AMI-190

2º Congreso Nacional AMICA 2015
PRODUCCIÓN DE BIOGÁS POR MEDIO DE LA CO-DIGESTIÓN
ANAEROBIA CON EXCRETAS DE GANADO VACUNO, LODO Y
CONTENIDO RUMINAL
Sánchez Pedrero Lorena Mercedes1; Laines Canepa José Ramón1 y Sosa Olivier José Aurelio1.
1
Universidad Juárez Autónoma de Tabasco (UJAT) División Académica de Ciencias Biológicas. 0.5 km Carretera
Villahermosa – Cárdenas. Entronque a Bosques de Saloya. C.P. 86150.
[email protected] [email protected]
Resumen
El presente trabajo muestra la potencialidad en la generación
de biogás a través de la co-digestión de excretas de ganado
vacuno con agua residual y rumen, maximizando el proceso de
degradación. Se realizaron determinaciones analíticas y
elementales del sustrato y co-sustratos dando como resultado
valores mayores del 70% humedad y valores de sólidos
volátiles totales entre el rango de 10 y 60% en base seca. Se
analizaron la DQO y OD así como el TR, con resultados de
34,666.67 mg/L, 44,133.33 mg/L, 17,400 mg/L en las
Excretas de Vaca, Lodo y Contenido Ruminal respectivamente
y una producción de metano de 78.63 %.
Palabras
claves: Biogás, Co-digestión
Contenido Ruminal, Excretas de vaca.
anaerobia,
Introducción
En México, en el año 2010 el sector pecuario aportó el 45% de
la producción agropecuaria total, enfatizando que el Estado de
Tabasco cuenta con alrededor de 15,623 cabezas de ganado
(SIAP, 2013 y Posadas, 2014). Por lo tanto, se estima que el
ganado bovino genera alrededor de 0.60 kg d -1 de excretas
(SAGAR, 1997) y que en base a lo reportado por SAGAR
(1997) y SIAP (2013), se puede valorar que en el estado de
Tabasco se generan alrededor de 9,373.8 kg d-1. Por tanto, las
actividades agropecuarias son grandes generadoras de residuos
orgánicos, los cuales en la actualidad presentan un ineficiente
manejo, aprovechamiento y disposición final, produciendo una
descomposición desencadenada. SEMARNAT (2012)
menciona que debido a la descontrolada descomposición, los
residuos orgánicos generan una mezcla de gases, como
Monóxido de Carbono (CO), Dióxido de Carbono (CO2),
Metano (CH4), así como Ácido Sulfhídrico (H2S), el cual es
conocido comúnmente como biogás, y que en diferentes
proporciones, además de ser fuente de vectores sanitarios y
atraer la fauna nociva, pone en riesgo la salud pública. El
ganado, principalmente rumiantes como vacas y ovejas, son
importantes fuentes de CH4, constituyen alrededor de un tercio
de las emisiones antropogénicas mundiales de este gas (EPA,
2006). Los principales procesos que contribuyen a las
emisiones directas de los GEI, diferentes al CO2, son
provenientes del ganado, como es la fermentación entérica y la
descomposición del estiércol, siendo la fuente principal de
CH4 y de N2O en cualquier sistema de producción animal
(Hristov et al., 2013).
En situaciones de esta índole, es factible el empleo de una
tecnología apta para el aprovechamiento de los residuos
orgánicos, tal es el caso de la Digestión Anaerobia, en donde
Mata et al. (2000) y Ferrer et al. (2011) hacen mención que es
una tecnología apropiada para aprovechamiento de la biomasa
como fuente de energía en áreas rurales para su desarrollo,
maximizando el manejo sustentable y recuperación de los
residuos orgánicos, transformados en biogás. Burton y Turner
(2003) y Angelidaki y Sanders (2004) e IDEA (2007)
establecen que la Digestión Anaerobia al ser una alternativa
viable para el tratamiento de residuos orgánicos, mediante
transformación bioquímica, puede aplicarse para todo tipo de
residuo orgánico, desde residuos de ganaría, agrícolas y
agroindustriales hasta residuos de aguas residuales, debido a
que es un proceso de conversión biológica, la cual es
efectuada en el tratamiento, y así, el carbono orgánico sea
oxidado convirtiéndose en CO2 y reducido a CH4. Esta
tecnología presenta varias vertientes, tal es el caso de la Co–
digestión Anaerobia, la cual trata del tratamiento conjunto de
los residuos orgánicos de diferente origen y composición,
permitiendo mayores eficiencias en el proceso, debido a que
aprovecha el grado de descomposición de la biomasa (García,
2009).
En un estudio llevado a cabo por Fantozzi y Buratti (2009),
sobre el uso combinado de los sustratos más comunes como
son excretas de gallina, de ganado porcino y vacuno, así como
la cascarilla de olivo, junto con la adición de un inoculo y así
obtener mejores valores en la generación del biogás, donde
obtuvieron en tu TR de 29 días, 44.5% CH4 en excretas de
cerdo y gallina, 45.5% CH4 de excretas de vaca y 61% CH4 de
cascara de olivo, caso similar a Comino et al. (2009), Pandey
et al. (2011) y Marañón et al. (2012) debido a que ellos
emplearon restos de comida, excretas de ganado lechero, junto
al uso de co-sustratos, para incrementar la producción de
biogás, con lodos de plantas de aguas residuales. El-Mashad y
Zhang (2010) expresaron que la co-digestión, a 35 °C, de
estiércol bovino con melaza (50% en peso seco) presentaba un
aumento en la producción de biogás 60 – 230 L kg-1 SVT; sin
embargo, de las 3 fracciones de las excretas analizadas (fina,
gruesa y no particulada) con un tiempo de retención hidráulico
(TRH) de 30 días, obtuvieron una producción de biogás de
alrededor de 436, 404 y 366 L Kg-1 SVT respectivamente,
equivalente a 69%, 57% y 66% de CH4. Cavinato et al.
(2010), mencionan que pueden existir valores inferiores en
comparación a los de una escala piloto, debido a que esta
escala piloto permite una mejor degradación de los sustratos,
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incrementando la producción total del biogás, en donde los
resultados obtenidos en la comparación de las escalas (real y
piloto) fueron que la producción de biogás en el reactor a
escala piloto resultó ser elevada significativamente que a la de
gran escala, 0.54 m3 kg-1 SVT en lugar de 0.45 m3 kg-1 SVT,
con un contenido de metano de 58.8 % y 52.3 %,
respectivamente, aún con la implementación de excretas de
ganado lechero, con restos de comida y cultivos energéticos.
El objetivo del presente trabajo es la producción de biogás por
medio de la Co-digestión Anaerobia con el uso de excretas de
ganado vacuno a escala piloto.
Metodología
Este trabajo consta de un análisis previo de las muestras del
estiércol de vaca (EV) así como los co-sustratos, Lodo de
Agua Residual (L) y Contenido Ruminal (CR). Dichas
muestras fueron recolectadas en una granja ganadera
perteneciente al municipio de Jalapa, al cárcamo de la Planta
de Tratamiento de Aguas Residuales del municipio de Centro
y al Rastro municipal de Cárdenas, para EV, L y CR,
respectivamente.
Escala piloto
El experimento se llevó a cabo en reactores de vidrio, con un
volumen de trabajo de 800 mL. Los reactores estarán
divididos en 3 tratamientos, 3 de ellos serán solo para EV y
los 6 reactores restantes contaran con la adición de cosustratos (L y CR) respectivamente.
Tabla 1. Diseño Experimental
Tratamiento
R1,2 y 3
R4, 5 y 6
R7, 8 y 9
Composición
EV
EV + CR
EV + L
Estudio experimental
importante del proceso se monitorearon a lo largo del período
de funcionamiento, los parámetros fisicoquímicos como son la
Demanda Química de Oxígeno (DQO), Oxígeno Disuelto
(OD) pH, Sólidos Totales (ST), Solidos Volátiles Totales
(SVT) y la Producción de Biogás (PB). (Tabla 2 y 3)
Resultados
Determinación analítica y producción de biogás
Tabla 2. Valores analíticos de la Excreta de Vaca, Lodo y
Contenido Ruminal
Parámetro
Exc. vaca
Lodo
Contenido Ruminal
% Humedad
82.74
72.81
83.66
% ST
17.25
27.19
16.34
% SVT
66.99
11.20
80.89
7.54
7.64
7.71
pH
DQO (mg/L)
34,666.67
44,133.33
17,400
Inicial
51.5
58.30
55.77
% OD
Final
9.93
13.67
7.53
La Tabla 2, muestra los resultados obtenidos en el análisis
realizado a las muestras (EV, L y CR) en donde se observa
que el porcentaje de humedad en el contenido ruminal es
elevado significativamente más que en la excreta de vaca y
lodo y que solo un 16.34%, 17.25% y 27.19%,
respectivamente, lo conforman los sólidos totales (ST). Dentro
de los cuales están conformados por los sólidos volátiles
(SVT), contando con un 66.99%, 11.20% y 80.89%,
respectivamente, indicando que tanto metano se generaría.
Otro dato a consideración, es el porcentaje de OD, el cual
inicialmente presenta valores altos en los 3 sustratos y que
conforme avanzaba el proceso de degradación, se va
consumiendo de manera evidente, llegando a valores por
debajo del 10%, lo que indica que efectivamente existe una
buena degradación de los sustratos.
Figura 1. Producción de Biogás No. 1 de cada tratamiento
100
80
60
40
20
0
% Mediciones
Como el principal objetivo de este trabajo es la producción de
biogás por medio de excreciones ganaderas, en base a la codigestión usando diferentes co-sustratos (lodo y contenido
ruminal) así como la adición de un inoculo para mejorar la
producción de biogás. Para este propósito, se eligieron 3
tratamientos, donde los reactores fueron alimentados con una
mezcla de estiércol de ganado vacuno (sólido), lodo y
contenido ruminal, el primer tratamiento contiene el 100% de
EV, mientras que el segundo y tercero solo contiene 80% EV,
y el 10% L y 10% CR y 10% de inóculo, respectivamente.
EV
CO2
9.77
CH4
90.23
H2S
0
EV + L
2.54
94.01
0
EV + CR
17.7
78.97
0
Gases
Determinación analítica y producción de biogás
El proceso se realizó con un tiempo de retención (TR) de 30
días, en el cual se alimentaron los reactores una sola vez, para
no alterar la actividad microbiana presentada en los reactores.
Alrededor de los días iniciales comenzaron los procesos de
degradación y dentro de los primeros 20 días se obtuvieron los
primeros registros de producción de biogás. Como parte
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Figura 2. Producción de Biogás No. 2 de cada tratamiento
% Mediciones
80
60
40
20
0
EV
CO2
17.9
CH4
63.64
H2S
18.46
EV + L
17.41
66.33
16.25
0
0
0
EV + CR
Gases
Comino, E., Rosso, M. y Riggio, V. (2009). Development of a
pilot scale anaerobic digester for biogas production from cow
manure and whey mix. Bioresource Technology. Vol. 100. pp.
5072–5078.
El-Mashad H.M. y Zhang R. 2010. Biogas production from
co-digestion of dairy manure and food waste. Bioresource
Technology 101. 4021–4028.
Fantozzi F. y Buratti C. 2009. Biogas Production from
Different Substrates in an Experimental Continuously Stirred
Tank Reactor Anaerobic Digester. Bioresource Technology
100. 5783 – 5789.
*EV+CR no hubo generación de biogás
La Figura 1 y 2, muestran las producciones de biogás
conforme a su composición y se puede observar que al inicio
de la producción (Figura 1) no está presente el H2S debido a
que la generación del biogás apenas se encontraba en proceso,
y que acorde a la segunda medición (figura 2) este compuesto
se encontraba a la par con CO2, indicando que la producción
de biogás aún es continua pero no con el mismo apogeo.
Discusión
En el estudio elaborado por Cavinato et al. (2010), respecto a
la producción de metano a escala piloto obtuvo alrededor del
58.8% que en contraste con el presente trabajo, se encuentra
por debajo de los valores obtenidos, caso similar al estudio
realizado por Fantozzi y Buratti (2009), en donde ellos
emplearon excretas de cerdo, gallina y vaca, para la
generación de metano y obtuvieron valores de 44.5% y 45.5%,
respectivamente, mientras que los resultados que El – Mashad
y Zhang (2010) muestran que sus valores obtenidos se
encuentran a la par, ya que ellos reportaron valores de 69%,
57% y 66% de CH4, indicando que el proceso se encuentra en
óptimas condiciones para la continuación en la producción de
biogás.
Conclusión
Este estudio determinó que el proceso de la co-digestión
anaerobia a escala piloto presenta valores favorables para la
producción de biogás, lo que demuestra que esta tecnología
aprovecha al máximo el empleo del sustrato así como de los
co-sustratos y la adición del inóculo y que por ende la excreta
de ganado vacuno demuestra una alta producción de biogás
como cualquier otro residuo orgánico utilizado para la
generación de este recurso natural.
Referencias
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Campos J. L., Guwy A. J., Kalyuzhnyi S., Jenicek P. y Van
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Ferrer I., Garfı´ M. Uggetti E., Ferrer-Martı´L., Calderon A. y
Velo E. 2011. Biogas production in low-cost household
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García, K. 2009. Co-digestión Anaeróbica de Estiércol y
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Hristov, A.N.; Oh, J.; Lee, C., Meinen, R., Montes, F., Ott, T.,
Firkins, J., Rotz, A., Dell, C., Adesogan, A., Yang,
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Oosting, S. 2013. Mitigación de las emisiones de gases de
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Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía. 2007.
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Marañón E., Castrillón L., Quiroga G., Fernández-Nava Y.,
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Mata Álvarez J., Macé S. y Llabrés P. 2000. Anaerobic
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SEMARNAT. Informe de la Situación del Medio Ambiente en
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Clave y de Desempeño Ambiental. Edición 2012. México.
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US-EPA, 2006. Global Anthropogenic Non-CO2 Greenhouse
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Protection Agency, EPA 430-R-06-003, June 2006.
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SIAP. Servicio de Información Agroalimentaria y
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Burton, C H. y Turner, C. 2003. Manure management:
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