Estudio para el aprovechamiento energético de los residuos orgánicos del Instituto Caldas mediante proceso de biodigestión | Study for the energy use of organic waste from the Caldas Institute through a biodigestion process

El presente proyecto desarrollado en conjunto con el Instituto Caldas y la Universidad Autónoma de Bucaramanga (UNAB), evaluó el potencial de biometanización de los residuos de comida del restaurante escolar y los residuos de poda del instituto, empleando estiércol bovino como inóculo. Para ello, se implementaron como biorreactores botellas de vidrio de 500 ml, con un 80% de uso. Inicialmente se empleó una relación 1:3 de estiércol y agua, respectivamente, para activar el proceso y posteriormente los residuos orgánicos como sustrato, manteniendo una relación 1:1 de inóculo: sustrato. Se utilizó el método volumétrico para medir los mililitros (ml) de metano (CH4) producido antes y después de alimentar los biorreactores con distintas relaciones de codigestión (70%RC-30%RP, 50%RC-50%RP y 30%RC-70%RP), realizadas por triplicado y con un blanco correspondiente para cada tres botellas con la misma proporción. La prueba experimental se llevó a cabo en un período de 30 días. Además, se realizó una caracterización físico-química del inóculo, evaluando variables importantes del proceso tales como: pH, alcalinidad, ST, SV, AGV, nitrógeno, relación C/N, fósforo y potasio. Por otra parte, se clasificaron los residuos de alimentos en: carbohidratos, lípidos, proteínas y cítricos, determinando los alimentos que inhiben el proceso de metanización. No obstante, para garantizar una activación más rápida en los biorreactores, se adicionaron nutrientes y se realizó un proceso de agitación manual. Como resultado la prueba experimental, se obtuvo que la relación de sustratos con mayor potencial de biometanización es 30%RC-70%RP, ya que representa 107,15 ml de CH4 por cada gramo de sólido volátil, comparada con las otras dos relaciones de codigestión con 21,17 ml de CH4/ g SV y 106,94 ml de CH4/ g SV para 70%RC-30%RP y 50%RC-50%RP respectivamente, sin embargo, debido al comportamiento que presentan los mililitros de CH4 desplazado vs Tiempo (días), la codigestión más estable es la 50/50. Con base en ello, se propuso implementar en el Instituto Caldas un biodigestor de tipo tubular considerando su bajo costo de instalación y cuyo dimensionamiento tiene una carga diaria de 93,33 kg de inóculo para activar el biodigestor y una relación 50%RC-50%RP para continuar alimentando, dando como resultado una producción estimada de 3,4 m3 de biogás/día. Encontrando que se puede llegar a suplir una demanda del biogás en la institución de 18,71% con relación a la demanda máxima de 419 m3 de gas natural durante el año 2018.

INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 1 1. ESTADO DEL ARTE ......................................................................................... 2 2. MARCO TEÓRICO ............................................................................................ 7 2.1. BIOMASA ...................................................................................................... 7 2.1.1. Tipos de biomasa .................................................................................... 7 2.1.1.1. Biomasa natural ................................................................................ 7 2.1.1.2. Biomasa residual ............................................................................... 7 2.1.1.3. Biomasa sólida .................................................................................. 7 2.1.1.4. Biomasa líquida ................................................................................. 7 2.1.1.5. Biomasa gaseosa .............................................................................. 7 2.2. DIGESTIÓN ANAEROBIA ............................................................................. 7 2.2.1. Etapas de la digestión anaerobia ............................................................ 8 2.2.1.1. Etapa hidrolítica ................................................................................ 8 2.2.1.2. Etapa acidogénica ............................................................................. 8 2.2.1.3. Etapa acetogénica ............................................................................ 8 2.2.1.4. Etapa metanogénica ......................................................................... 9 2.3. PARÁMETROS CONDICIONANTES DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA ...... 9 2.3.1. Parámetros ambientales .......................................................................... 9 2.3.1.1. pH ..................................................................................................... 9 2.3.1.2. Nutrientes .......................................................................................... 9 2.3.2. Parámetros operacionales ....................................................................... 9 2.3.2.1. Temperatura de operación ................................................................ 9 2.3.2.2. Agitación/Mezclado ......................................................................... 10 2.3.2.3. Tamaño de partícula ....................................................................... 10 2.3.2.4. Tiempo de retención ....................................................................... 10 2.3.2.5. Velocidad de carga orgánica (OLR) ................................................ 10 2.3.2.6. Relación Carbono/Nitrógeno (C/N) ................................................. 10 2.3.2.7. Niveles de amoniaco ....................................................................... 11 2.3.2.8. Niveles de sólidos totales y sólidos volátiles ................................... 11 2.4. CODIGESTIÓN ANAEROBIA ...................................................................... 12 2.5. BIOGÁS ....................................................................................................... 12 2.5.1. Limpieza del biogás generado ............................................................... 13 2.6. BIODIGESTORES ....................................................................................... 13 2.6.1. Tipos De Biodigestores ......................................................................... 13 2.6.1.1. Continuos ........................................................................................ 13 2.6.1.2. Semi-continuos ............................................................................... 13 2.6.1.3. Discontinuos o régimen estacionario .............................................. 14 2.6.1.4. Modelo Chino .................................................................................. 14 2.6.1.5. Tipo Indiano .................................................................................... 14 2.6.1.6. Biodigestor Batch (discontinuo o régimen estacionario) ................. 15 2.6.1.7. Biodigestor tubular o planta balón ................................................... 15 3. OBJETIVOS .................................................................................................... 16 3.1. OBJETIVO GENERAL .............................................................................. 16 3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..................................................................... 16 4. METODOLOGÍA .............................................................................................. 16 5. CARACTERIZACIÓN DE LOS RESIDUOS ORGÁNICOS .............................. 17 5.1. IDENTIFICACIÓN DEL MANEJO DE LOS RESIDUOS IN SITU .............. 17 5.2. RECOLECCIÓN ESTIÉRCOL Y RESIDUOS ORGÁNICOS .................... 19 6. EVALUACIÓN DEL POTENCIAL DE BIOMETANIZACIÓN ............................ 19 6.1. DISEÑO DE EXPERIMENTOS ................................................................. 19 6.2. FACTORES PARA TENER EN CUENTA EN EL ENSAYO DE PBM ....... 20 6.3. MONTAJE EXPERIMENTAL .................................................................... 23 6.4. CÁLCULO DE LA RELACIÓN C/N ........................................................... 24 6.5. ADICIÓN DE NUTRIENTES ..................................................................... 26 6.6. ALIMENTACIÓN DE LOS BIORREACTORES ......................................... 27 6.7. MEDICIÓN DEL POTENCIAL DE BIOMETANIZACIÓN ........................... 29 7. RESULTADOS Y ANÁLISIS ............................................................................ 30 7.1. CLASIFICACIÓN DE LOS RESIDUOS DE COMIDA DEL INSTITUTO CALDAS ............................................................................................................. 30 7.2. CARACTERIZACIÓN FÍSICO-QUÍMICA DEL ESTIÉRCOL BOVINO ...... 32 7.3. POTENCIAL DE BIOMETANIZACIÓN DEL PROCESO ........................... 33 8. PROPUESTA DE DIMENSIONADO DEL BIODIGESTOR.............................. 38 8.1. DEMANDA DE BIOGÁS DEL INSTITUTO CALDAS ................................ 38 8.2. MEDIDAS DEL BIODIGESTOR PROPUESTO ........................................ 43 9. CONCLUSIONES ............................................................................................ 45 10. RECOMENDACIONES ................................................................................ 46 11. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................. 47 12. ANEXOS ...................................................................................................... 51 12.1. ANEXO A: ENCUESTA PREGUNTAS Y RESPUESTAS A TRABAJADORES DE PETROCASINOS ........................................................... 51 12.2. ENCUESTA PREGUNTAS Y RESPUESTAS A ESTUDIANTES DEL INSTITUTO CALDAS ......................................................................................... 55

Pregrado

The present project developed in conjunction with the Caldas Institute and the Autonomous University of Bucaramanga (UNAB), evaluated the biomethanization potential of the school restaurant's food waste and pruning waste from the institute, using bovine manure as inoculum. To do this, 500 ml glass bottles were implemented as bioreactors, with 80% use. Initially a 1:3 ratio of manure and water was used, respectively, to activate the process and then organic waste as a substrate, maintaining a 1:1 ratio of inoculum: substrate. The volumetric method was used to measure the milliliters (ml) of methane (CH4) produced before and after feeding the bioreactors with different codigestion ratios (70%FW-30%PW, 50%FW-50%PW and 30%FW-70%PW), made by triplicate and with a corresponding target for each three bottles with the same proportion. The experimental test was carried out over a 30-day period. In addition, a physical-chemical characterization of the inoculum was performed, evaluating important process variables such as: pH, alkalinity, TS, VS, VFA, nitrogen, C/N ratio, phosphorus and potassium. On the other hand, food residues were classified into: carbohydrates, lipids, proteins and citrus fruits, determining foods that inhibit the methanization process. However, to ensure faster activation in bioreactors, nutrients were added and a manual stirring process was carried out. As a result the experimental test, it was obtained that the ratio of substrates with the highest biomethanization potential is 30% Waste Food- 70% Pruning Waste, as it represents 107.15 ml of CH4 for each gram of volatile solid, compared to the other two codigestion ratios with 21.17 ml of CH4/g SV and 106.94 ml of CH4/g SV for 70% Waste Food- 30% Pruning Waste and 50% Waste Food- 50% Pruning Waste respectively, however, due to the behavior of milliliters of CH4 shifted vs Time (days), the most stable codigestion is 50/50. Based on this, it was proposed to implement at the Caldas Institute a tubular type biodigestor considering its low installation cost and whose sizing has a daily load of 93.33 kg of inoculum to activate the biodigestor and a ratio 50% Waste Food- 50% Pruning Waste to continue feeding, resulting in an estimated production of 3,4 m3 of biogas/day. Finding that a demand for biogas can be met at the institution of 18.71% relative to the maximum demand of 419 m3 of natural gas during 2018.

Modalidad Presencial