UNIVERSIDAD NACIONAL
“PEDRO RUIZ GALLO”
ESCUELA DE POSTGRADO
MAESTRÍA EN CIENCIAS
“RENDIMIENTO DE BIOGÁS Y BIOFERTILIZANTE EN LA
DIGESTIÓN ANAEROBIA DE ESTIÉRCOL DE ANIMALES Y
RASTROJOS EN LAMBAYEQUE”
TESIS
PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE:
MAESTRO EN CIENCIAS, CON MENCIÓN EN
INGENIERÍA AMBIENTAL
AUTOR
Ing. MERCEDES MARISOL TAY LEÓN
ASESORA
Dra. CARMEN ROSA CARREÑO FARFÁN
LAMBAYEQUE-PERÚ
“RENDIMIENTO DE BIOGÁS Y BIOFERTILIZANTE EN LA
DIGESTIÓN ANAEROBIA DE ESTIÉRCOL DE ANIMALES Y
RASTROJOS EN LAMBAYEQUE”
___________________________
___________________________
Ing. Mercedes Marisol Tay León
AUTOR
Dra. Carmen Rosa Carreño Farfán
ASESORA
PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE:
MAESTRO EN CIENCIAS, CON MENCIÓN EN
INGENIERÍA AMBIENTAL
APROBADO POR:
___________________________
___________________________
Dr. Manuel Millones Chuman
PRESIDENTE
Dr. Juan López Cubas
SECRETARIO
___________________________
M.sc. Victoria Lora Vargas
VOCAL
ÍNDICE
RESUMEN ... 1
ABSTRACT ... 2
INTRODUCCIÓN ... 3
CAPÍTULO I. MARCO TEÓRICO ... 6
1.1Antecedentes de la investigación ... 6
1.2Base teórica ... 10
1.2.1 Residuos sólidos ... 11
1.2.2Digestión anaerobia ... 12
1.2.3 Marco legal ... 15
CAPÍTULO II. DISEÑO METODOLÓGICO ... 18
2.1Tipo de estudio y diseño de contrastación de hipótesis ... 18
2.1.1Ubicación del lugar de muestreo ... 18
2.2Condiciones meteorológicas ... 21
2.3 Población y muestra de estudio ... 21
2.4 Materiales ... 21
2.5 Variables en estudio ... 21
2.6 Métodos y procedimientos para la recolección de datos ... 24
2.6.1Caracterización físico-química del estiércol de animales y rastrojos ... 24
2.6.2Fitotoxicidad ... 24
2.6.3Formulación de cuatro mezclas de estiércol de animales-rastrojo en una relación C30:N1 ... 26
2.6.4 Proceso fermentativo para la producción de biogás en digestores a escala de laboratorio ... 27
2.6.5 Proceso fermentativo para la producción de biogás en digestor con sistema discontinuo ... 40
2.7 Análisis estadístico de los datos ... 65
CAPITULO III. RESULTADOS ... 67
CAPÍTULO IV. DISCUSIÓN ... 77
CAPÍTULO V. CONCLUSIONES ... 81
CAPÍTULO VI. RECOMENDACIONES ... 82
CAPÍTULO VII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 83
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Tratamientos para seleccionar la mezcla de estiércol-rastrojos con la mayor presión generada por el biogás……… 19
Tabla 2. Valores promedio de temperatura (°C) en Lambayeque, agosto-diciembre, 2015………. 23
Tabla 3. Características físico-químicas de estiércol de aves de corral, cuy, porcino, vacuno y rastrojos de Zea mays L……... 68
Tabla 4. Índice de germinación de semillas de Raphanus sativus L. “rabanito” y nivel de toxicidad de estiércol de aves, cuy, porcino y vacuno………. 68
Tabla 5. Mezclas de estiércol de animales-rastrojo formuladas con una relación carbono:nitrógeno 30:1……….. 68
Tabla 6. Presión (cm H2O) generada por biogás producido por
digestión anaerobia de estiércol de animales y rastrojos, 2015……….. 69
Tabla 7. Presión (bares) de biogás producido por digestión anaerobia de estiércol de animales y rastrojos, 2015………. 71
Tabla 8. Presión acumulada (bar) del biogás producido por digestión anaerobia de estiércol de animales y rastrojo………. 73
Tabla 9. Volumen (L) de biogás por producción y acumulado en digestión anaerobia de estiércol de vacuno y rastrojo………. 73
Tabla 10. Rendimiento de biofertilizante líquido obtenido por digestión anaerobia de estiércol de vacuno-rastrojo………. 75
Tabla 11. Características físico-químicas y microbiológicas de biofertilizante líquido obtenido por digestión anaerobia de estiércol de vacuno-rastrojo………. 76
INDICE DE FIGURAS
Figura 1. Ubicación del lugar de muestreo en el distrito de Jayanca, distrito de la provincia de Lambayeque, región Lambayeque. Marzo, 2013 (http://maps.google. com.pe/maps?hl=es&tab=ii)………. 19
Figura 2. Rastrojo de Zea maysL. “maíz”……….. 20
Figura 3. Deshidratación de estiércol de aves de corral, cuy, porcino y vacuno……….. 20
Figura 4. Vertido del sobrenadante en estiércol de Cavia porcellus….. 25
Figura 5. Semillas de Raphanus sativus L. en estiércol de Cavia porcellus………... 25
Figura 6. Fragmentado de rastrojo de Zea mays L……… 28 Figura 7. Pesaje de rastrojo de Zea maysL………... 28
Figura 8. Homogenización de mezcla estiércol de vacuno-rastrojo…… 29 Figura 9. Adición de solución de cal a la mezcla estiércol de
vacuno-rastrojo………... 29
Figura 10. Mezclado de solución de cal con estiércol de vacuno-rastrojo………... 30
Figura 11. Cobertura de mezcla de estiércol de vacuno-rastrojo con solución de cal………. 30
Figura 12. Homogenización de mezcla de estiércol de vacuno-rastrojo con solución de cal……… 31
Figura 13. Envases de polietileno tereftalato para la digestión anaerobia………. 31
Figura 14. Pintado de envases de polietileno tereftalato……… 32 Figura 15. Envases de polietileno tereftalato para condicionamiento de
digestores……… 32
Figura 17. Dispositivos para la salida y medición de la presión de biogás, a. Perforación de tapa de polipropileno, b, Tapas perforadas, c. Aplicación de silicona al interior, d. Aplicación de silicona al exterior, e. Vista exterior, f. Dispositivo terminado……….. 35
Figura 18. Pegado de cinta teflón en el exterior de la abertura del digestor………. 36
Figura 19. Doblado de manguera de cloruro de polivinilo en dispositivo de salida y medición de paso de biogás………. 36
Figura 20. Digestor para la fermentación anaeróbia de mezcla de estiércol de aves-rastrojo………. 37
Figura 21. Fermentación anaerobia de mezclas de estiércol-rastrojo a escala de laboratorio……….. 37 de polipropileno, b. Manguera insertada parcialmente, c. Abrazadera metálica y niple escamado de cobre acondicionado en extremo de manguera………... 41
Figura 26. Manguera de policloruro de vinilo insertado totalmente…….. 42
Figura 27. Solución de colorante vegetal rojo en botella de polietileno… 42
Figura 32. Envase de polietileno de alta densidad……….. 47
Figura 33. Orificio lateral en envase de polietileno de alta densidad…… 47
Figura 34. Dispositivo para la toma de muestra, a. Cementado en zona del “hilo”, b. Adhesión de retén, c. Retén adherido, d. Dispositivo en el interior del digestor, e. Adhesión de retén en el exterior, f. Cementado en el exterior del retén……….. 48
Figura 35. Acoplado de llave de paso de policlocuro de vinilo………….. 49
Figura 36. Orificio central en tapa de digestor……….. 49
Figura 37. Acondicionamiento de la parte externa del dispositivo para la inserción del manómetro, a. Cinta teflón, b. Anillo de fierro, c. Retén, d. Cemento, e. Inserción, f. Vista externa….. 50
Figura 38. Acondicionamiento de la parte interna del dispositivo para la inserción del manómetro, a. Cementado, b. Retén, c. Contratuerca, d. Sellado……….. 51
Figura 39. Dispositivo para la inserción del manómetro en tapa de digestor………. 52
Figura 40. Acondicionamiento del manómetro en “T” de fierro
galvanizado, a. Bushing, b. Manómetro, c. Niple, d. Válvula esférica………. 53
Figura 43. Digestor anaerobio con manómetro y llaves de salida………. 55
Figura 44. Acondicionamiento del dispositivo parar el control de biogás, a. Niple, b. Niples, c. Manguera, d. Manguera en pitón……… 57
Figura 45. Gasómetro o contenedor para almacenamiento de biogás…. 58
Figura 46. Unión de la manguera de jebe y lona al biodigestor…………. 59
Figura 47. Unión de manguera de jebe y lona al contenedor para el almacenamiento del biogás………..
Figura 48. Digestor anaerobio y contenedor para el almacenamiento de biogás………... 60
Figura 49. Vertido de la mezcla prefermentada para la digestión anaerobia………. 60
Figura 50. Adición de contenido ruminal para la digestión anaerobia………. 61
Figura 51. Adición de solución de agua de cal para la digestión anaerobia………. 61
Figura 52. Inicio de la digestión anaerobia de mezcla rastrojo-estiércol vacuno……….. 62
Figura 53. Filtrado de biofertilizante líquido: Biol………. 64
Figura 54. Ensayo de toxicidad del biofertilizante líquido en bulbos de Allium cepa L. “cebolla”, a. Biofertilizante 100%, b. control negativo, c. Crecimiento de raíces, d. Medición de raíces…. 66
Figura 55. Volumen (L) acumulado de biogás producido por digestión anaerobia de estiércol de vacuno y rastrojos……… 73
Dedicatoria
A mis padres por brindarme en todo momento su amor y apoyo incondicional, quienes han sido un pilar fundamental en mi formación profesional
A mi esposo, por su sacrificio y amor que me brinda día a día para alcanzar nuevas metas, tanto profesionales como personales.
Agradecimiento
1 RESUMEN
Las actividades agrícolas y pecuarias generan estiércol y rastrojos de cosecha, material orgánico que puede ser aprovechado para la producción de biogás, evitando la contaminación que genera su descomposición. El objetivo de la investigación fue determinar el rendimiento de biogás y biofertilizante en la digestión anaerobia de estiércol de animales y rastrojos en Lambayeque. En unidades agropecuarias se colectaron estiércoles de aves de corral, Cavia porcellus “cuy”, Bos taurus “vacuno”, Sus scrofa domesticus “porcino” y rastrojos
de Zea maysL. “maíz”, se realizó la caracterización físico-química y se determinó
la fitotoxicidad. Se formularon cuatro mezclas con una relación C30:N1 con 50% de sólidos totales, se prefermentaron 1 mes a temperatura ambiente y luego se fermentaron con líquido ruminal como inóculo en digestores de 3,5 L de capacidad, a escala de laboratorio. La mezcla de estiércol-rastrojos con la que se alcanzó la mayor presión de biogás, se llevó a digestión anaerobia en un biorreactor tipo tanque de 75 L de capacidad, durante 90 días, determinándose el volumen de producción del biogás y biofertilizante producidos. El estiércol presentó 38,7 – 48,9% de carbono; 1,98-3,78% de nitrógeno; 11,5 – 19,5 relación C:N y 26,2 – 82,2% de sólidos totales. La mezcla de estiércol de vacuno
y rastrojos fue seleccionada porque alcanzó la mayor presión manométrica: 28,690 bares, durante 27 días. La digestión anaerobia de esta mezcla produjo 790 L de biogás durante 3 meses, con un volumen de producción de 0,013 m3 Kg-1 y un rendimiento de biol de 81,57%. Se demostró la producción de biogás y biofertilizante por la digestión anaerobia de estiércol de animales y rastrojos.
2 ABSTRACT
Agricultural and livestock produce manure and crop residues, organic material that can be exploited for the production of biogas, avoiding the pollution generated by decomposition. The objective of the research was to determine the performance of biogas and bio-fertilizer in anaerobic digestion of animal manure and crop residues in Lambayeque. In agricultural units of poultry manure, Cavia porcellus "cuy", Bos taurus "beef", Sus scrofa domesticus "pig" and stubbles of
Zea mays L. "corn" were collected, the physico-chemical characterization was performed and it was determined phytotoxicity. Four mixtures were formulated with a ratio C30:N1 with 50% total solids, were pre-fermented 1 month at room temperature and then fermented with ruminal fluid as inoculum in digesters capacity 3.5 L, laboratory scale. The mixture of manure-crop residues with the increased pressure of biogas was reached, it was anaerobic digestion in a bioreactor type tank 75 L capacity, for 90 days, determining the volume of production of biogas and bio-fertilizer produced. Manure present 38,7 to 48,9% carbon; 1,98 to 3,78% nitrogen; 11,5 to 19,5 C:N ratio and 26,2 to 82,2% total solids. The mixture of cow dung and crop residues was selected because it reached the highest gauge pressure: 28,690 bars for 27 days. Anaerobic digestion of this mixture yielded 790 L biogas for 3 months, with a production volume of 0,013 m3 kg-1 and a yield of 81, 57% biol. the production of biogas and biofertilizer was demonstrated by the anaerobic digestion of animal manure and crop residues.
3 INTRODUCCIÓN
Las actividades agrícolas y pecuarias generan residuos como el estiércol y rastrojos de cosecha (Aguilar & Botero, 2006). Esta materia orgánica puede ser incorporada directamente al suelo; sin embargo, es una práctica poco recomendable porque el estiércol presenta microorganismos como los coliformes fecales que producen enfermedades infecciosas y los rastrojos albergan células viables o estructuras de resistencia de fitopatógenos, además del tiempo que requiere su transformación en compuestos asimilables por las plantas a través de los procesos de mineralización y humificación (Benavides & Plascencia, 2012).
Los bioprocesos utilizados por los humanos para acelerar la estabilización de los residuos orgánicos pueden ser aerobios o compostaje y anaerobios o metanogénesis. La digestión anaerobia es un proceso biológico a través del cual, en ausencia de oxígeno, la materia orgánica es transformada en biogás, compuesto por 55 – 70% de metano (CH4), 30 – 45% de dióxido de carbono
(CO2) y pequeñas cantidades de nitrógeno (N2), sulfuro de hidrógeno (H2S), vapor de agua, amoniaco (NH3), hidrógeno (H2) y otros compuestos traza. Más del 90% de la energía disponible por oxidación directa se transforma en metano, consumiéndose solo 10% de la energía en el crecimiento bacteriano, en comparación con el 50% correspondiente a un sistema aerobio (Varnero, 2011). Con la digestión anaerobia se obtiene biogás, utilizado principalmente como combustible y lodo residual con características de biofertilizante (Soria et al., 2001; Viracucha & Suquilande, 2008)
4
deterioran progresivamente la salud de los seres vivos (Varnero, 2011; Rodríguez, 2012)
El biogás debe contener más de 45% de metano para que sea inflamable (Rodríguez, 2012); no obstante, cuando los sustratos no presentan las características requeridas o el proceso de digestión no es monitoreado periódicamente, se obtiene biogás que no puede ser utilizado como combustible, perdiéndose insumos, con efecto negativo en la economía. Asimismo, la materia orgánica estabilizada líquida o sólida, que puede constituir los biofertilizantes biol y biosol carece de la calidad sanitaria requerida, descartándose su uso en la agricultura.
La asociación sin fines de lucro “Educar Sembrando” de Lima, con filial en Lambayeque es una agrupación comprometida con la educación, especial de las zonas rurales, con menos ingreso económico, que promueve la equidad y prosperidad con desarrollo sustentable. La elaboración de biogás y biol con estiércol de animales, forma parte de su línea estratégica con sostenibilidad ambiental; sin embargo, el proceso no se desarrolla científicamente, ni se monitorea regularmente y los productos no han sido investigados en sus características físico-químicas y biológicas, como un requisito para validar científicamente la tecnología utilizada.
5
La hipótesis planteada fue: La digestión anaerobia de estiércol de vacuno y rastrojos alcanza el mayor rendimiento de biogás y biofertilizante.
6 CAPÍTULO I
MARCO TEÓRICO 1.1 Antecedentes de la investigación
El estiércol de cerdo y un biodigestor tipo FAO se investigaron para la producción de biogás. El digestor consistió de una caja de entrada, caja de salida y polietileno tubular calibre 800. Las dimensiones del tubular fueron de 1,25 m de diámetro y 12 m de largo, con una válvula de salida del biogás y se construyó una pila de protección con bloques. El digestor se cargó con excretas líquida conteniendo 1672 mgL-1 de sólidos sedimentables (SSed), 9x1011 UFC
coliformes mL-1 de muestra; pH 7,6; conductividad eléctrica (CE) 5,8 dSm-1;
demanda química de oxígeno (DQO) de 2640,8 mgL-1 y demanda bioquímica de
oxígeno (DBO) de 543 mgL-1. El prototipo del digestor probado funcionó
adecuadamente y después de 4 días de ser llenado, aumentó el volumen debido al biogás producido, con incremento de temperatura de hasta 56 ºC y un tiempo de producción de 50 días. Al término del proceso, se obtuvo un efluente con 210 mgL-1 de SSed, ausencia de coliformes, pH 7, CE 4 dSm-1, DQO 1399 mgL-1 y
DBO de 172 mgL-1 (Soria et al., 2001).
En la tecnología de biogás se han desarrollado diferentes diseños de plantas, como el modelo hindú, con una campana flotante o el modelo chino, de campana fija para el almacenamiento de biogás; sin embargo, estos digestores en zonas tropicales han tenido problemas, por la aparición de grietas en el concreto usado. Una alternativa es el biodigestor de polietileno (BDP), de bajo costo de instalación y mantenimiento. Un digestor de término promedio para una familia rural tiene un volumen de 7,2 m3, con una fase líquida de 5,1 m3 (75%
del total de su capacidad) y 1,8 m3 para el almacenamiento de biogás (25% del
7
58,4 kg de N; 36,5 P y 55,2 kg de K, obteniéndose 590 709 - 693 502 L de biogás por año (Aguilar y Botero, 2006).
En la producción de biogás y bioabonos, mediante un proceso de digestión anaerobia se investigaron cuatro sustratos orgánicos: S1=Porcino, S2= Bovino, S3= Desechos de cocina y S4= Mezcla de sustratos, a tres dosis: d1: Baja=20kg, d2: Media=25kg y d3: Alta=30kg, empleando un diseño completamente al azar con arreglo factorial 4x3, con tres repeticiones. En los biodigestores de 80L/40 días, con estiércol de cerdo se obtuvo la mayor cantidad de biogás (4,47 L), con desechos de cocina la mayor cantidad de biosol (15,71 kg) y con estiércol bovino la mayor cantidad de biol (40,50 L). Con excretas de porcino se obtuvo bioabono rico en fósforo (150 ppm) y con excretas de bovino se obtuvo un bioabono rico en potasio (42,19 molkg-1). Se concluyó que para la producción de biogás el
sustrato con el mejor beneficio/costo fue estiércol porcino con 2,44; para Biosol fue desechos de cocina con 12,63 y para biol fue el estiércol bovino con 23,75 (Viracucha y Suquilanda, 2008).
Con el objetivo de darle valor agregado a los residuos pecuarios, se investigó la producción de biogás con excretas de conejo, cerdos, carnero, vacuno y gallina. Se acondicionaron 25 botellas de plástico como biodigestores, con manómetros de columna de agua, para determinar la presión interna del biogás producido en 8 días. El inóculo se obtuvo con las excretas frescas diluidas en agua (1:1-3), como sustrato común se utilizaron residuos de arroz cocinado previamente molidos, hasta obtener una pulpa y en cada biorreactor se depositan 200 g de inóculo y 200 g de pulpa. Todas las excretas fermentaron la pulpa residual después de 24 horas. La presión superó los 800 mm, después de 24 horas con las excretas de conejo, 48 horas con cerdo y 96 horas con carnero. Con excretas de vacuno se alcanzaron 704 mm después de 72 horas y con gallina 720 mm después de 120 horas. Con excretas de cerdo se alcanzó la mayor presión en un periodo de 168 horas, concluyéndose que son las más efectivas para la producción de biogás (Marichal, 2010).
8
tratamientos de torta más agua, siendo evaluados durante 70 días. El modelo continuo se inició con estiércol de ganado, se alimentó por 1 mes con la cantidad diaria de 2 L de una dilución de 30% de estiércol y 70% de agua y posteriormente con una dilución de torta con agua (30:70) cada 2 a 3 días. En los biodigestores con estiércol se obtuvieron 12 L de biogás durante 60 días; sin embargo, con torta no se evidenció la producción, debido a que la actividad de las bacterias metanogénicas fue afectada por las sustancias tóxicas. El contenido de nitrógeno, fósforo y potasio en el biol de torta de J. curcas fue mayor que el de estiércol de ganado; no obstante, presentó un alto contenido de coliformes totales y mal olor, por lo que se concluyó que la torta de J. curcas no tiene potencial para la producción de biogás y biol (Oyuela, 2010).
Los residuos de los caficultores, constituidos por pulpa de café, aguas mieles y estiércol de ganado, generan contaminación del ambiente, pero también pueden ser utilizados para la producción de biogás. Se realizaron doce pruebas con cuatro repeticiones de T1 mezcla de 40% de estiércol, 20% de agua miel y 40% de pulpa de café; T2 mezcla de 40% de estiércol, 20% de agua y 40% de pulpa de café y T3 mezcla de 70% de estiércol con 30% de agua. El registro de datos se inició 15 días después del llenado de los digestores y se continuó durante 32 días, con un tiempo de retención de 47 días. La producción promedio diaria de biogás fue de 0,03 mm3 con T1 y T3, así como 0,04 mm3 con
T2, no encontrándose diferencias significativas entre los tratamientos. Se alcanzaron 126,88 L de biogás por kg de estiércol, 128 L por kg de pulpa de café y 126,98 L por litro de agua miel, con una remoción de la DQO de 18% con T2 y 69% con T3. Se demostró que la producción de biogás es una alternativa para reducir la contaminación en el proceso de producción de café (Balseca & Cabrera, 2011).
9
prefermentado se introdujo en los digestores y se verificó la producción de biogás después de 80 y 157 días, respectivamente. El volumen total de biogás producido fue de 104 L durante 7 meses y 6 días en la mezcla “1” y 452 L durante 7 meses y 19 días en la mezcla “2” (Castillo & Tito, 2011).
En una investigación, se diseñó, construyó, y evaluó el funcionamiento de un biodigestor familiar de 2 m3, tipo manga de polietileno, utilizando adobe en
las paredes de la zanja, acolchonado por una manta de sacos y revestido por un cobertor negro, para mantener en promedio 20-30°C. El biodigestor se alimentó con 14 L de estiércol fresco de ganado bovino y 42 L de agua y el biogás se cuantificó a través del método indirecto del gasómetro de campana flotante. El tiempo de retención inicial fue de 30 días, produciéndose posteriormente biogás, con un promedio de 400 Ldia-1 y 40 Ldía-1 de Biol. Se
demostró que el estiércol de oveja constituye una materia prima para la producción de combustible y fertilizante (Salazar et al., 2012).
El bagazo cervecero con un volumen de producción del 85% en relación al total de los residuos de la industria, se investigó para la producción de biogás. Se trabajó en digestores anaerobios de 70 L de capacidad, dispuestos en una piscina de contención para mantener constante 30°C. Los tratamientos fueron bagazo acondicionado (BA) con cal y estiércol de bovino (EB) como testigo. Se determinó un tiempo de retención hidráulica de 144 días para BA y 98 días para EB, volúmenes máximos de biogás de 27,7 L para BA y 21,5 L para EB, volumen promedio de 650,14 L a los 144 días con BA y 392 L después de 98 días con EB, representando volúmenes de producción de 0,0144 m3kg-1 y 0,0087 m3kg-1,
respectivamente. Para EB, la concentración de gases fue 55% de CH4 y 45% de
CO2; con valores no significativos de O2, H2S y CO. Para BA la concentración
de CO superó los 500 ppm y el gas no combustionó. Se concluyó que la concentración de CH4 se encuentra por debajo de 50%, requiriéndose un
10 1.2 Base teórica
El desarrollo sostenible, según la Declaración de Río sobre El Medio Ambiente y el Desarrollo (1992) se define como: “satisfacer las necesidades de las generaciones presentes sin comprometer las posibilidades de las del futuro para atender sus propias necesidades”. Para lograr dicho desarrollo es necesario mejorar las tecnologías empleadas actualmente, buscando la manera de reducir la contaminación generada y el aprovechamiento máximo de los recursos (Gutierrez et al., 2012).
La volatilidad de los precios de los combustibles fósiles, los efectos del cambio climático sobre la agricultura, las exigencias medioambientales de los mercados de destino, los avances tecnológicos observados en las energías renovables no convencionales (ERNC), el costo interno de la energía y el impacto no previsto de la radiación nuclear destacan la necesidad de innovar o incorporar elementos de energías renovables en los procesos productivos, como factores de competitividad frente a una matriz energética “carbonizada” y a una demanda creciente de productos con indicadores ambientales positivos (Traub, 2011; Rodriguez, 2012).
Las energías renovables se caracterizan porque en sus procesos de transformación y aprovechamiento en energía útil no se consumen ni se agotan, en una escala humana. En los ERNC se consideran la energía hidráulica a pequeña escala, energía eólica, solar, geotérmica, mareomotriz y las derivadas de la biomasa. La biomasa residual se genera como consecuencia del consumo de biomasa y producción de residuos en explotaciones agrícolas, forestales, ganaderas, industriales y núcleos urbanos (Rodriguez, 2012).
11 1.2.1 Residuos sólidos
La Ley General de Residuos Sólidos, Nº 27314, en su artículo 14, define a los residuos sólidos como aquellas sustancias, productos o subproductos en estado sólido o semisólido, de los que su generador dispone, o está obligado a disponer, en virtud de lo establecido en la normatividad nacional o de los riesgos que causan a la salud y el ambiente, para ser manejados a través de un sistema que incluya según corresponda las siguientes operaciones o procesos: minimización de residuos, segregación en la fuente, reaprovechamiento, transferencia y disposición final. Los residuos sólidos se clasifican según su origen en: domiciliario, comercial, limpieza de espacios públicos, establecimiento de atención de salud, industria, actividades de construcción, agropecuario y de instalaciones o actividades especiales. Los residuos domiciliarios o de las actividades domésticas están constituidos por restos de alimentos, periódicos, revistas, botellas, embalajes en general, latas, cartón, pañales descartables, restos de aseo personal y otros similares. Los residuos de limpieza son aquellos generados por los servicios de barrido y limpieza de pastos, veredas, plazas, parques y otras áreas públicas y los residuos agropecuarios son provenientes de las actividades agrícolas y pecuarios (Ley Nº 27314).
12
Los residuos sólidos son definidos como aquellos desperdicios que no son transportados por el agua y que han sido rechazados porque ya no serán utilizados. En el caso de los residuos sólidos municipales, a los residuos de alimentos putrescibles (biodegradables) se les llama basura y a los residuos no putrescibles se les designa como desechos. Los desechos incluyen diversos materiales que pueden ser combustibles (papel, plástico, textiles) o no combustibles (vidrio, metal, mampostería). En los residuos municipales no se incluyen sólidos que normalmente no constituyen responsabilidad municipal como cenizas de plantas generadoras de electricidad alimentadas con carbón, plantas de tratamiento de aguas municipales, residuos de predios de crianza de animales y desechos de minas. A su vez, el término “residuos urbanos” agrupa los residuos generados por cualquier actividad en los núcleos de población y sus zonas de influencia. Incluye los residuos domiciliarios, comerciales y de servicios, sanitarios, limpieza diaria, zonas verdes y recreativas, animales muertos abandonados, enseres, residuos industriales de construcción, agrícolas y ganaderos (Benavides & Plasencia, 2012).
1.2.2 Digestión anaerobia
La digestión anaerobia es un proceso complejo, donde en ausencia de oxígeno se transforma la materia orgánica en biomasa y compuestos inorgánicos volátiles como dióxido de carbono, amoniaco, sulfuro de hidrógeno, nitrógeno y metano. Naturalmente ocurre en el tracto digestivo de animales y debajo de aguas estancadas o pantanos, pero también puede realizarse en depósitos cerrados herméticamente, llamados biodigestores. Éstos se utilizan cuando se quiere captar todos los productos (gases y sólidos) de la descomposición anaerobia. En estas condiciones, el nitrato se transforma en amonio, el fósforo queda como fosfato y los iones férricos y manganeso son reducidos (Soria et al., 2001).
13
acidogénicas convierten los compuestos orgánicos solubles de la hidrólisis en ácidos orgánicos como el acético, propiónico, butírico y alcoholes como metanol. En la tercera etapa, los ácidos grasos y alcoholes son convertidos en ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono. A su vez, el metanol, ácidos propiónico y butírico son transformados en ácido acético por las bacterias acetogénicas. Finalmente, en la cuarta etapa o metanogénesis se produce el metano (CH4) a
partir del ácido acético o de mezclas de hidrógeno y dióxido de carbono, así como también de otros sustratos como ácido fórmico y metanol (Riquelme, 2009).
Estructuralmente los metanógenos son células procariotas, que presentan diversos tipos de paredes celulares, que incluyen la pseudomureína de Methanobacterium y relacionados, la metinocondroitina de Methanosarcina y las glicoproteínas de Methanococcus y Methanoplanus. Fisiológicamente, los metanógenos son anaerobios estrictos y la mayoría son mesófilos, aunque también se ha descrito extremófilos presentes en lugares con alta temperatura y salinidad. Se encuentran en los sedimentos de lagos, así como en el rumen de vacas, ovejas, camellos; en el cecum de caballos y conejos; en el intestino grueso de animales monogástricos y en el tubo digestivo de insectos celulolíticos como termitas (Madigan et al., 2004).
Entre los sustratos utilizados para la metanogénesis se incluyen los de tipo dióxido de carbono (CO2), sustratos metílicos y acetato. En primera la clase el
dióxido de carbono es reducido hasta metano, utilizando el hidrógeno como fuente de poder reductor. Aquí también se incluye el formiato y monóxido de carbono. En la segunda clase, están los sustratos con grupo metilo, como el metanol, en los que las moléculas orgánicas son reducidas por el hidrógeno como una fuente externa de electrones. Alternativamente, en ausencia de hidrógeno una pequeña cantidad de metanol es oxidado hasta dióxido de carbono para generar los electrones necesarios y reducir estas moléculas de metanol hasta metano. En la tercera clase de sustratos se forma metano y dióxido de carbono por ruptura del acetato (Parés & Juares, 1997; Madigan et al., 2004).
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metanogénicas acetoclásticas. También existen los metanogénicos hidrogenófilos, que consumen el hidrógeno generado en las primeras reacciones y lo convierten en biogás. Este grupo de bacterias son fundamentales para el equilibrio de las condiciones ambientales de la reacción, puesto que una acumulación de hidrógeno alteraría la digestión de la materia orgánica (Madigan et al., 2004).
Las diversas materias primas que se puede utilizar en la metanogénesis puede ser residuos de origen animal: estiércol, orina, guano, camas, residuos de mataderos, vísceras de pescado; residuos de origen vegetal: malezas, rastrojo de cosecha, pajas, forraje en mal estado, residuos de origen humano: heces, basura, orina; residuos agroindustriales: salvado de arroz, orujos, melazas; residuos forestales: hojas, ramas, cortejas y residuos de cultivos acuáticos: algas, jacintos y malezas (Varnero, 2011).
Los sustratos para la metanogénesis se puede definir en función de su apariencia física, nivel de dilución, grado de concentración y características cuantitativas: porcentaje de sólidos totales (ST), sólidos volátiles (SV) y demanda química de oxígeno (DQO). Los sustratos clase 1 sólidos: basura doméstica, estiércol sólido y residuos de cosecha con >20% ST pueden degradarse eficientemente en digestores discontinuos o por lotes. Los sustratos clase 2 lodos altamente contaminados, viscosos: heces animales con 5-10% ST son degradados en digestores de operación continua. Los sustratos clase 3 fluidos con alto contenido de sólidos suspendidos: heces animales de cría y levante diluidas con agua de lavado con 3-17gL-1 DQO deben tratarse en
digestores de filtro anaerobio. Los sustratos clase 4 fluidos, muy contaminados con sólidos en suspensión: aguas residuales de agroindustrias y aguas negras con 5-8 gL-1 DQO y 4-500gL-1 DQO, respectivamente deben ser degradados en
digestores continuos (Varnero, 2011).
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enterrados, se cargan por gravedad una vez al día y en la parte superior flota una campana, donde se almacena el gas. Los horizontales de desplazamiento también se construyen enterrados semejantes a un canal, se operan a régimen semicontinuo, entrando la carga por un extremo y saliendo el efluente por el extremo opuesto del biodigestor. A su vez, los biodigestores de régimen continuo se utilizan principalmente para el tratamiento de aguas negras y generalmente son de tipo industrial (Soria et al., 2001).
1.2.3 Marco legal
Constitución Política del Perú, promulgada en 1993, que en el artículo 2 numeral 22, establece: “toda persona tiene derecho a gozar de un ambiente equilibrado y adecuado al desarrollo de su vida”. El artículo 67 dispone: “El estado determina la política nacional del ambiente y promueve el uso sostenible de los recursos naturales”.
Ley General de Salud Nº 23842 del 20 de julio de 1997, en la cual se reconoce la responsabilidad del Estado frente a la protección de la salud ambiental. En el Artículo 96 del Capítulo IV, se menciona que en la disposición de sustancias y productos peligrosos deben tomarse todas las medidas y precauciones necesarias para prevenir daños a la salud humana o al ambiente. Los artículos 99, 104 y 107 del Capítulo VIII, tratan sobre los desechos y la responsabilidad de las personas naturales o jurídicas de no efectuar descargas de residuos o sustancias contaminantes al agua, el aire o al suelo.
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Reglamento de la Ley General de Residuos Sólidos Nº 27314, aprobado mediante Decreto Supremo N° 057-04-PCM, del 24 de julio de 2004, en el artículo 6 establece que “la autoridad de salud de nivel nacional para los aspectos de gestión de residuos previstos en la Ley, es la Dirección General de Salud Ambiental (DIGESA) del Ministerio de Salud y en el nivel regional, son las Direcciones de Salud (DISA) o las Direcciones Regionales de Salud, según corresponda”.
Ley Nº 28611, Ley General del Ambiente del 13 de junio de 2005, en el artículo Nº 1 menciona que “Toda persona tiene el derecho irrenunciable a vivir en un ambiente saludable, equilibrado y adecuado para el pleno desarrollo de la vida, y el deber de contribuir a una efectiva gestión ambiental y de proteger el ambiente, así como sus componentes”. En el artículo 67 menciona que: “Las autoridades públicas de nivel nacional, sectorial, regional y local priorizan medidas de saneamiento básico que incluyan la disposición de excretas y de los residuos sólidos en las zonas urbanas y rurales, promoviendo la universalidad, calidad y continuidad de los servicios de saneamiento”. El artículo 119 en su inciso 1 menciona que “La gestión de los residuos sólidos de origen doméstico, comercial o que siendo de origen distinto presenten características similares a aquellos, son de responsabilidad de los gobiernos locales”.
Ley Nº 27446, Ley del Sistema Nacional de Evaluación del Impacto Ambiental del 20 de abril de 2011, en su artículo 5, inciso b, establece que para los efectos de la clasificación de los proyectos de inversión que queden comprendidos dentro del Sistema de Evaluación de Impacto Ambiental, la autoridad competente deberá ceñirse, entre otros, al criterio de “la protección de la calidad ambiental, tanto del aire, del agua, del suelo, como la incidencia que puedan producir el ruido y los residuos sólidos y líquidos”.
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18 CAPÍTULO II
DISEÑO METODOLÓGICO
2.1 Tipo de estudio y diseño de contrastación de hipótesis
El trabajo de investigación fue descriptivo para determinar las características físico-químicas de cuatro tipos de estiércol de animales y formular cuatro mezclas de estos estiércoles con rastrojos de maíz, en una relación C:N de 30:1. La investigación fue experimental para seleccionar la mezcla de estiércol-rastrojos con la que se alcanzó la mayor presión generada por el biogás. Los tratamientos fueron cuatro, correspondientes al rastrojo como sustrato común y cuatro tipos de estiércol: T1: aves de corral más rastrojos, T2: cuy más rastrojos, T3: porcino más rastrojos y T4: vacuno más rastrojos. Las repeticiones fueron tres por tratamiento, totalizando 12 unidades experimentales (Tabla 1). La hipótesis se contrastó con el diseño de Goode y Hatt (1986) mencionado por Vásquez et al. (2012), en la investigación descriptiva y el diseño completamente aleatorio en la investigación experimental (Hernández et al., 2003).
2.1.1 Ubicación del lugar de muestreo
El estiércol de animales se colectó en el Centro Poblado La Viña, distrito Jayanca, de la región Lambayeque (Figura 1). Jayanca está ubicado entre los paralelos 06° 39´ 08´´ latitud sur, 79° 22´ 19´´ longitud oeste, a 61 msnm. Su temperatura media normal es 22ºC, con un máximo de 35ºC en verano y un mínimo de 10,5ºC en invierno (Municipalidad Distrital de Jayanca, 2010).
19 Tabla 1.Tratamientos para seleccionar la mezcla de estiércol-rastrojos con
la mayor presión generada por el biogás
Figura 1. Ubicación del lugar de muestreo en el distrito de Jayanca, distrito de la provincia de Lambayeque, región Lambayeque. Marzo, 2013 (http://maps.google. com.pe/maps?hl=es&tab=ii).
Tratamientos Biogás (bares)
r1 r2 r3
20 Figura 2. Rastrojo de Zea maysL. “maíz”.
21 2.2 Condiciones meteorológicas
Durante la prefermentación y fermentación se registraron las temperaturas máxima, mínima y media, datos obtenidos por la Estación Meteorológica de la Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo, ubicado en el fundo “El Ciénago” en Lambayeque. La temperatura media mínima fue de 21,0 °C en agosto y la máxima 23,9 °C en diciembre (Tabla 2).
2.3 Población y muestra de estudio
La población estuvo constituida por el estiércol de aves de corral, cuy, porcino, vacuno y rastrojos de las unidades agropecuarias del Centro Poblado Viña en Jayanca y se investigó una muestra no probabilística, por conveniencia de 50 Kg de cada uno de los cuatro tipos de estiércol y 100 Kg de rastrojos, colectados durante el 25-30 de mayo de 2015.
2.4 Materiales
Estiércol de animales y rastrojos, contenido ruminal de vacuno y semillas de Raphanus sativus L. "rabanito".
2.5 Variables en estudio
Independiente: Estiércol de animales y rastrojos.
22 2.5.1 Operacionalización de las variables
Variables Tipo Indicadores Sub
indicadores Índice Técnica
Biogás Dependiente Rendimiento Calidad
Cantidad
Color de llama de fuego
Escala convencional (Castillo & Tito, 2011)
Presión manométrica (Marichal, 2010) Biofertilizante Dependiente Rendimiento Cantidad Volumen
Índice de
Cálculo matemático (Reupo, & Vásquez 2001) Cálculo matemático (Arrieta & Pacheco, 2000) Kjeldahl (Cajo & Nizama, 2008)
Gravimetrica (Barreto & Córdova, 2012)
23 Tabla 2. Valores promedio de temperatura (°C) en Lambayeque,
agosto-diciembre, 2015
Meses
Temperatura (°C)
Máxima Mínima Media
Agosto 24,5 17,5 21,0
Setiembre 25,6 17,1 21,9
Octubre 25,9 18,4 22,2
Noviembre 26,0 20,8 23,4
24 2.6 Métodos y procedimientos para la recolección de datos
2.6.1 Caracterización físico-química del estiércol de animales y rastrojos
El análisis físico-químico de los residuos orgánicos se realizó en el laboratorio de Bromatología de la Facultad de Ciencias Biológicas, determinándose los contenidos de humedad, ceniza, materia orgánica, carbono, nitrógeno, sólidos totales y relación C:N. La humedad (%) se determinó por el método gravimétrico de la estufa (Oyuela, 2010) y la ceniza (%) por el método de incineración (Reupo & Vásquez, 2009). El contenido de materia orgánica se calculó con la resta de los porcentajes de materia seca y ceniza (Reupo & Vásquez, 2009) y el valor resultante se dividió entre 1,8 para obtener el porcentaje de carbono (Arrieta & Pacheco, 2000).
El nitrógeno (%) se determinó por el método de Kjeldahl (Cajo & Nizama, 2008) y después se calculó la relación C:N, dividiendo los porcentajes de carbono y nitrógeno (Benavides & Plasencia, 2012). A su vez, el porcentaje de sólidos totales se determinó por el método gravimétrico (Barreto & Córdova, 2012).
2.6.2 Fitotoxicidad
La toxicidad de los estiércoles investigados, se determinó por triplicado en submuestras de 10 g. Se utilizaron semillas de rabanito a las que previamente se les determinó el porcentaje de germinación. En cinco placas de Petri, con papel esterilizado y humedecido con agua destilada esterilizada, se depositaron 20 semillas por placa, se taparon y se mantuvieron a temperatura ambiente (28 °C) humedeciéndolas interdiariamente, hasta obtener el máximo de germinación, que fue 99% después de 120 horas.
25 Figura 4. Vertido del sobrenadante en estiércol de Cavia porcellus.
26
Las placas se cubrieron con papel bond durante 120 horas, a 28 °C y después de 48 horas, se vertieron 3 mL adicionales del sobrenadante, para mantener la humedad requerida. A las 120 horas se contaron las semillas germinadas y se midió la longitud de las radículas emergidas. El porcentaje de germinación relativo (PGR), crecimiento relativo de radícula (CRR) e índice de germinación (IG) fueron calculados según las siguientes fórmulas:
PGR = Número de semillas germinadas en el extracto x 100 Número de semillas germinadas en el control positivo
CRR = Longitud promedio de radículas en el extracto x 100 Longitud promedio de radículas en el control positivo
IG =PGR x CRR 100
Donde:
PGR = Porcentaje de germinación relativo CRR = Crecimiento relativo de radícula IG = Índice de germinación
La fitotoxicidad se determinó con el criterio de interpretación mencionado por Rodríguez (2012) según el cual: IG ≥ 80% indica que no hay sustancias fitotóxicas o están en muy baja concentración, 80% >IG >50% se interpreta como presencia moderada de estas sustancias y un IG ≤ 50% indica una fuerte presencia de sustancias fitotóxicas, criterios correspondientes a niveles de fitotoxicidad bajo, moderado y severo, respectivamente (Purisaca & Quevedo, 2015)
2.6.3 Formulación de cuatro mezclas de estiércol de animales-rastrojo en una relación C30:N1
27
50% = 𝑆𝑇1 𝑋1+ 𝑆𝑇2𝑋2
80%(𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙)
Donde:
ST1= % sólidos totales del estiércol
ST2= % sólidos totales del rastrojo
2.6.4 Proceso fermentativo para la producción de biogás en digestores a escala de laboratorio
Las mezclas de estiércol de animales–rastrojos se llevaron a una prefermentación en aerobiosis y fermentación con anaerobiosis, en digestores a escala de laboratorio, seleccionándose la mezcla con la que se alcanzó mayor producción de biogás.
a) Prefermentación o digestión aerobia
El rastrojo de maíz se picó (Figura 6), con un machete en fragmentos de 2-3 cm y al igual que los estiércoles se pesaron (Figura 7), según los cálculos respectivos, correspondientes a 0.4243 kg de estiércol de aves con 1,155 kg de rastrojo; 0,8806 kg de estiércol de cuy con 0,7692 kg de rastrojo; 0,5420 kg de estiércol de porcino con 1,3723 kg de rastrojo y 0,4842 kg de estiércol de vacuno con 1,4021 kg de rastrojo (Anexo 1). El material orgánico pesado y requerido para cada tratamiento (tres repeticiones) se depositó en cuatro prefermentadores, constituidos por tinas de polipropileno de 40 L de capacidad (aproximadamente la mitad del contenido: 20 L, se homogenizó manualmente (Figura 8), se humedeció con 24 L de solución 2% de cal o yeso comercial (Figura 9) y se mezcló para facilitar la hidratación (Figura 10). Los prefermentadores se cubrieron con tocuyo (Figura 11), para evitar el ingreso de insectos y se destaparon para homogenizar la mezcla con una palana (Figura 12), cada 2 días, para favorecer la aireación, a temperatura ambiente (18-25°C), durante 1 mes, hasta alcanzar una apariencia de “mermelada” (Castillo & Tito, 2011)
b) Fermentación o digestión anaerobia
28 Figura 6. Fragmentado de rastrojo de Zea mays L.
29 Figura 8. Homogenización de mezcla estiércol de vacuno-rastrojo.
30 Figura 10. Mezclado de solución de cal con estiércol de vacuno-rastrojo.
31 Figura 12. Homogenización de mezcla de estiércol de vacuno-rastrojo con
solución de cal.
32 Figura 14. Pintado de envases de polietileno tereftalato.
33
Para el armado de los dispositivos anexos a los digestores, en uno de los extremos de doce tubos de cobre de 8 cm de largo y 0,6 cm de diámetro se depositó silicona para vidrio e inmediatamente se insertó en una manguera de policloruro de vinilo (PVC) de 0,6 cm de diámetro y 15 cm de longitud (Figura 16). Después del secado, este dispositivo se insertó a presión en el orificio central de las tapas de polipropileno (PP) y para evitar la pérdida de gas se aplicó silicona alrededor del borde del tubo, tanto en el exterior, como en el interior. De esta manera, quedaron listos los dispositivos (Figura 17) para la salida y medición de la presión del biogás producido.
Para la fermentación o digestión anaerobia, en cada digestor se depositó la mezcla prefermentada, utilizando bolsas de polietileno y las manos para facilitar el llenado de 2 L de capacidad. Inicialmente se vertió 1 L de la mezcla prefermentada, rápidamente se adicionó 20% (0,560 L) del inóculo constituido por contenido ruminal (Carhuando, 2012), se vertió 1 litro de la mezcla restante y se completó el volumen con 0,8 L de solución 2% de cal, requeridos para alcanzar 50% de sólidos totales, en un volumen total del 80% del digestor, correspondiente a 2,8 L. Los digestores se taparon herméticamente, colocando cinta teflón alrededor de la abertura (Figura 18) y sobre ella el dispositivo para la salida y medición de la presión del biogás. Para evitar la fuga del biogás la manguera de PVC se dobló sobre si misma dos veces y se aseguró con un pabilo alrededor, de tal manera que la abertura quedó hacia arriba para facilitar la medición correspondiente (Figuras 19, 20, 21).
34 Figura 16. Armado de dispositivos anexos a los digestores, a. Tubos de cobre, b. Aplicación de silicona, c. Mangueras de policlorulo de vinilo, d. Inserción de tubo de cobre en manguera.
(a) (b)
35
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
36 Figura 18. Pegado de cinta teflón en el exterior de la abertura del digestor.
37 Figura 20. Digestor para la fermentación anaeróbia de mezcla de estiércol de
aves-rastrojo.
39 Figura 23. Extremo inicial de cinta métrica adherida a la varilla de soporte
universal.
40
En la tapa de PP de una botella de PET, de 1L de capacidad, se realizaron dos agujeros de 0,6 cm de diámetro. En uno de ellos se insertó una manguera de PVC de 50 cm de longitud por 0,6 cm de diámetro, de tal manera que los 5 cm de uno de los extremos queden dentro de la botella. En el extremo opuesto de la manguera (45 cm) se colocó una abrazadera metálica y luego se insertó a presión un “niple escamado” de bronce de ¼” x ¼” (Figura 25).
En el otro agujero se insertó una manguera de PVC transparente de 162 cm de longitud por 0,6 cm de diámetro, cuyos extremos finales llegaran a la base de la botella (Figura 26) y el extremo final del tubo de PVC, previamente acoplado al soporte universal. La botella de PET de 1 L de capacidad se llenó con 245 mL de una solución de colorante vegetal rojo, alcanzando 6 cm de altura (Figura 27), delimitados por un fragmento de 7 cm de cinta métrica adherida a la pared externa de la botella. La unión de las mangueras de PVC y la tapa de la botella se selló externamente con soldimix (Figura 28) para evitar la pérdida de gas. La manguera de 162 cm se aseguró con silicona de vidrio al tubo de PVC y la botella se fijó con pabilo a la varilla cilíndrica, constituyendo el manómetro artesanal (Figura 29).
41 Figura 25. Dispositivo para manómetro artesanal, a. Agujeros en tapa de polipropileno, b. Manguera insertada parcialmente, c. Abrazadera metálica y niple escamado de cobre acondicionado en extremo de manguera.
(a) (b)
42 Figura 26. Manguera de policloruro de vinilo insertado totalmente.
43 Figura 28. Mangueras de policloruro de vinilo y agujeros de tapa de
45 Figura 30. Dispositivo para la salida y medición de la presión insertado en
niple escamado.
46 a) Diseño y acondicionamiento de digestor tipo tanque con sistema
discontinuo
El digestor tipo tanque estuvo constituido por un envase de polietileno de alta densidad (PEAD) de color azul de 75 L de capacidad (Figura 32), en el cual se hizo un orificio de 3,1 cm de diámetro a 18 cm de su base (Figura 33). El dispositivo para la toma de muestra del contenido del digestor correspondió a un “adaptador macho” de PVC de 1”, en cuya zona del “hilo” se depositó una capa de cemento para PVC y se adhirió un “retén” de jebe. En el digestor, internamente se insertó este dispositivo, a presión y se selló con cemento para PVC, en el orificio realizado previamente. Externamente se depositó cemento para PVC, se adhirió un segundo retén de jebe y se acopló y selló con cemento una “llave de paso” de PVC de 1” (Figuras 34, 35).
El manómetro estuvo ubicado en la tapa giratoria del tanque de PEAD, en cuya parte central se realizó previamente un orificio (Figura 36) de 1,9 cm de diámetro, donde se insertó y sello con cemento un “niple” de bronce de ½” x 1” al que se le acondiciono un “anillo” de fierro y un “retén" en su extremo adyacente a la tapa (Figura 37). Por debajo de la tapa, el ”niple” se aseguró y selló con un “retén” y una “contratuerca” de bronce de ½”, adicionando cemento en todo el dispositivo para asegurar el sellado y evitar la fuga del biogás (Figuras 38, 39)
47 Figura 32. Envase de polietileno de alta densidad.
48 Figura 34. Dispositivo para la toma de muestra, a. Cementado en zona del “hilo”, b. Adhesión de retén, c. Retén adherido, d. Dispositivo en el interior del digestor, e. Adhesión de retén en el exterior, f. Cementado en el exterior del retén.
(a) (b)
(c) (d)
49 Figura 35. Acoplado de llave de paso de policlocuro de vinilo.
50
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
51
(a) (b)
(c) (d)
53
(a) (b)
(c) (d)
Figura 40. Acondicionamiento del manómetro en “T” de fierro galvanizado,
54
(a) (b)
(c) (d)
55 Figura 42. Manómetro y llave de control de gas instalado en tapa de digestor.
56
El contenedor para el almacenamiento de biogás o gasómetro estuvo constituido por una cámara de neumático 7.00/650-16 (altura/ancho, diámetro), en cuyo pitón se acoplo un dispositivo para el control del biogás. Para su acondicionamiento, en una “válvula esférica” de bronce de ¼” se acoplaron por ambos extremos dos “niples escamados” de bronce ¼” x ¼” (sellados con cinta teflón). En uno de los extremos se acopló una “manguera” de jebe y lona de ¼”, la cual se aseguró con una “abrazadera” metálica. A su vez, la manguera se unió al “pitón” de la cámara y se aseguró con una “abrazadera” metálica (Figuras 44, 45). El contenedor para el almacenamiento del biogás se unió al digestor a través de 2 m de una “manguera” de jebe y lona de ¼” asegurada en ambos extremos con “abrazaderas” metálicas de ¼” (Figuras 46, 47). De esta manera, se acondicionó el digestor anaerobio con dispositivo para el almacenamiento de biogás (Figura 48).
b) Proceso fermentativo para la producción de biogás
El proceso fermentativo para la producción de biogás consistió de una prefermentación y una fermentación propiamente dicha en un digestor de 75 L de capacidad. Los sustratos rastrojo y estiércol de vacuno requeridos para la digestión anaerobia se calcularon en forma similar al ítem 2.6.2, correspondiendo 29,8281 kg de rastrojo y 10,2992 kg de estiércol de vacuno (Anexo 3). Éstos se prefermentaron en cuatro tinas de polipropileno o prefermentadores (volumen promedio de 20 L por tina), durante 1 mes con 96 L de solución 2% de cal (ítem 2.6.3.) y luego se tomaron tres muestras representativas de 100 g cada una, para determinar el contenido de sólidos totales a 75°C y calcular la cantidad de solución de cal requerida para alcanzar 50% de sólidos totales.
57
(a) (b)
(c) (d)
59 Figura 46. Unión de la manguera de jebe y lona al biodigestor.
60 Figura 48. Digestor anaerobio y contenedor para el almacenamiento de biogás.
61 Figura 50. Adición de contenido ruminal para la digestión anaerobia.
63 c) Producción de biogás y biofertilizante
La producción de biogás se consideró iniciada cuando al golpear con los nudos de los dedos de la mano en la superficie superior y superficie lateral del digestor se escuchó un sonido seco, no vibrante, a diferencia del sonido no seco y vibrante del inicio de la fermentación (Castillo & Tito, 2011). Inmediatamente después, se abrieron las llaves de los dispositivos para el control de gas y éste se desplazó hacia el contenedor, se acondicionó un mechero Bunsen y se comprobó la combustión cuando el biogás originó una llama de fuego al estar en contacto con la llama de un encendedor.
Después de iniciada la producción de biogás, cada 10 días durante 60 días se abrieron las llaves respectivas para su desplazamiento hacia el contenedor y se midió el volumen del biogás (L) mediante el método del desplazamiento de volumen de agua (Barreto & Córdova, 2012; Castillo y Tito; 2011). El dispositivo para el control del gas del contenedor se introdujo en el interior de una probeta graduada invertida y llena con 2 L de agua, cuyo extremo inferior estaba ligeramente sumergido en el agua contenida en un balde de 20 L de capacidad y luego se abrió la llave de control para que el biogás ingresara a la probeta y desplazara el agua hacia el balde. Al completar 2 L, la llave se cerró y las mediciones se repitieron hasta agotar el biogás, para lo cual se presionó manualmente el contenedor. Asimismo, se determinó la calidad del biogás según el color de la llama de fuego, mediante la escala utilizada por Castillo & Tito (2011). El biogás fue de buena calidad cuando originó una llama azul clara constante, de regular calidad con una llama azul naranja y de mala calidad con una llama color naranja – rojizo.
Terminada la producción de biogás, el sobrenadante del contenido del biodigestor, se colectó en un recipiente de polietileno de alta densidad (PEAD), se filtró a través de un tocuyo (Figura 53), se determinó el volumen para calcular el rendimiento del biofertilizante o Biol, se tapó herméticamente y se almacenó bajo sombra. A continuación, se tomó una muestra representativa para realizar el análisis físico, químico, microbiológico y evaluar la toxicidad correspondiente.
En el análisis físico-químico se determinó el pH, conductividad eléctrica (CE: dSm-1), sólidos totales (gL-1), nitrógeno total (mgL-1), fósforo total (mgL-1) y potasio
64
65
número bacterias coliformes totales y fecales mediante el método de tubos múltiples de fermentación-Número Más Probable, NMP, según el método estándar para examen de agua y agua residuales 9222 B (APHA, 2005) (Benavides & Plasencia, 2012). Con el biofertilizante obtenido también se realizó un ensayo de toxicidad aguda (Figura 54, anexo 5), mediante la evaluación de la inhibición del crecimiento promedio de raíces con bulbos de Allium cepa L. “cebolla” (Mendoza & Ramírez, 2008)
2.7Análisis estadístico de los datos
66 Figura 54. Ensayo de toxicidad del biofertilizante líquido en bulbos de Allium cepa L. “cebolla”, a. Biofertilizante 100%, b. control negativo, c. Crecimiento de raíces, d. Medición de raíces.
(a) (b)
(c) (d)
67 CAPITULO III
RESULTADOS
El estiércol presentó 38,7 – 48,9% de carbono; 1,98 – 3,78% de nitrógeno; 11,5 – 19,5 relación C:N y 26,2 – 82,2% de sólidos totales (Tabla 3). El mayor contenido de carbono correspondió al estiércol de vacuno y los mayores contenidos de nitrógeno y sólidos totales al estiércol de aves. El rastrojo de maíz presentó 51,9% de carbono; 0,94% de nitrógeno; 55% en la relación C:N y 90,8% de sólidos totales. En cuanto al nivel de toxicidad fue bajo en todos los estiércoles (Tabla 4).
Las mezclas de estiércol de animales y rastrojos fermentados se formularon con una relación carbono 30: nitrógeno 1, pesándose 0,4243 – 0,8806 kg de estiércol y 0,7692 – 1,4021 kg de rastrojo (Tabla 5). La digestión anaerobia de todas las mezclas produjo biogás, demostrado por la presión registrada en un manómetro de 1140 mm de H2O (Tabla 6, anexo 6).
La presión del biogás se registró a partir de los 4 días (estiércol de porcino), 5 días (estiércol de vacuno) y 7 días (estiércoles de cuy y aves). Durante los 27 días de digestión se acumularon en promedio 29254,8 cm H2O con el estiércol
de vacuno; 28815,8 cm H2O (estiércol de porcino), 28393,2 cm H2O (estiércol de
aves) y 28117,3 cm H2O (estiércol de cuy), valores correspondientes a una
presión bar de 28,690; 28,260; 27,845 y 27,575 respectivamente (Tabla 7, anexo 7). La prueba F del análisis de varianza no demostró significancia (p>0,0128); sin embargo, numéricamente la mayor presión correspondió al estiércol de vacuno.
68 Tabla 3. Características físico-químicas de estiércol de aves de corral, cuy,
porcino, vacuno y rastrojos de Zea mays L.
Características Estiércol Rastrojo de maíz
Tabla 4. Índice de germinación de semillas de Raphanus sativus L. “rabanito” y
nivel de toxicidad de estiércol de aves, cuy, porcino y vacuno
Estiércol Índice de germinación (%) Nivel de toxicidad
Aves 80,12 Bajo
Cuy 84,97 Bajo
Porcino 83,21 Bajo
Vacuno 85,10 Bajo
Tabla 5. Mezclas de estiércol de animales-rastrojo formuladas con una relación carbono:nitrógeno 30:1
Mezclas Estiércol (kg) Rastrojo (kg)
Estiércol aves-rastrojo 0,4243 1,1550
Estiércol cuy-rastrojo 0,8806 0,7692
Estiércol porcino-rastrojo 0,5420 1,3723
69 Tabla 6. Presión (cm H2O) generada por biogás producido por digestión anaerobia de estiércol de animales y rastrojos, 2015
70 Tabla 6. Continuación
18 1065,6 1038,7 1094,8 1044,2 1047,3 1040,3 1073,6 1126,4 1047,5 1173,0 1046,9 1169,0 19 1050,3 1048,0 1061,3 1045,0 1038,7 1036,9 1066,5 1124,8 1052,1 1122,6 1062,5 1135,0 20 1058,6 1042,4 1061,9 1047,7 1055,9 1036,7 1079,3 1083,9 1054,5 1135,0 1068,1 1124,8 21 1055,6 1038,0 1062,8 1046,7 1047,1 1038,8 1079,0 1067,8 1054,2 1073,6 1066,4 1077,9 22 1059,7 1047,8 1052,1 1045,6 1044,4 1042,9 1074,5 1072,6 1062,8 1080,2 1073,8 1082,1 23 1063,1 1054,6 1054,3 1051,3 1049,8 1049,7 1075,9 1077,1 1069,6 1083,9 1084,2 1089,1 24 1071,2 1066,9 1051,7 1057,1 1050,0 1055,6 1072,7 1094,1 1083,4 1086,2 1093,7 1088,5 25 1055,2 1076,4 1066,0 1059,1 1059,6 1048,4 1065,0 1083,4 1074,2 1071,6 1083,1 1098,6 26 1052,0 1068,8 1068,6 1055,4 1054,1 1044,8 1061,9 1080,7 1068,1 1074,8 1082,0 1088,8 27 1050,8 1068,1 1065,4 1060,3 1055,1 1042,7 1055,6 1067,1 1065,8 1080,9 1067,1 1082,9 Total 28367,2 28308,4 28503,9 28126,5 28152,8 28072,5 28780,2 29347,5 28319,8 29370,3 28883,7 29510,4
71 Tabla 7. Presión (bares) de biogás producido por digestión anaerobia de estiércol de animales y rastrojos, 2015
72 Tabla 7. Continuación
18 1,045 1,019 1,074 1,024 1,027 1,020 1,053 1,105 1,027 1,150 1,027 1,146 19 1,030 1,028 1,041 1,025 1,019 1,017 1,046 1,103 1,032 1,101 1,042 1,113 20 1,038 1,022 1,041 1,027 1,036 1,017 1,058 1,063 1,034 1,113 1,047 1,103 21 1,035 1,018 1,042 1,026 1,027 1,019 1,058 1,047 1,034 1,053 1,046 1,057 22 1,039 1,028 1,032 1,025 1,024 1,023 1,054 1,052 1,042 1,059 1,053 1,061 23 1,043 1,034 1,034 1,031 1,030 1,029 1,055 1,056 1,049 1,063 1,063 1,068 24 1,051 1,046 1,031 1,037 1,030 1,035 1,052 1,073 1,062 1,065 1,073 1,067 25 1,035 1,056 1,045 1,039 1,039 1,028 1,044 1,062 1,053 1,051 1,062 1,077 26 1,032 1,048 1,048 1,035 1,034 1,025 1,041 1,060 1,047 1,054 1,061 1,068 27 1,031 1,047 1,045 1,040 1,035 1,023 1,035 1,047 1,045 1,060 1,047 1,062 Total 27,820 27,762 27,954 27,584 27,609 27,531 28,225 28,781 27,773 28,803 28,326 28,941
73
Tabla 8. Presión acumulada (bar) del biogás producido por digestión anaerobia de estiércol de animales y rastrojo
Tabla 9. Volumen (L) de biogás por producción y acumulado en digestión anaerobia de estiércol de vacuno y rastrojo
Figura 55. Volumen (L) acumulado de biogás producido por digestión anaerobia de estiércol de vacuno y rastrojos.
74
El volumen de biogás producido (Figura 56) cada 10 días osciló entre 60 y 180 L acumulándose un total de 790 L de biogás, que representó un volumen de producción de 0,013 m3kg-1 (Anexo 7). El biogás producido combustionó con una
llama de color azul claro constante.
El volumen de biofertilizante o Biol fue de 52 L, correspondiente a 81,57% de rendimiento (Tabla 10). El Biol presentó 320 mgNL-1; 329,12 mgPL-1; 4012
mgKL-1; menos de 1,8 NMP coliformes totales/100 mL, menos de 0,18
75 Figura 56. Biogás almacenado en gasómetro.
Tabla 10. Rendimiento de biofertilizante líquido obtenido por digestión anaerobia de estiércol de vacuno-rastrojo
Parámetros Valores
76 Tabla 11. Características físico-químicas y microbiológicas de biofertilizante líquido obtenido por digestión anaerobia de estiércol de vacuno-
Coliformes totales (NMP/100 mL) < 1,8 Coliformes fecales (NMP/100 mL) < 0,18
