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PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
“OBTENCIÓN DE GAS NATURAL (METANO) A PARTIR DE AGUAS RESIDUALES, RESIDUOS SÓLIDOS CASEROS Y ABONO (HECES DE RES)”
ESCUELA ACADÉMICA: Ingeniería Ambiental.
CURSO: Microbiología Ambiental.
AÑO Y SEMESTRE ACADÉMICO: 2013-II
CICLO: IV
DOCENTE: BLGA. POLO SALAZAR, Rosario Adriana
ESTUDIANTES: CASTILLO VELÁSQUEZ, Elmer VILLANUEVA ALEJOS, Juan Alonso
HUARAZ – PERÚ2014
UNIVERSIDAD NACIONAL“SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO”
FACULTAD DE CIENCIAS DEL AMBIENTE
ÍNDICE
1. OBJETIVOS………………………………………………………………………...4
2. MARCO TEÓRICO…………………………………………………………………4
2.1. ¿Qué es el biogás?........................................................................................42.2. Biogás y el ciclo global del carbón……………………………………………....42.3. Biología de la producción de metano…………………………………………..42.4. Substratos para la producción de biogás……………………………………….52.5. Composición y propiedades del biogás…………………………………………52.6. Beneficios de la tecnología del Biogás………………………………….62.7. Descripción del proceso anaerobio……………………………………...7
3. ANTECEDENTES………………………………………………………………….9
3.1. Características del proyecto para biogás de efluentes industriales de AGVE………83.2. Cambrian Innovation y el sistema ECOVOLT…………………………………9
4. MATERIALES Y MÉTODOS………………………………………………………………………...12
5. RESULTADOS E INTERPRETACIÓN…………………………………………14
6. DISCUSIÓN……………………………………………………………………….15
7. CONCLUSIONES…………………………………………………………………16
8. RECOMENDACIONES…………………………………………………………..17
9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS……………………………………….……18
10.ANEXOS………………………………………………………………………….20
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INTRODUCCIÓN
El biogás es una mezcla gaseosa formada principalmente por metano y
dióxido de carbono, y pequeñas porciones de otros gases, como H2S, H2, NH3,
entre otros. Además que la composición del biogás depende del material digerido
y del funcionamiento del tipo de proceso (Fonts, 2007).
La aplicación de digestión anaerobia, no sólo proporciona un importante
potencial de producción de energía renovable y un ahorro en combustible fósil,
sino que conlleva a buscar alternativas viables que mejoren el sistema de
aprovechamiento de residuos. Es así que la caracterización de las aguas
residuales, desechos domésticos y heces de animales son factores claves y
necesarios para la producción de biogás.
Finalmente en el estudio se utilizó un biodigestor de bidón, el cual es un
sistema heméticamente cerrado para la producción de biogás. Así mismo se
analizó el número de coliformes en el agua residual inicial y en el agua obtenida al
final del proceso.
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OBJETIVOS.-
I.1. Objetivo General.- Obtener metano a partir de aguas residuales, residuos sólidos
caseros y abono (heces de res).
I.2. Objetivos Específicos.- Aprovechar el proceso de obtención de metano para disminuir
la concentración de coliformes en las aguas residuales
tomadas como muestra.
Brindar una opción de aprovechamiento para desechos como
aguas residuales y residuos sólidos caseros.
Demostrar que con un adecuado tratamiento a gran escala las
aguas residuales pueden ser una fuente potencial de energía
lo que arrastra consigo beneficios para el ambiente y la
economía.
II. MARCO TEÓRICO.-
¿Qué es el biogás?
El biogás es un gas producido por bacterias durante el proceso de
biodegradación de material orgánico en condiciones anaeróbicas (sin
aire). La generación natural de biogás es una parte importante del ciclo
biogeoquímico del carbono. El metano producido por bacterias es el
último eslabón en una cadena de microorganismos que degradan
material orgánico y devuelven los productos de la descomposición al
medio ambiente. Este proceso que genera biogás es una fuente de
energía renovable.
Biogás y el ciclo global del carbón
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Cada año, la actividad microbiana libera entre 590 y 880 millones de
toneladas de metano a la atmósfera. Cerca del 90% del metano emitido
proviene de la descomposición de biomasa. El resto es de origen fósil, o
sea relacionado con proceso petroquímico. La concentración de metano
en la atmósfera en el hemisferio norte es cerca de 1.65 partes por millón.
Biología de la producción de metano
Para diseñar, construir y operar plantas de biogás (llamadas
biodigestores) es necesario conocer los procesos fundamentales
involucrados en la fermentación del metano. La fermentación anaeróbica
involucra la actividad de tres diferentes comunidades bacterianas. El
proceso de producción de biogás depende de varios parámetros que
afectan la actividad bacteriana, como por ejemplo la temperatura.
Substratos para la producción de biogás
El substrato es el material de partida en la producción de biogás. En
principio, todos los materiales orgánicos pueden fermentar o ser
digeridos. Sin embargo, sólo algunos pueden ser utilizados como
sustratos en plantas de producción sencillas. Excremento y orina de
vacas, cerdos y posiblemente aves de corral son algunos ejemplos. A
veces, también pueden usarse los desperdicios de las plantas de
producción de alimentos. Cuando se llena una planta de biogás, el
excremento sólido debe diluirse con aproximadamente la misma cantidad
de líquido, en lo posible orina. La máxima producción de gas que se
puede conseguir a partir de una cantidad dada de materia prima depende
del sustrato que se utilice.
Composición y propiedades del biogás
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El biogás es una mezcla de gases compuesta principalmente de:
metano (CH4): 40-70% del volumen
dióxido de carbono (CO2): 30-60 vol.%
otros gases: 1-5 vol.%
incluyendo
hidrógeno (H2): 0-1 vol.%
sulfuro de hidrógeno (H2S): 0-3 vol.%
Como en cualquier otro gas, algunas de las propiedades
características del biogás dependen de la presión y la temperatura.
También son afectadas por el contenido de humedad. Los factores más
importantes para caracterizar el biogás son los siguientes:
cómo cambia el volumen cuando cambian la presión y la
temperatura,
cómo cambia el valor calorífico cuando cambian la temperatura,
presión y/o contenido de agua, y
cómo cambia el contenido de vapor de agua cuando cambian la
temperatura y/o la presión.
El valor calorífico del biogás es cerca de 6 kWh por metro cúbico. Es
decir que un metro cúbico de biogás es equivalente a aproximadamente
medio litro de combustible diésel.
Utilización
La historia de la utilización del biogás muestra desarrollos
independientes en varios países desarrollados e industrializados.
Normalmente, el biogás producido por un biodigestor puede utilizase
directamente como cualquier otro gas combustible. Sin embargo, es
posible que su utilización requiera a veces procesos que, por ejemplo,
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reduzcan el contenido de sulfuro de hidrógeno. Cuando el biogás se
mezcla con aire en una proporción 1 a 20, se forma una mezcla
altamente explosiva. Por lo tanto, las pérdidas de las cañerías en
espacios cerrados constituyen un peligro potencial.
Sistema típico de biogásFuente: OEKOTOP
Beneficios de la tecnología del Biogás
Los sistemas de biogás pueden proveer beneficios a sus usuarios, a la
sociedad y al medio ambiente en general:
producción de energía (calor, luz, electricidad) ;
transformación de desechos orgánicos en fertilizante de alta
calidad;
mejoramiento de las condiciones higiénicas a través de la
reducción de patógenos, huevos de gusanos y moscas;
reducción en la cantidad de trabajo relacionado con la recolección
de leña para cocinar (principalmente llevado a cabo por mujeres);
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ventajas ambientales a través de la protección del suelo, del agua,
del aire y la vegetación leñosa, reducción de la deforestación;
beneficios micro-económicos a través de la sustitución de energía
y fertilizantes, del aumento en los ingresos y del aumento en la
producción agrícola-ganadera;
beneficios macro-económicos a través de la generación
descentralizada de energía, reducción en los costos de
importación y protección ambiental.
Por lo tanto, la tecnología del biogás puede contribuir
sustancialmente a la conservación y el desarrollo. Sin embargo, el
monto de dinero requerido para la instalación de las plantas puede ser
en muchos casos prohibitivo para la población rural. Por ello, se deben
concentran los esfuerzos en desarrollar sistemas más baratos y en
proveer a los interesados de créditos u otras formas de financiación. El
financiamiento del gobierno podría verse como una inversión para
reducir gastos futuros relacionados con la importación de derivados del
petróleo y fertilizantes inorgánicos, con la degradación del medio
ambiente, y con la salud y la higiene.
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO ANAEROBIO QUE SE LLEVARÁ A CABO EN EL BIODIGESTOR CASERO
a. HIDRÓLISIS.-Se da la transformación de sustancias complejas a moléculas simples
formando compuestos y ácidos orgánicos como ácido propiónico,
succínico, butírico, pirúvico, etc.
b. FASE ACETOGÉNICA.-Las bacterias acetogénicas como: Clostridium sp, Desulfovibrio sp,
Lactobacillus y Actinomyces convierten las moléculas orgánicas de
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pequeño tamaño y los ácidos grasos volátiles en ácido acético e
hidrógeno.
c. FASE METANOGÉNICA.-En esta última etapa, las bacterias metanogénicas como:
Methanobacillus, Methanobacterium, Methanosarcina, Methanococcus
(anaerobias estrictas), metabolizan anaeróbicamente el ácido acético e
hidrógeno para producir el metano y otros gases en menor concentración.
III. ANTECEDENTES.-El agua residual, también llamada negra o fecal, es la que usada por
el hombre ha quedado contaminada. Lleva en suspensión una
combinación de heces fecales y orina, de las aguas procedentes del
lavado con detergentes del cuerpo humano, de su vestimenta y de la
limpieza, de desperdicios de cocina y domésticos, etc.
También recibe ese nombre los residuos generados en la industria.
El crecimiento de las ciudades y las fábricas, ha contribuido a la
magnitud y complejidad del problema de la contaminación ambiental,
generando situaciones de costosa corrección, poniendo en peligro la
salud pública, encareciendo el proceso de potabilización y degradando el
ambiente.
En este contexto, existen proyectos a gran escala que usan una
tecnología avanzada que están dedicados al tratamiento de aguas
residuales para obtener metano y generar energía. Un ejemplo es el de
la empresa argentina AGVE:
a. Características del proyecto para biogás de efluentes industriales de AGVE.-
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En primer lugar, el proceso del efluente usa dos sistemas
separados. El primer tanque (que produce acido) adopta el proceso
anaeróbico, el barro de retorno en el segundo tanque (que produce
metano) es convertido en altas concentraciones de barro por una
separación solido-liquido. Esto aumenta la producción de ácido en la
primera etapa. Ante condiciones adecuadas, la producción de ácido se
ajusta al valor de pH del equipo, aumenta la descomposición del barro
al final de la actividad fermentativa. Esto no sólo aumenta la
producción de gas metano, sino también la eficiencia del reactor de
ácido, gracias también al efecto de mezclado.
El tanque secundario usa un reactor UASB de alta eficiencia,
reactor anaeróbico que se puede ajustar a las distintas viscosidades
del efluente. La reducción de COD y BOD puede llegar hasta un 70
por ciento.
La diferencia de altura entre el tanque primario y el secundario es
importante al momento de considerar su diseño. Luego de la
producción de ácido en el tanque primario, el líquido de alimentación
fluye al tanque secundario automáticamente por acción de la
gravedad. Dado que el final del tanque primario tiene “volumen
muerto”, garantiza la espesura del blanqueado del barro. De este
modo, la caída en la tasa de producción de gas o parada completa de
la producción de gas puede ser evitada cuando son agregados
materiales frescos.
En un segundo lugar, ambos tanques preservan el calor y el ciclo
de calentamiento del material manteniendo la temperatura del líquido
fermentado en ambos tanques entre 55°C y 35°C. Esto mantiene a la
bacteria que produce el ácido y a la metanogenia en una alta
eficiencia de fermentación. El agua que circula es calentada a altas
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temperaturas por el calor de los gases de escape del generador y esto
aumenta la tasa de utilidad del calor residual. Finalmente, usando el
mezclador hidráulico, ambos tanques no solo pueden superar las
dificultades durante la instalación debido a la recolección mecánica,
sino que prolongan el tiempo de contacto del material activo y barro
en el barro estacionado. Esto aumentara la producción de gas y la
reducción de BOD.
Por otro lado, un proyecto aún más interesante relacionado con
nuestro proyecto y con mayor proyección es el del Instituto
Tecnológico de Massachusetts: CAMBRIAN INNOVATION y su
sistema ECOVOLT.
b. Cambrian Innovation y el sistema ECOVOLT.-
Una iniciativa del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en
2006, La Innovación Cámbrian está comercializando un portafolio de
soluciones ambientales basados en recién descubiertos microbios
eléctricamente activos. Al aprovechar el poder de la bioelectricidad y
los avances en la electroquímica, los productos de La Innovación
Cambrian ayudan a clientes agrícolas e industriales del gobierno a
ahorrar dinero mientras se recupera el agua potable y se genera
energía a partir de corrientes de aguas residuales.
Con el apoyo de la National Science Foundation (NSF), los
ingenieros y los co-fundadores MattSilver y Justin Buck están trayendo
sus investigaciones desde el laboratorio al mercado. Un sistema,
llamado EcoVolt, genera gas metano de las aguas residuales
mediante el aprovechamiento de lo que se llama
"Electrometanogénesis." Es un proceso novedoso para la producción
de metano.
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"La financiación de la investigación demuestra el firme interés en
apoyar la innovación de la pequeña empresa que lleva las soluciones
tecnológicas más ecológicas a los problemas sociales", dice el director
del programa NSF Prakash Balan.
El sistema EcoVolt envía las aguas residuales a través de un
reactor bioelectroquímico. Como filtros de agua a través de ella,
bacterias especiales en el reactor se comen los residuos orgánicos en
el agua y liberan electrones como un subproducto. Esos electrones
viajan a través de un circuito para generar metano.
Una señal inalámbrica permite que el proceso se pueda controlar
de forma remota. Este metano de muy alta calidad se canaliza a un
motor, donde se quema con una pequeña cantidad de gas natural. A
continuación, genera calor y energía. Además, los sistemas de
sensores construidos por la Innovación Cambrian también pueden
monitorear contaminantes, como el escurrimiento de fertilizantes.
IV. MATERIALES Y MÉTODOS.-
IV.1. Materiales
i. Envases esterilizados
ii. Tubos de prueba
iii. Guantes quirúrgicos
iv. Pipetas
v. Propipetas
vi. Marcador
vii. Gradillas
viii. Frascos
ix. Papel Kraft
x. Bolsa plástica.
xi. Lapicero fuera de uso.
xii. Bidón de 5 galones
cerrado herméticamente
xiii. Tubos de plástico
xiv. Medios de cultivo
xv. Incubadora.
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IV.2. Métodos
Para llevar a cabo el proyecto y obtener el biogás se requirió la
elaboración de un biodigestor casero en el cual se colocan las aguas
residuales, heces de res y residuos orgánicos caseros como cáscaras de
frutas y viruta de fierro para evitar la formación de sulfuro, para lo cual, se
usó un bidón de 5 galones, tubos de plástico, la bolsa plástica y un
lapicero para controlar la salida del gas al ambiente.
La producción del biogás viene acompañada de una disminución del
número de coliformes presentes en las aguas residuales y se evalúa
haciendo una siembra de una muestra de aguas residuales usando el
método de diluciones sucesivas en “Lauril Sulfato Caldo” (caldo Lauril)
antes de colocar todos los sustratos en el bidón y otra siembra después
de la producción del biogás para hacer las comparaciones respectivas.
El método usado en la experimentación para determinar las
variaciones del número de coliformes fecales y totales al iniciar el
proyecto y luego de la producción del biogás es el método de Número Más Probable, y se procedió de la siguiente manera:
Técnica de siembra por diluciones sucesivas:
Para la muestra 1 (antes de colocar los sustratos en el bidón) se
realizaron 6 diluciones (-1,-2,-3,-4,-5,-6) tomando una cantidad de
10 ml. de agua residual y trasvasándolo en las botellas con 90 ml.
de agua de dilución, repitiendo la acción hasta completar las
diluciones requeridas.
Luego se prepararon 18 tubos con caldo Lauril provistos de
campanas.
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Posteriormente se sembraron 3 tubos por cada dilución colocando
1 ml. de cada una de las 6 botellas con la ayuda de pipetas en
cada caso.
Finalmente se lleva a la incubadora a 37 °C por 24 hrs.
Para la muestra 2 (después de la producción del biogás) se
realizaron 4 diluciones (-1,-2,-3 y -4) y se usaron 12 tubos con
caldo Lauril llevando a cabo los mismos pasos que se hicieron
para la muestra 1.
Finalmente se hacen las lecturas para determinar el número más
probable de coliformes por cada 100ml. presentes en cada caso y
hacer las comparaciones e interpretaciones respectivas.
V. RESULTADOS E INTERPRETACIÓN.-
El bidón expuesto a los rayos solares hace que se infle la bolsa unida
a los tubos evidenciando la producción de gas, por otro lado, al no haber
rayos de sol la bolsa unida al biodigestor se comprime evidenciando la
disminución de la producción del gas.
En el laboratorio los resultados fueron:
Muestra 1: Para la lectura se toma una serie correspondiente a las 3
últimas diluciones.
DILUCIÓN -1 -2 -3 -4 -5 -6
CRECIMIENTO
s
í
s
í
s
í
s
í
s
í
s
í
s
í
s
í
s
í
s
í
s
í
s
í
s
í
s
í
s
í
s
í
s
í
n
o
SERIE 3 3 2
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Interpretación: La serie de las 3 últimas diluciones (3-3-2) nos indica la
presencia de coliformes en la muestra 1, para ser más exactos existe un
número probable de 1100x105 coliformes por cada 100ml de muestra de
acuerdo a lo establecido en la tabla usada para hacer la lectura.
Muestra 2: Para la lectura se toman las 3 últimas diluciones.
DILUCIÓN -1 -2 -3 -4
CRECIMIENTO sí sí sí sí sí sí sí no no sí sí no
SERIE 3 1 2
Interpretación: La serie (3-1-2) indica el crecimiento y presencia de
coliformes pero la cantidad ha disminuido debido a la producción del
biogás, ahora el número más probable de coliformes es de 150x103
coliformes por cada 100ml. de muestra.
VI. DISCUSIÓN DE RESULTADOS.-
Se dio la producción de biogás dentro del biodigestor construido
el cual contenía aguas residuales, heces de res y cáscaras de
frutas, lo cual concuerda con la teoría. Por lo tanto, los resultados
y el proyecto son válidos
La disminución de coliformes se da porque el medio anaerobio
del biodigestor no es apropiado para el desarrollo de estas
bacterias que son aerobias o anaerobias facultativas.
Otra razón para la disminución de coliformes es la competencia
interespecífica que se da con otras poblaciones de
microorganismos (bacterias metanogénicas).
VII. CONCLUSIONES.-
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Se obtuvo gas metano a partir de aguas residuales, heces de res
y residuos sólidos caseros como cáscaras de frutas.
Gracias al proceso metanogénico llevado a cabo por
microorganismos se hizo posible la disminución de la cantidad de
coliformes en muestras de aguas residuales.
El proyecto representa una alternativa para aprovechar residuos
sólidos caseros, aguas residuales e inclusive heces de res,
canalizando estos sustratos a la producción de biogás.
Las aguas residuales sometidas a tratamientos a gran escala y
con uso de alta tecnología representan una fuente potencial de
energía.
VIII. RECOMENDACIONES.-
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El biodigestor debe ser expuesto a los rayos del sol para optimizar
el proceso de producción de gas.
El biodigestor no debe permanecer a la intemperie, de preferencia
debe almacenarse en un ambiente seco y cerrado cuando no esté
siendo expuesto a los rayos del sol.
Añadir residuos caseros como cáscaras de frutas y heces de res
al biodigestor para acelerar y favorecer el proceso metanogénico.
Añadir viruta de fierro al biodigestor para evitar la producción de
sulfuro.
En caso de ser necesario la producción del gas debe ser
controlada por medio de llaves de paso para evitar una
sobreacumulación en el biodigestor.
IX. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.-
17
X. AGVE
2013
Proyecto de Biogas a partir de aguas residuales.
Consultado en:
http://www.agve.com.ar/biogasaguasresiduales.php.
XI. REVISTA DE INGENIERÍA DYNA
2006
Limpieza de aguas residuales y obtención de metano
como subproducto. Consultado en:
http://www.dyna-energia.com/Canales/Ficha.aspx?
IdMenu=76aff108-241e-4fcb-9157-
425fa0bbf18f&Cod=a9e1df4b-fabc-4591-b290-
1789e9683ff4.
XII. SCIENCE NATION - ECOVOLT GENERATES ENERGY FROM
WASTEWATER
2013
Consultado en: http://www.youtube.com/watch?
v=ZdieLPQUpcw.
18
XIII. EDITORIAL DE LA UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL DE
ARGENTINA
2012
Energía a partir de las aguas residuales. [Archivo PDF].
Consultado en:
http://www.edutecne.utn.edu.ar/energia_aguas_residual
es/energia_aguas_residuales.pdf.
XIV. ANEXOS.-
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Obtención de los sustratos para el biodigestor (Heces de res y
agua residual)
Realización del trabajo de siembra en el laboratorio
Colocación de todos los sustratos en el biodigestor.
Producción de biogás
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