero, Daniel Chemisana, Alex Gustavo Soria y Aitor Díaz de Basurto*.
Biogás a partir de basura con la mínima tecnología

Es una historia, que aun sin finalizar, ya puede adelantar sus resultados, produciendo buena cantidad de biogás de forma estable a partir de basura orgánica, sin necesidad de preparamiento de la misma, y sin necesidad de sistemas de calefacción o mezcla mecánicos.

El leitmotiv del diseño realizado se basó en el concepto ‘just right technology’, que traducido al castellano vendría a ser ‘tecnología estrictamente necesaria’, y que  ha traído a la actualidad el profesor Ugo Bardi. Este concepto sería una evolución actualizada de aquella tecnología intermedia, o apropiada, que dio a conocer Schumacher en su libro “Los pequeño es hermoso” del año 1973. Lo que hay detrás de estos conceptos y prácticas no es más que evitar la tecnificación, complejización y sofisticación, y ayudar a resolver los problemas dando la mínima solución tecnológica necesaria adaptada a cada contexto.

En la gestión y tratamientos de residuos orgánicos existen mecanismos de aprovechamiento energético y agrícola del proceso como son los biodigestores, que producen biogás y biol. Otros tratamientos, como compostaje o lombricultura ofrecen aprovechamiento agrícola por el fertilizante generado, mientras que en el caso de la incineración el aprovechamiento es únicamente energético.

Los biodigestores que se han venido implementando en Europa entran generalmente en el concepto de sofistificación tecnológica, y ya se cuenta con más de 14.000 plantas de biodigestión en Europa, 9.000 de ellas en Alemania. Estos sistemas  sofisticados se caracterizan principalmente por centralizar el tratamiento de los residuos, por incluir sistemas de pre–tratamiento y homogenización de los residuos antes de entrar al biodigestor, por calefactar los biodigestores usando parte del propio biogás generado, por disponer de sistemas mecánicos de mezcla continua del sustrato y por los altos costes de inversión de capital y de operación.

Quizás estos sistemas pueden ser considerados apropiados para los países llamados desarrollados en el contexto actual, pero no para la mayoría de la población mundial que vive en los países llamados en vías de desarrollo o directamente empobrecidos. Parecería que es Europa el líder en la tecnología del biogás, y más concretamente Alemania, pero esta es sólo la parte de los efectos especiales de la película. En otros países el desarrollo e implementación de biodigestores es dos órdenes de magnitud superior a la europea. Sólo China cuenta con más de 40 millones de biodigestores instalados, India con más de 8 millones, y un país como Nepal, con menos de 30 millones de habitantes, están llegando a los 300.000 biodigestores.

En todos estos casos hablamos de biodigestores como tecnología apropiada, aquella caracterizada por su pequeña escala, descentralización, máximo uso de materiales locales, fácil mantenimiento y operación y accesibles para la mayoría de la población. Estos biodigestores tratan los residuos de forma descentralizada, normalmente a nivel familiar, no hay pre–tratamiento del sustrato, ni calefacción activa, y la agitación en el interior del biodigestor, cuando se hace, es aprovechando la presión neumática producida por la generación de biogás, siendo sistemas baratos, accesibles, replicables y de bajo coste de operación y mantenimiento.

En este contexto internacional, se ha desarrollado un prototipo de biodigestor para el tratamiento de 100 kg diarios de restos orgánicos procedentes de un mercado en Tiquipaya (Bolivia), a 2.600 metros sobre el nivel del mar, en los Andes bolivianos. Este prototipo se diseñó y construyó con el objetivo de cumplir dos funciones. Por un lado, para poder consolidar la propuesta tecnológica con enfoque ‘apropiado’ y, por otro, a partir de los resultados obtenidos, escalar el diseño para el tratamiento de una tonelada diaria de residuos orgánicos.

Antecedentes del proyecto
La Agència de Residus de Catalunya (ARC) inició una colaboración con Bolivia en 2010 para apoyar políticas de gestión integral de residuos sólidos urbanos, y una de sus contrapartes más exitosas es la del Gobierno Autónomo Municipal de Tiquipaya. Este municipio, con apoyo de la ARC, puso en marcha una planta de compostaje y lombricultura de la fracción orgánica de los residuos sólidos (Forsu) que sigue funcionando en la actualidad. Tiquipaya cuenta con 50.000 habitantes y se encuentra en el valle interandino de Cochabamba, en el centro del país, un lugar que disfruta de un microclima con temperaturas máximas de entorno a 30º C y mínimas siempre superiores a los 0º C, a pesar de su altitud de 2.600 m.

Por otro lado, el Building Energy and Environment Group del Centre Internacional de Mètodes Numèrics en Enginyeria (Cimne), venía desarrollando tareas de investigación, desarrollo e implementación de biodigestores en Bolivia en sinergia con otros actores internacionales (GIZ, Hivos, SNV, etc) y locales como la Universidad Mayor de San Andrés. Junto con esta universidad formaron el Centro de Investigación de Biodigestores, Biogás y Biol (CIB3) ubicado en Viacha a 3.850 m en el altiplano boliviano, no muy lejos del Lago Titicaca y de la ciudad de La Paz.

Desde diferentes ámbitos se demandó al CIB3 el desarrollo de una solución tecnológica apropiada de biodigestores para el tratamiento de Forsu. En conversaciones con la ARC y el ayuntamiento de Tiquipaya, se ofreció un espacio y apoyo para la instalación y monitoreo de un futuro digestor de bajo coste.

Diseño y construcción del biodigestor
Para el diseño del biodigestor, Cimne y UMSA contaron con el apoyo de un estudiante  del máster en Ingeniería ambiental de la Escuela de Caminos de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) que visitó Bolivia con el apoyo del  Grup de Recerca en Cooperació i Desenvolupament Humà (Grecdh) y el Centre de Cooperació per al Desenvolupament (CCD) de esta universidad. Hivos, ONG holandesa apoyó al Cimne para coordinar  la investigación y desarrollo del prototipo.

Las condiciones de diseño críticas, inherentes en el tratamiento de Forsu, que debía de superar el diseño, sin acudir a pre–tratamientos y sistemas activos propios de los sistemas sofisticados, son:  
• La basura orgánica siempre está ‘contaminada’ por impropios, como plásticos o metales. Esto se suele solucionar en las propuestas sofisticadas por la inclusión de sistemas de pre–tratamiento de la Forsu, que suponen separación de impropios, trituración y homogenización.
• La basura orgánica tiene alto contenido de materiales fibrosos, que hacen que esta flote en el interior del biodigestor, llegando a formar una costra. Esto se suele evitar en los sistemas sofisticados, además de por el tratamiento de trituración para reducir el tamaño de partícula, por una agitación continua en el interior del biodigestor.
• Consumo energético para calefacción del biodigestor, que se suele hacer usando parte del propio biogás generado.

¿Cómo se han enfrentado estos problemas desde otros puntos de vista? India es un universo en sí mismo que ha desarrollando soluciones propias, y variadas, a todos estos problemas. Las tecnologías propuestas en India pasan por sistemas que no requieren de pre–tratamiento, ni de sistemas activos de calefacción ni agitación o mezcla. El sistema desarrollado por la ONG Biotech, por ejemplo, es capaz de trabajar 250 kg de Forsu por día sin necesidad de pre–tratamiento ni adición de agua, recirculando el efluente desde la salida a la entrada mediante un bomba, usando un modelo de biodigestor cúpula flotante clásico de 25 m3.

En este caso el biogás producido se utiliza para alimentar un generador eléctrico que abastece de corriente a todo el mercado e incluso al alumbrado público exterior. Otro caso es el sistema modular Astra, que trata 500 kg/d de Forsu, e incluso biomasa verde (residuos de poda) sin necesidad de pre–tratamiento ni adición de agua y ni siquiera de recirculación del efluente hacia la entrada. Estas son soluciones creativas que abogan por una reducción en la sofisticación y por tanto en el capital de inversión y gastos de operación y mantenimiento.

Sumado a estas experiencias está la propia boliviana en el aprovechamiento de la radiación solar, mediante el diseño solar pasivo de los biodigestores, para calefactarlos. Con estas técnicas bioclimáticas aplicadas a biodigestores se ha logrado hacer funcionar biodigestores a 4.300 m, en lugares con noches en las que se alcanza los 20º C bajo cero, manteniendo el biodigestor entorno a los 20º C. Con estos antecedentes se diseñó el biodigestor de Tiquipaya.
 
Biodigestor Tiquipaya Bolivia esquema
Esquema del biodigestor instalado en Tiquipaya.

El grupo de investigación en Sistemas Dinámicos Aplicados en Energía Solar (Sdaes) de la Universidad de Lleida (UdL) junto con su Oficina de Desarrollo y Cooperación (ODEC) , iniciaron en colaboración con Cimne, la Universidad Mayor de San Andrés y el ayuntamiento de Tiquipaya la construcción del prototipo para su puesta en marcha. Además, investigadores de Sdaes desarrollaron un modelo matemático que describa el comportamiento energético del biodigestor.
 
El biodigestor desarrollado es un sistema semienterrado de 12 m3 construido en geomembrana de polietileno, dimensionado para tratar 100 kg diarios de Forsu, sin pretratamiento ni adicción de agua. Tal y como se puede observar en la figura 1 y 2, para la carga del Forsu hay dos ‘chimeneas’, para que en caso de que una se obstruya, poder usar la otra hasta que se degrade la basura en la primera. Estas entradas conectan con la cámara de digestión anaerobia, cuya cubierta se encuentra por debajo del nivel hidráulico, permitiendo dos cosas: por un lado la sumersión forzosa de la Forsu (aprendido del modelo Astra de la India) y por otro la ganancia de radiación solar directamente sobre la fase líquida del biodigestor, y no sobre la fase gaseosa como se venía haciendo hasta ahora.

Para mantener este calor y no perderlo hacia el suelo, la zanja donde está semienterrado el biodigestor está aislada con 10 cm de poliestireno expandido (aprendiendo de la experiencia del CIB3 en Bolivia). La cámara de digestión se conecta con otro sector donde se encuentra la cúpula donde se almacena el biogás. La acumulación de biogás en esta cúpula ejerce presión sobre el lodo interior, desplazándolo hacia la entrada y salida y bajando su nivel en este sector. Cuando el biogás es liberado o consumido, el lodo interior vuelve a su nivel de equilibrio, produciendo un movimiento de sube y baja que hace las veces de mecanismo natural de agitación (aprendido de los modelos Camartec de Tanzania).

Este movimiento también se puede aprovechar como sistema para romper la costra que su pudiera producir, si es que en el nivel medio se incorporan barras transversales que el lodo atraviese en ese sube y baja (aprendido de la Raman, 1989, India) . La última parte es un volumen abierto de salida de biol, suficientemente ancho como para que una persona pueda ingresar al interior, cuando sean requeridas tareas de limpieza y mantenimiento. Desde este punto se bombea biol a las chimeneas de entrada para facilitar la carga de Forsu (aprendido del modelo Biotech de India). 

Biodigestor Tiquipaya Bolivia
Momento de la instalación del biodigestor. Se puede apreciar el interior a falta de soldar la cúpula. Se ve el sistema de barras que cruza la zona de captura de biogás. Estas barras romperán la costra que se pueda formar en la superficie del lodo, debido al movimiento oscilatorio vertical del lodo producido por la presión del gas).

Funcionamiento del biodigestor
Para la caracterización de la fracción orgánica de los residuos sólidos (Forsu), puesta en marcha y monitoreo del comportamiento térmico y de producción de biogás del biodigestor se cuenta con el apoyo de un estudiante de ciencias ambientales de la Universidad Católica Boliviana San Pablo (Ucbsp), como parte de su tesis de graduación.

El biodigestor inició su puesta en marcha en agosto de 2014 lleno de agua (y no se ha vuelto a añadir más) y comenzó a ser cargado de manera semanal con 70 kg de rumen y estiércol de vaca mezclado de un matadero cercano, sin adicionar agua. A las cinco semanas se logró una producción estable de biogás y se comenzó con el cambio de dieta del biodigestor y la recirculación de poco menos de 1.000 litros diarios de biol. Esto se hizo de manera progresiva durante tres semanas, amentando la frecuencia de carga y desplazando gradualmente parte de los 70 kg de rumen por Forsu. Finalmente, desde diciembre de 2014 se está cargando el biodigestor únicamente con Forsu.

En este artículo presentamos los resultados del monitorio de producción de biogás y operación de 22 días en los cuales se muestra un comportamiento estabilizado en producción y carga, como se muestra en la figura 4. A pesar de que el biodigestor está diseñado para una carga diaria de FORSU de 100 kg/d, durante el periodo reportado solo se ha llegado a una carga media de 54 kg/d, debido a que los fines de semana y festivos, no se ha cargado y a problemas en la recolección del Forsu por mantenimiento de maquinaria. Estos 54 kg/d de Forsu de carga media diaria han generando más de 5.000 litros de biogás por día.

Biodigestor Tiquipaya Bolivia operación
Operación y comportamiento del biodigestor de Tiquipaya durante tres semanas.

El biodigestor produce 95 litros de biogás por cada kg de Forsu que se carga. Este biogás combustiona ya que se ha probado in situ, pero aun no se ha analizado su calidad y porcentaje de metano. El biodigestor está trabajando a una temperatura estabilizada de 24º C gracias al aislamiento en zanja y la ganancia solar, mientras que la temperatura ambiente media es de cerca de 21º C. El tiempo de retención de sólidos está diseñado para 60 días, pero debido a que se está cargando el biodigestor con menor cantidad de Forsu, actualmente está en 78 días. El tiempo de retención hidráulico producido por la recirculación esta en poco más de 13 días.

La eficiencia actual del biodigestor está en 0,43 metros cúbicos de biogás por metro cúbico de biodigestor y día (m3/m3d), que se espera que aumente cuando se logre aumentar la carga diaria (actualmente de 1,19 kgSV/m3/d, mientras que estaba diseñado para 2,19 kgSV/m3/d). La eficiencia de la digestión anaerobia está en  0,36 m3/kgSV, dato que sorprendente pues no está lejos del de sistemas comerciales sofisticados como Valorga, Kompogas y Dranco que se mueven en un rango de 0,46 a 0,69 m3/kgSV.

El monitoreo del sistema en estado estacionario apenas lleva tres meses y conviene prolongarlo por al menos un año. Un factor clave será saber en qué momento es necesario parar la carga de Forsu, evacuar la fracción líquida y entrar al biodigestor a retirar los impropios que hayan entrado (plásticos principalmente) y materiales fibrosos que no se hayan descompuesto.

Este es el precio de ahorrarse el sistema de pre tratamiento y de agitación mecánica (con partes móviles), a cambio de tener que dar mantenimiento al sistema cada cierto tiempo. De este modo se sustituye la debilidad de las partes móviles por tecnologías más intensivas en mano de obra. Para una propuesta real se  plantearía un sistema modular de biodigestores, de modo que, mientras se da mantenimiento a un módulo, el resto sigue trabajando sin afectar al proceso de tratamiento global.

Biodigestor Tiquipaya Bolivia cifras

Conclusiones
El biogás producido siempre será mejor si se usa de forma térmica en las cercanías de la planta en algún proceso que lo requiera, pero de no ser el caso también se puede producir electricidad e inyectarla a la red o autoconsumo de la planta. Aunque el uso más adecuado sería usar el biogás de combustible para los camiones que hacen la recogida de basura en el municipio, cerrando un ciclo y haciendo sostenible todo el sistema logístico y de tratamiento. El efluente líquido que se produce, llamado normalmente biol, tiene un fuerte potencial como fertilizante agrícola, tanto que la FAO lo ha llegado a llamar ‘el oro marrón’ (por su color) e Hivos ‘el fertilizante supremo’. Los lodos que se acumulan en el interior del biodigestor tienen altas concentraciones de macro y micro nutrientes, siendo este un proceso válido para cosechar y reciclar nutrientes, especialmente el fósforo, que es un nutriente de origen fósil agotable y del cual depende la agricultura mundial. Todos estos nutrientes deberán ser incorporados a la agricultura.

Con esta experiencia se ha demostrado la viabilidad de tratar basura orgánica, sin pre tratamiento ni adición de agua, mediante biodigestores de tecnología intermedia o apropiada, minimizando la sofistificación. Esta experiencia, operada en condiciones reales, ya está arrojando optimizaciones y mejoras necesarias en el diseño como son las chimeneas de entrada las cuales convendrá hacerlas inclinadas en un futuro para facilitar el ingreso de la basura, o disminuir el número de ángulos en el diseño para que sea más fácil el trabajo de soldadura de las geomembranas.

La investigación sigue y es necesario continuar con el monitoreo cubriendo un año completo, tener análisis físico–químicos de los productos obtenidos, aumentar la carga del sistema, y tratar de ver en qué momento es necesario darle mantenimiento. De este modo podrá tener la información completa para dar el siguiente de paso de escalar este prototipo para trabajar con 1.000 kg de basura por día.

Una propuesta de este tipo puede ser accesible para la mayoría de núcleos urbanos medianos y pequeños, incluso para grandes ciudades si se descentraliza el tratamiento de la Forsu por distritos o barrios. La propuesta final siempre pasará por sistemas modulares, que permitan tener un modulo en mantenimiento y el resto trabajando, y facilitan el aumento del tamaño del sistema simplemente incrementando mayor número de módulos.  
 
*Jaime Martí Herrero. Centre Internacional de Mètodes Numèrics en Enginyeria (Cimne), Building Energy and Environment Group, (Terrassa, Barcelona). Investigador Prometeo en el Instituto Nacional de Eficiencia Energética y Energías Renovables (INER). Quito, Ecuador.
Daniel Chemisana. Grupo en Sistemas Dinámicos Aplicados en Energía Solar, Sección de Física Aplicada del Departamento de Medio Ambiente, Universitat de Lleida.
Alex Gustavo Soria. Universidad Católica Boliviana "San Pablo". Cochabamba, Bolivia.
Aitor Díaz de Basurto. Grup de Recerca en Cooperació i Desenvolupament Humà (Grecdh), Universitat Politècnica de Catalunya. Barcelona.

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Georgina
Estimados, este proceso parece prometedor para el tratamiento de residuos, y la.generación de energia. Que impacto tiene en el.ambiente, donde se puede poner un digestor de este tipo, cercano a la poblacion q genera residuos?
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