El biodigestor o digestor anaerobio es parte fundamental del proceso de Metanización (seca o líquida), que sirve como herramienta para la producción y captación de biogás.

En su forma simple es un contenedor (llamado reactor) el cual está herméticamente cerrado e impermeable, dentro del cual se deposita materia orgánica como estiércol y desechos vegetales (siendo cuidadoso con la mezcla por acidificación del sustrato). La materia orgánica se fermenta con cierta cantidad de agua, produciendo gas metano y fertilizantes orgánicos ricos en fósforo, potasio y nitrógeno. Este sistema también puede incluir una cámara de carga, un dispositivo para captar y almacenar el biogás y cámaras de bombeo hidráulico y postratamiento (decantador, filtro y piedras, de algas, secado, entre otros) a la salida del reactor.

Funcionamiento de un biodigestor

El proceso de biodigestión se da porque existe un grupo de microorganismos bacterianos anaeróbicos en los excrementos que al actuar en la materia orgánica produce una mezcla de gases (con alto contenido de metano) al cual se le llama biogás. El biogás es un excelente combustible y el resultado de este proceso genera ciertos residuos con un alto grado de concentración de nutrientes el cual puede ser utilizado como fertilizante y puede utilizarse fresco, ya que por el tratamiento anaerobio los malos olores son eliminados.

Así, en la digestión participan multitud de cepas bacterianas cuya composición viene determinada por las condiciones existentes dentro del digestor (residuos que alimentan la planta, temperatura, valor del pH, etc.) La materia orgánica se descompone en varios pasos hasta que se obtiene el producto final, el biogás, que es una mezcla de dióxido de carbono (CO2) y de metano (CH4).

Cesped húmedo

A su vez, los biodigestores están construidos de manera tal, que los residuos se quedan allí bajo condiciones anaerobias por lo menos 40 días. Después en el caso del reactor para Metanización liquida, el efluente pasa por procesos de aireación, antes de ser utilizada para el riego de los cultivos, enriquecida con importantes nutrientes; para el caso de Metanización seca el digestato pasa a un proceso de compostaje (aerobio) o se aplica directamente al suelo.

Residuos a valorizar

A parte del biogás, en el proceso de separación de sólidos, se genera una mezcla de agua, de materia orgánica no degradada (sobre todo por sustancias que contienen lignina de madera) y de materia inorgánica (arena, trozos de tierra, sales u otros minerales), que puede utilizarse como abono sin los inconvenientes del estiércol fresco o la materia orgánica sin tratar.

También, se debe tener en cuenta que alrededor de un tercio de los residuos municipales y una parte importante de los residuos industriales contienen materia orgánica. Gran cantidad de estos residuos se pueden aprovechar en las plantas de digestión anaerobia, también llamadas plantas de biogás, para la generación de energía renovable.

Diseño y componentes de un digestor anaeróbico

Los biodigestores han de ser diseñados de acuerdo a su finalidad, a la calidad y tipo de sustrato y a la temperatura a la que van a trabajar. Un biodigestor puede ser diseñado para estabilizar todo el estiércol producido en una granja de cerdos, o bien como herramientas de saneamiento básico en un colegio o como un reactor industrial de producción de energía térmica y eléctrica.

Campo de paja

Los biodigestores se componen principalmente de:

  • Reactor (corresponde al dispositivo principal donde ocurre el proceso bioquímico de la degradación de la materia orgánica)
  • Entrada del afluente (por la parte superior del digestor o la parte inferior)
  • Salida del efluente
  • Extracción de lodos (las tuberías suelen estar colocadas sobre bloques a lo largo del suelo inclinado del digestor)
  • Sistema de gas (el contenido en metano variará del 65% al 70% en volumen, con un contenido de anhídrido carbónico del 30% al 35%. Uno o dos por ciento del gas del digestor se compone de otros gases)
  • Gasómetro (habitualmente la parte superior del digestor, llamada domo, cúpula, o campana de gas, se utiliza para almacenar el biogás que se genera) o se puede instalar el almacenamiento de biogás independiente.
  • Válvulas de seguridad (van colocadas sobre la misma tubería)
  • Apagallamas
  • Válvulas térmicas (si la llama genera demasiado calor, el elemento fusible se funde, el muelle acciona el vástago hasta que el plato asienta, para cortar el paso del gas)
  • Separadores de sedimentos (es un recipiente de 30 a 40 cm de diámetro y 60 a 90 cm de longitud, que está situado generalmente en la parte superior del digestor)
  • Cámaras de purga o trampas de agua condensada (el gas del digestor sal húmedo del reactor, y en su recorrido desde el tanque hasta zonas de temperatura más bajas el agua se condensa, por lo que debe recogerse dicha agua en los puntos bajos del sistema ya que de lo contrario impedirá que el gas circule, causando daño en algunos equipos como los compresores)
  • Medidores de gas
  • Manómetros
  • Reguladores de presión
  • Almacenamiento del gas
  • Quemador de los gases sobrantes
  • Muestreador (este permite la toma de muestras del lodo del digestor, sin pérdida de presión de gas, y sin crear condiciones peligrosas causadas por la mezcla de aire y gas digestor)
  • Sistema de calentamiento del digestor

Clasificación de los biodigestores anaeróbicos

Los digestores anaeróbicos pueden clasificarse como de baja velocidad de carga o de alta velocidad de carga.

Clasificación-de-reactores-anaeróbicos

Los reactores anaeróbicos de baja velocidad no se encuentran mezclados. Condiciones tales como la temperatura, el TRS (tiempo de retención de sólidos) y otras no están controladas. La tasa de carga orgánica es baja en el rango de 1-2 kg DQO/m3 x día. Ademas, esta configuración de biorreactor no es adecuada para la producción de bioenergía. Sin embargo, algunos tanques y lagunas anaeróbicas son cubiertos y se mezclan para favorecer la producción de biogás y su posterior recuperación.

Los sistemas anaeróbicos de alta velocidad mantienen un alto nivel de biomasa en el biorreactor. Las condiciones ambientales se mantienen de manera de optimizar el funcionamiento del biorreactor. Las tasas de carga orgánica varían de 5 a 30 kg DQO/m3 x día o incluso superiores. Los reactores anaeróbicos de alta velocidad son más apropiados para la producción de bioenergía.

Reactor anaeróbico de alta velocidad

Los digestores anaeróbicos de alta velocidad consisten esencialmente de un reactor continuo con agitación, que opera bajo condiciones mesofílicas o termofílicas.

El desarrollo de fermentadores para la metanogénesis presenta algunos problemas en comparación con la mayoría de los fermentadores para los otros procesos. Las consecuencias del fallo del proceso pueden ser grandes, particularmente si la operación de la planta productora debe cesar cuando el efluente no se trata continua y satisfactoriamente.

Proceso anaeróbico de contacto

El diseño del proceso anaeróbico de contacto (PAC) se compone de un reactor anaeróbico de tipo convencional con agitación, donde se pone en contacto el efluente o sustrato que alimenta el reactor con la biomasa anaeróbica que existe dentro del mismo. Esto permite que los compuestos orgánicos solubles y coloidales se degraden en primer término, con un tiempo de retención hidráulico - TRH de 12 a 48 horas. Los microorganismos son capaces de adherirse a las partículas formando sólidos sedimentables en el proceso. La eficiencia de este sistema está estrechamente ligada con la buena sedimentación que se logre en el decantador, para lo cual puede colocarse un desgasificador antes de la entrada del líquido en tratamiento al decantador. El desgasificador permite remover las burbujas de biogás (CO2 y CH4) adheridas a las partículas del lodo, permitiendo su mejor sedimentación. En caso contrario, el lodo tiende a flotar en la superficie. La fracción de sólidos sedimentables que llega con el efluente de alimentación junto con la biomasa activa se retira en un decantador, ubicado después del reactor anaeróbico (decantador secundario). El lodo obtenido se concentra y recircula nuevamente hacia el reactor. Esto posibilita que el TRS en el sistema sea del orden de 25 a 40 días, produciendo la hidrólisis de los sólidos y su posterior mecanización.

Esquema-de-un-proceso-de-contacto-anaeróbico

Filtro anaeróbico

Dependiendo de la forma de alimentación, un filtro anaeróbico puede clasificarse como filtro anaeróbico ascendente (FAA), filtro anaeróbico descendente (FAD), o filtro anaeróbico de alimentación múltiple (FAM). Generalmente no se recomienda la recirculación para una máxima recuperación de energía.

Filtro-anaeróbico-de-flujo-ascendente,-descendente-y-de-alimentación-múltiple

Filtro anaeróbico de flujo ascendente

Corresponde a un tipo de reactor anaeróbico tubular que opera en régimen continuo y en flujo ascendente, es decir, la alimentación entra por la parte inferior del reactor, atraviesa todo el perfil longitudinal a través de un lecho de piedras a plástico y sale por la parte superior. Originalmente, las piedras se utilizaban como medio de relleno en filtros anaeróbicos pero debido al bajo volumen de poros (40 – 50%), se producían severos problemas de obstrucción. En la actualidad, el medio que se usa con más frecuencia es el plástico sintético, fibra de vidrio o cerámicas con diferentes configuraciones. La retención de lodo activo, en forma de gránulos o flóculos, permite la realización de un buen tratamiento incluso a altas tasas de cargas orgánicas.

 

Asi, la turbulencia natural causada por el propio caudal del afluente y de la producción de biogás provoca el buen contacto entre agua residual y lodo en el sistema. En estos los sistemas pueden aplicarse mayores cargas orgánicas que en los procesos aeróbicos. Además, se requiere un menor volumen de reacción y de espacio, y al mismo tiempo, se produce una gran cantidad de biogás, y por tanto de energía. Por otra parte, la elevada concentración de biomasa de este sistema, lo hace más tolerante a la presencia de tóxicos.

Filtro anaeróbico descendente

Este sistema es similar al de flujo ascendente, excepto que la biomasa es verdaderamente adherida al medio. La biomasa no adherida es lavada del reactor. En este proceso el soporte bacteriano es acoplado al reactor formando canales verticales o tubos. La alimentación baña al relleno desde arriba hacia debajo de la columna del reactor, para su eliminación o bien para su recirculación.

 

A su vez, al operar el reactor con un flujo descendente, parte de la biomasa adherida se arrastra, debido a las fuerzas de fricción del líquido, lo que evita problemas de obstrucción de los canales, y permite además la utilización de la contracorriente entre la fase líquida y gaseosa.

Cesped en la montaña

Filtro anaeróbico de alimentación múltiple

En estos sistemas, la alimentación al reactor entra por diversos puntos a través del filtro. Las ventajas de este tipo de sistemas son:

 

  • Permiten una distribución homogénea de la biomasa a través del lecho, a diferencia de la estratificación de los grupos hidrolíticos, acidogénicos y metanogénicos en otro sistema.

 

  • Se mantiene un régimen de mezcla completa a través de todo el reactor, lo cual previene obstrucciones y la acumulación de ácidos grasos volátiles.

 

  • Concentración uniforme del sustrato en todo el reactor, lo cual previene el crecimiento desmedido de biomasa en el fondo del reactor, minimizando así la obstrucción del lecho del filtro.

 

  • Utilización efectiva de todo el lecho del filtro con un volumen de trabajo de 87%, comparado con el 65% de un punto de alimentación simple.

Lagunas carpadas

Son reactores construidos en el suelo, impermeabilizados y carpados. Cuentan con sistemas de bombeo hidráulico para mezcla de lodo biológico y sustrato. Son sistemas que pueden recibir cargas de 1,5 a 4 kgDQO/m3 de biodigestor. Están concebidos para sitios que cuenten con área suficiente.

Esquema-de-laguna-carpada

Finalmente, los biodigestores o digestores anaerobios son parte fundamental del proceso de producción de biogás, se crean según la necesidad específica, contexto y tipo de materia orgánica a contener. Existen hoy en día varios procesos y tutoriales para crear biodigestores caseros, aunque se aconseja mucho cuidado con los mismos, es posible implementarlos con materiales económicos para obtener el doble beneficio de conseguir solventar la problemática energética-ambiental, así como realizar un adecuado manejo de los residuos tanto humanos como animales.

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