Caracterizacin de un biodigestor tubular unifamiliar y estudio de los beneficios socioeconmicos de sus productos

Robert Franklin Cotrina Lezama1

Alonso Vela Ahumada2

RESMEN

La tecnologa de biodigestores tubulares unifamiliares efecta el tratamiento de residuos

orgnicos, principalmente estircol, para transformarlo en energa limpia para la coccin de

alimentos y fertilizante orgnico para los cultivos; es por eso que la presente investigacin

propone a esta tecnologa como alternativa para mejorar la calidad de vida de pobladores de

zonas rurales altoaninas, siendo los objetivos principales: a) Evaluar las caractersticas de un

biodigestor tubular para su adaptacin a la regin Cajamarca, b) Evaluar la calidad y cantidad

de los productos del biodigestor (biogs y biol) y c) Determinar los beneficios

socioeconmicos que brinda la tecnologa a los propietarios de los sistemas en campo.

La investigacin nos ha llevado a disear un sistema con caractersticas que se adecen mejor

al clima altoandino, es necesario que el biodigestor cuente con un techo invernadero para

aumentar la temperatura interior, adems se ha determinado que el tamao ideal para un

sistema unifamiliar es de 10 m3 para el cual se necesita una carga diaria de 20 Kg de estircol

+ 60 litros de agua. En la caracterizacin del biogs se ha determinado que la produccin

promedio es de 300 litros diarios en y la calidad del biogs es buena al tener una

concentracin de metano (CH4) de 62%, Acido sulfhdrico (H2S) de 0.19%, dixido de

carbono (CO2) de 34% y otros gases 3.81% lo cual est dentro de los lmites permisibles. Para

evaluar el beneficio del biol en los cultivos se ha experimentado un ensayo con el cultivo de

papa variedad Canchn en donde se han aplicado cuatro tratamientos: t1=Testigo, t2=biol,

t3=Estircol y t4=biol + estircol; los cuales nos han dado resultados de produccin de

19 820.00 kg.ha-1

, 25 273.00 kg.ha-1

, 22 820.00 kg.ha-1

y 21 870.00 kg.ha-1

respectivamente.

Finalmente el resultando ms importante se ha dado en los beneficios que el biodigestor

brinda a las familias beneficiarias en campo como ahorro de lea en 50%, ayuda en la salud

de mujeres y nios por la disminucin del humo en las cocinas e incremento de la produccin

de cultivos.

En conclusin se ha demostrado que la tecnologa es apropiada para nuestra regin y nuestro

pas. Se recomienda continuar con investigaciones cientficas en esta tecnologa para

perfeccionarla y poder realizar proyectos masivos ya que la finalidad principal es lograr

mitigar el cambio climtico con energas renovables como esta.

Palabras Clave: Biodigestor, biogs, biol, energas renovables, estircol, digestin anaerobia.

ABSTRACT

The detached tubular digesters technology makes the treatment of organic waste, mainly

manure, transforming it into clean energy for cooking and organic fertilizer for crops, that is

why this research proposes an alternative to this technology to improve the quality of life for

residents of rural areas altoaninas, with the main objectives: a) evaluate the characteristics of a

tubular digester to adapt to the Cajamarca region, b) Evaluate the quality and quantity of

products (biogas and biol) biodigester c) Determining the economic benefits offered by

technology to the owners of the systems in the field.

1 Bachiller en Agronoma, Universidad Nacional de Cajamarca. 2 Profesor principal de la Universidad Nacional de Cajamarca.

2

The investigation has led us to design a system with features that best suit high Andean

climate, we need to count on the digester roof to raise the temperature gases inside also has

determined that the ideal size for a single family is 10 m3 for which you need a daily load of

20 kg of manure + 60 liters of water. In the characterization of biogas has determined that the

average production is 300 liters per day in biogas and quality is good to have a concentration

of methane (CH4) 62%, hydrogen sulfide (H2S) of 0.19% carbon dioxide (CO2) of 34% and

3.81% other gases which is within permissible limits. To evaluate the benefit of the crops biol

has seen a test with the potato variety courts where four treatments were applied: T1 =

Control, T2 = biol, t3 = t4 = biol Manure and manure +, which we production have yielded 19

kg ha-1 820.00, 25 273.00 kg ha-1, 22 820.00 and 21 kg ha-1 870.00 kg ha-1, respectively.

Finally the most important outcome has been in the digester provides benefits to the

beneficiary families in the field and save firewood by 50%, helps the health of women and

children by the reduction of smoke in the kitchens and increased production crops.

In conclusion it has been shown that the technology is appropriate for our region and our

country. You should continue scientific research to perfect this technology and to carry out

massive projects as the main purpose is to mitigate climate change with renewables like this.

INTRODUCCIN

El Per es un pas con claros problemas y limitaciones para el acceso a la energa,

especialmente en las zonas rurales pobres como las comunidades altoandinas de Cajamarca,

donde no existe acceso a energa elctrica ni a servicios bsicos, adems uno de los problemas

resaltantes que tienen los pobladores rurales, es la escasa fuente de energa (lea) para cocinar

sus alimentos. Hoy en da, en el mundo entero, se han desarrollado diferentes alternativas para

solucionar estos problemas energticos sin perjudicar el medio ambiente, siendo los

biodigestores una de las tecnologas con un importante potencial para ser utilizado en zonas

rurales cuyas actividades productivas estn relacionadas a la ganadera y agricultura como es

el caso de la regin Cajamarca.

El biodigestor es un sistema en el cual interactan tres componentes: planta de biogs, produccin animal y el cultivo de pastos, estos elementos forman un ciclo natural, los animales aportan estircol para la alimentacin del biodigestor, ste produce fertilizante para

el forraje el cual sirve de alimento para los animales y cada componente lleva beneficios

directos al campesino y a su economa. En este ciclo natural.

REVISIN DE LITERATURA

Qu es un Biodigestor Tubular?

Un biodigestor es una estructura por medio de la cual se trata el estircol recolectado. Este

tratamiento se da por la accin de las bacterias anaerobias (presentes en ausencia de oxgeno),

las cuales degradan o transforman la materia orgnica en biogs y fertilizante orgnico. Este

tipo de estructuras estn selladas hermticamente con una cubierta impermeable que permite

capturar el biogs evitando fugas del mismo para su posterior uso como fuente energtica

(Filmtex, 2008).

Tipos de Biodigestores

Respecto al mtodo de carga, se pueden distinguir 3 formas:

Plantas batch: se llenan y luego se vacan completamente luego de un tiempo fijo.

Plantas continuas: se alimentan y vacan de forma continua.

Plantas semi-batch: se alimentan peridicamente.

3

Los criterios tpicos de diseo estn relacionados con el espacio necesario, las estructuras

existentes, la minimizacin del coste y la disponibilidad del sustrato (Spagnoletta, 2008).

Composicin del biogs

El biogs lo constituyen una mezcla de gases producto de la descomposicin de la materia

orgnica en ausencia de oxigeno y su composicin depende del tipo de residuo orgnico

utilizado para su produccin y de las condiciones en que se procesa (Botero y Preston, 1987).

Composicin del Biol y Biosol

Como resultado de la fermentacin anaerbica de los residuos se obtiene un fango con alta calidad fertilizante. Este fango es separado en dos componentes: el componente lquido conocido como Biol, el cual representa la mayor parte y el componente slido conocido como Biosol; Dependiendo de las caractersticas de los residuos a fermentar, se tiene que en promedio el fango saliente del Biodigestor representa aproximadamente entre el 85 90% de la materia entrante. De esto, aproximadamente el 90% corresponde al Biol y el 10% al

Biosol (Aparcana, 2008).

MATERIALES Y MTODOS

Ubicacin del rea de estudio.

El trabajo de campo se ha desarrollado en los Centros poblados de Yanacancha y Chanta, en

el distrito de La Encaada, provincia y regin Cajamarca, en altitudes que oscilan entre los

3200 y 3700 msnm.

Los experimentos y anlisis de laboratorio se han realizado en la planta piloto de

biodigestores ubicada en la Estacin Experimental del INIA (Instituto Nacional de

Innovacin Agraria) en Baos del Inca, Cajamarca a 2600 msnm.

Material Experimental

Biol, Biogs, Cultivo de papa (Solanum tuberosum L.) variedad canchan.

Dos biodigestores de geomembrana de PVC de 10 m3 en planta piloto, uno con techo

invernadero tipo cpula (D1) y otro con techo invernadero tipo una agua (D2), alimentados

con estircol vacuno y de cuyes.

Otros materiales, equipos y herramientas

Materiales y herramientas necesarios para la implementacin de un biodigestor tubular de

geomembrana.

Equipos necesarios para las mediciones de Biogs y Biol:

METODOLOGA

Caracterizacin de Biodigestores Tubulares Unifamiliares.

Para la caracterizacin se ha diseado el modelo del biodigestor y se ha realizado la

instalacin de varios sistemas en campo de lo cual se ha obtenido resultados reales.

Biogs producido por el Biodigestor Tubular Unifamiliar

El monitoreo de la produccin diaria de biogs se realiz por medio de medidores a diafragma

(Elster, BK-G 1.6) Para el monitoreo de la calidad de gas se han utilizado tubos

colorimtricos que permiten medir el cido sulfhdrico, monxido de carbono y metano.

4

Figura 1. Distribucin de parcelas en el diseo experimental

Tabla 1. Tratamientos en estudio

Biol producido por el Biodigestor Tubular Unifamiliar

En este caso, para la caracterizacin del sustrato y del biol se han hecho anlisis de pH,

conductividad elctrica (CE), slidos totales (ST), slidos voltiles (SV), Nitrgeno Kjeldahl

(TKN), Nitrgeno amoniacal (N-NH4), Fsforo (P-P2O5), Potasio (K-K2O), Azufre (S).

Diseo Experimental para aplicacin de biol en papa

Se realizaron experimentaciones con diferentes dosis de biol en el cultivo de papa (Solanum tuberosus L) variedad Canchan, para lo que se utiliz un diseo de bloques completos al

azar (DBCA).

Generalidades del diseo experimental:

Fecha de Siembra : 29 Marzo 2010

Fecha de cosecha : 19 Julio 2010

Variedad : Canchan

N de aplicaciones de biol : 10

Frecuencia de aplicacin : cada 7 das.

1 aplicacin: 30 das despus de la siembra.

Modo aplicacin : con regaderas

Aplicacin de estircol : en la siembra

Biol procedente de biodigestores tubulares.

Caractersticas del diseo experimental:

N variables :4

N repeticiones :4

N parcelas :16

N surcos :12

N plantas/surco :32

N total plantas :384

N plantas/parcela :24

N plantas/variable :96

Superficie parcela (m2) :9,6

Superficie variable (m2) :38,4

N plantas a medir/parcela :6

N plantas a medir/variable :24

Superficie total (m2) :153,6 (16x9,6)

Marco de plantacin (m2) :0,4 (0,8x0,5)

Densidad (plantas/Ha) :25000

Beneficios de los Biodigestores Tubulares Unifamiliares

Se ha realizado una evaluacin exhaustiva utilizado diferentes mtodos, como las encuestas,

entrevistas personales y visitas constantes a los beneficios ubicados en campo, en esta

evaluacin se ha buscado determinar los beneficios en aspectos tcnicos, ambientales,

econmicos y sociales.

Color Tratamiento Descripcin

T1 Testigo

T2 Biol

T3 Estircol vacuno

T4

50% Biol y

50% Estircol vacuno

5

Tabla 2. Caractersticas del reactor de un Biodigestor Tubular Unifamiliar

Figura 2. Esquema general del Biodigestor Tubular

RESULTADOS Y DISCUSIONES

1. Resultados en la caracterizacin de un biodigestor tubular unifamiliar Caractersticas principales de un Biodigestor Tubular Unifamiliar

En el Per se est

adaptando la tecnologa a un diferente contexto

(zonas altoandinas en el

caso de Cajamarca) y con

investigaciones como

esta, se est demostrando

que la tecnologa tiene

muchas fortalezas y

tambin debilidades que

se deben corregir para el

funcionamiento eficiente

en este contexto. Se ha

determinado que la

produccin diaria de

biogs de este sistema

abastece a una familia

con 4 a 5 miembros en

promedio, por ser uno de

los modelos ms pequeos de este material (geomembrana) que existe en nuestro medio;

adems el clima (temperatura del ambiente) juega un rol muy importante en los biodigestores

trabajados en el presente proyecto ya que se est trabajando en zonas altoandinas (sobre los

3000 msnm) en donde las bacterias anaerbicas que son termoflicas no estn en las

condiciones ms favorables para su desarrollo.

Componentes principales de un biodigestor tubular unifamiliar

Respecto a los componentes y

partes del biodigestor se ha

trabajado en conjunto con

especialistas de la ONG

Soluciones Prcticas para elaborar

un diseo que cumpla con las

caractersticas que brinden

eficiencia y comodidad para los

beneficiarios del sistema, el

sistema completo se muestra en el

siguiente esquema:

2. Resultados en la Cantidad y calidad de biogs En promedio la produccin de biogs en el biodigestor con techo tipo cpula (D1) es

un 10% mayor que en el biodigestor con techo un agua (D2). Este porcentaje vara desde un

5% en poca de lluvia hasta un 15% en poca seca, como se muestra en la figura.

Caracterstica Descripcin

Material: Geomembrana tubular de PVC de 0.6

mm

Dimensiones: 8m de largo x 1.27m de dimetro

Capacidad (volumen

total): 10 m

3

Volumen de mezcla 7.5 m3 (Estircol + agua, proporcin 1:3)

Volumen de biogs 2.5 m3

Tiempo de retencin: 60 80 das

Temperatura necesaria: 20 C

pH: 6.5 7.5

Carga diaria: 20 Kg de excreta + 60 litros de agua.

Produccin de gas: 3 4 horas de cocina/da

Produccin de biol: 80 litros /da

6

Figura 3. Produccin semanal de biogs en D1 y D2

Tabla 3. Caractersticas del biogs producido

Tabla 4. Resultados de los anlisis biol (laboratorio NKAP)

Tabla 5. Resultados obtenidos en la produccin en Kg.

Figura 4. Rendimiento de

papa en Kg/ha

3. Resultados en la caracterizacin del biol

El resultado promedio de la composicin

del biol de los anlisis semanales hechos

en los laboratorios de INIA Baos del Inca y NKAP de Cajamarca, se muestra en

la tabla 4.

Anlisis del Biol reposado:

Se realizaron anlisis del biol almacenado

en las pozas para observar el

comportamiento del nitrgeno (por su

volatilidad), as como de los principales

macro nutrientes (P, K), el resultado fue:

Disminucin del 50 % de N en una semana y del 80 % de N en dos semanas

Este resultado es debido a la volatilizacin del amoniaco y por sedimentacin del N orgnico.

El K y principalmente el P sufren una reduccin similar debido, probablemente, a la sedimentacin de sus formas orgnicas y minerales.

4. Resultados en la produccin de papa canchn con aplicacin del biol Resultados de la produccin de papa en la cosecha

En la siguiente tabla se muestra la

produccin de papa en Kg; se ha

evaluado el peso por planta para

luego hacer una perspectiva de la

productividad por hectrea, en este

caso se ha evaluado que el

tratamiento biol (t2) es el de mayor

produccin con ms de 25

toneladas/hectrea por cosecha.

Cantidad y calidad de biogs D1

Techo cpula D2

Techo 1agua

Produccin promedio de biogs

(litros/da) 300 267

Dixido de carbono (%CO2) 34 36

Acido sulfhdrico (%H2S) 0,19 0,19

Metano (%CH4) 62 61

Parmetros Biol (D1) Biol (D2)

ST (%) 0.7 0.08 0.68 0.09

SV (%ST) 44.22 5.13 46.87 4.35

DQO mg/L 2.19E+3 2.07E+3

TOC (%ST) 0.17 0.22

TKN (%ST) 0.050 0.01 0.056 0.01

N-NH4 (%ST) 0.027 0.01 0.033 0.01

P-P2O5 (%ST) 0.028 0.01 0.039 0.02

K-K2O (%ST) 0.095 0.05 0.10 0.04

pH 7.14 0.11 7.16 0.21

CE (S cm-1

) 8 0.9 8.3 1.4

Tratamiento Produccin Promedio (kg) Aumento peso

respecto al

control (%) peso/planta peso/ha

T1 Testigo o control 0,793 19 820 0

T2 Biol 1,011 25 273 28

T3 Estircol vacuno 0,913 22 820 15

T4 biol + estircol 0,875 21 870 10

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Resultados del ANVA y prueba de DUNCAN

Anlisis de varianza (ANVA) y prueba de DUNCAN, de la investigacin con cuatro

tratamientos (t1=testigo; t2= Biol 100% puro; t3= Estircol Vacuno; t4=Biol 50% + Estircol

vacuno 50%) y 4 repeticiones, en el cultivo de papa con la finalidad de determinar cual

tratamiento produce mayor rendimiento.

Tabla 6. Procedimiento ANOVA

Fuente DF Anova SS Cuadrado de la

media F-Valor Pr>F

Tratamiento 3 0.09544774 0.03181591 7.14 0.0052**

El procedimiento ANOVA nos muestra un margen de error menor de 1%, por lo tanto el resultado es

altamente significativo y el ensayo est bien planteado.

Tabla 7. Prueba de Duncan

Duncan Agrupamiento Media N Tratamiento

A 1.01167 4 t2

A

B A 0.91333 4 t3

B

B C 0.87500 4 t4

C

C 0.79708 4 t1

La prueba de DUNCAN, nos muestra que el tratamiento t2 (biol puro) es el que ha expresado mayor

produccin en Kg/planta y en Kg/ha; por lo tanto la dosificacin y el momento de aplicacin del

fertilizante es el ms adecuado para el cultivo en estudio.

5. Beneficios de los biodigestores tubulares unifamiliares Estos resultados han sido obtenidos en campo de acuerdo a encuestas y entrevistas realizados

a las familias que cuentan con biodigestores desde el ao 2007.

Tcnicos

Satisfaccin de las necesidades en coccin de alimentos con biogs y fertilizacin de los

cultivos y pastos con el biol. El Biodigestor Tubular Unifamiliar beneficia con:

- 0.5 m3 de biogs que abastece 2 a 3 horas Aprox. de coccin de alimentos por da. - 80 litros diarios de biol, listo para la aplicacin en la fertilizacin agrcola.

Ambientales

Si comparamos a un beneficiario que no cuenta con este sistema, se evita en un 60 % las

emisiones de gases de efecto invernadero al atrapar el metano para utilizarlo como

combustible y al disminuir el uso de lea.

Econmicos

Ahorro de combustible para cocinar en 50 % por el uso del biogs.

Ahorro de los gastos para la compra de fertilizante en 30 % por el uso del biol

Aumento del rendimiento en los cultivos, por ejemplo se ha aumentado en 28 % en papa.

8

Sociales

Se disminuye el tiempo de recoleccin de lea en un 50% a diferencia de un beneficiario que

no cuenta con un biodigestor.

Mejor organizacin de la familia; para el cargado diario y mantenimiento del biodigestor.

Mejoramiento de la salud principalmente en mujeres y nios al disminuir el humo en las

cocinas y manteniendo un ambiente limpio de excretas alrededor de la casa.

CONCLUSIONES

1. Se ha demostrado que la tecnologa s es apropiada en nuestra regin, el sistema de biodigestores tubulares unifamiliares instalados han funcionado muy bien en campo, pero

es muy importante tener en cuenta que se debe trabajar mucho en la capacitacin con los

beneficiarios. El techo invernadero en forma de cpula ayuda a conservar mayor

temperatura en el biodigestor, se ha determinado en el presente estudio que las

temperaturas se diferencian en ms del 10 % entre el techo cpula y el techo a un agua.

2. El Biodigestor tubular de diez metros cbicos produce diariamente entre 300 a 600 litros de biogs (0.3 a 0.6 m

3), esta cantidad proporciona 2 a 3 horas de cocina, lo que abastece

para cocinar dos veces al da aproximadamente. El biogs producido por este sistema es

de buena calidad, la cantidad de Metano (CH4) es de 65.35 % y de Acido Sulfhdrico

(H2S) es menor a 0.2 %, los cuales estn dentro de los limites adecuados.

3. La cantidad del biol producido por un Biodigestor Tubular Unifamiliar es de 80 litros

diarios; en cuanto a la cantidad de nutrientes NPK es la siguiente: N-NH4 (%ST) = 0.027;

P-P2O5 (%ST) = 0.028; K-K2O (%ST) = 0.095. esta cantidad biol producida alcanza para

fertilizar cultivos o pastos en un rea de terreno de hasta de hectrea.

4. La papa fertilizada con biol aumenta en un 28% el rendimiento respecto al testigo y es superior a los dems tratamientos.

RECOMENDACIONES

1. Incentivar la investigacin cientfica en biodigestores para lograr optimizar la tecnologa. 2. Estudiar el efecto de la digestin mezclando distintos estircoles. 3. Investigar diferentes modelos para aumentar la temperatura en el biodigestor evaluando los

costos; de esta manera estudiar el uso productivo del biogs en la generacin de

electricidad.

4. Estudiar el post-tratamiento de biol para aumentar la concentracin de nutrientes. 5. Continuar investigando el efecto del biol en diferentes cultivos para obtener el mximo

potencial en produccin y productividad.

6. Se recomienda determinar el impacto ambiental que podra tener sta tecnologa. 7. Tomar en cuenta el aspecto social (familias) donde se realizar la instalacin de estos

sistemas de igual manera hacer una evaluacin de recurso previa.

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BLIOGRAFIA

Aparcana, S y Jansen A. 2008. Estudio sobre el valor fertilizante de los productos del

proceso de fermentacin anaerbica para la produccin de biogs. German ProEC. Lima Per. 10 p.

Botero, R. y Preston, T. 1987. Biodigestor de bajo costo para la produccin de combustible

y fertilizante a partir de excretas: manual para su instalacin, operacin y utilizacin.

Universidad EARTH. 1987. Disponible en Internet: http://usi.earth.ac.cr/glas/sp/biodigestor.pdf.

Filmtex. 2008. Bogot, Colombia. Manual para la generacin de biogs y bioabono a partir

del estircol en la industria Agropecuaria. Captulo 2. Descripcin de los Sistemas de

Aprovechamiento de la Porquinaza (SAP).

Guerrero, L y Alaba, M. 1983. Tcnicas de extensin para la difusin del biogs en la regin de Cajamarca, Tesis de la Universidad Nacional de Cajamarca, 1983.

Spagnoletta, A. 2008. Estudio de factibilidad de implementacin de biodigestores rurales en

la zona andina de Cajamarca-Per. Universidad Politcnica de CatalunyaSoluciones prcticas ITDG. Cajamarca, Per. 59p.

Ing Alonso Vela Ahumada

ASESOR

.

Bach. Robert Franklin Cotrina Lezama

TESISTA