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• Miguel Vallejos Callirgos

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DIMENSIONAMIENTO, DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE BIODIGESTORES Y PLANTAS DE BIOGÁS

MANUAL PRÁCTICO DE DISEÑO

PROLOGO Hace más de 100 años, la biomasa de origen animal o vegetal era la fuente de energía más importante para la humanidad y en ella se basaba la producción industrial. Con el uso masivo de combustibles fósiles el aprovechamiento energético de la biomasa fue disminuyendo progresivamente y en la actualidad presenta en el mundo un reparto muy desigual como fuente de energía. Mientras que en los países desarrollados ubicados en América del Norte y en Europa, la energía renovable y el aprovechamiento de los desechos agropecuarios esta en boga, en muchos países en vías de desarrollo esta fuente de energía provoca, en muchos casos, problemas medioambientales como la contaminación y deforestación. Una de las maneras de contrarrestar el calentamiento global y trasformar este residuo contaminante en un recurso valioso, es su aprovechamiento controlado en biodigestores para la producción y captación de biogás, su aprovechamiento energético y la producción de fertilizante orgánico. El aprovechamiento de la biomasa es de importancia para sustituir las tradicionales fuentes energéticas no renovables, escasas y costosas, convirtiendo la explotación agropecuaria en una actividad económica más rentable y menos contaminante. En este libro se tratan todos los fundamentos técnicos de la digestión anaeróbica, el aprovechamiento de desechos agroindustriales, también considerando los desechos que se producen en Latino América, como las vinazas, efluentes de extractoras de aceite de palma africana, gallinaza, estiércol de cerdo y ganado, forrajes, etc. Se exponen ampliamente las bases del dimensionamiento de biodigestores y plantas de biogás y se presentan los criterios de diseño, esquemas, diagramas y ejemplos reales para el diseño de biodigestores y sus estructuras auxiliares como tanques de mezcla y entrada, sistemas de bombeo, tuberías de captación de biogás, sistemas de purificación de H2S, válvulas de seguridad, sistemas de generación de energía eléctrica y calor, análisis financiero, rentabilidad, etc. Este libro se basa en mas de 20 años de experiencia en el dimensionamiento y diseño de plantas de biogás para la producción de energía eléctrica y calorífica y fertilizante orgánico. Se ha escrito mayormente para el diseño de digestores semi industriales e industriales, pero debido a la amplitud y detalles de los conceptos técnicos expuestos, se lo puede utilizar también para el dimensionamiento de digestores domésticos. El libro trata también la construcción de biodigestores utilizando materiales de construcción muy utilizados en Latino América, como geomembrana, hormigón, ladrillo, etc.

CONTENIDO Capitulo 1

APROVECHAMIENTO DE LA BIOMASA

Capitulo 2

LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA

Capitulo 3

BIOMASA Y PRODUCCION DE BIOGÁS

Capitulo 4

CLASIFICACIÓN DE LOS BIODIGESTORES

Capitulo 5

ACONDICIONAMIENTO Y APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS

Capitulo 6

DIMENSIONAMIENTO DE BIODIGESTORES

Capitulo 7

DISEÑO DE BIODIGESTORES Y ESTRUCTURAS AUXILIARES

Capitulo 8

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE BIODIGESTORES

Capitulo 9

APROVECHAMIENTO DE BIOABONO

Capitulo 10

ANALISIS FINANCIERO Y RENTABILIDAD

Capitulo 11 Capitulo 12

BIO

DIGESTORES Y EL PROTOCOLO DE KYOTO APLICACIÓN DEL SOFTWARE BIODIGESTOR

EDICIÓN: Aqualimpia Beratende Ingenieure AUTOR: Dipl. Ing. Sanitario Ambiental – Ing. Civil Gabriel Moncayo Romero DISEÑO GRÁFICO: Ing. Gunther Zimmerman ILUSTRACIONES: GeoCad - Diseño gráfico ISBN: 978-9942-01-719-2 INDICE

Version 1: 06/2008

Dimensionamiento y diseño de biodigestores y plantas de biogás – Dipl. Ing. Gabriel Moncayo Romero

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INDICE CAPITULO 1: APROVECHAMIENTO DE LA BIOMASA 1.1 1.2 1.3

Historia de la aplicación del biogás................................................. 39 Los biodigestores en el siglo 21 ...................................................... 42 Beneficios que aportan los biodigestores ...................................... 45

CAPITULO 2: LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA

2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6 2.2.7 2.2.8 2.2.9 2.2.10 2.2.11 2.2.12 2.2.13 2.2.14 2.2.15 2.2.16

Caracteristicas del proceso.............................................................. 53 Principales factores que influencian la producción del ............... 61 biogás................................................................................................ 61 Ausencia de oxigeno ....................................................................... 62 Tipo y calidad de biomasa .............................................................. 63 Almacenamiento ............................................................................... 67 Preparación de la biomasa .............................................................. 67 Clasificación, eliminación de materia extraña ............................... 68 Higienización..................................................................................... 68 Troceado, trillado de la biomasa ..................................................... 69 Mezcla y homogenización ............................................................... 70 Alimentación del digestor ................................................................ 71 Masa seca (MS) ................................................................................ 71 Masa volátil (MV).............................................................................. 73 Carga orgánica volumétrica (COV) ................................................ 74 Temperatura del proceso ................................................................ 76 Tiempos de retención hidráulica (TRH) ......................................... 83 Acidez ............................................................................................... 88 Alcalinidad........................................................................................ 90

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2.2.17 2.2.18 2.2.19 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 2.3.7

Porcentaje de de degradación........................................................ 91 Nutrientes ......................................................................................... 93 Agitación - mezclado ....................................................................... 93 Factores que inhiben la producción de biogás ............................. 95 Nitrógeno amoniacal........................................................................ 98 Ácidos grasos volátiles.................................................................. 101 Ácidos grasos de cadena larga ..................................................... 102 Compuestos azufrados en los sistemas anaerobios .................. 102 Cationes y metales pesados.......................................................... 104 Desinfectantes y antibióticos ........................................................ 107 Sulfatos............................................................................................ 110

CAPITULO 3: BIOMASA Y PRODUCCIÓN DE BIOGÁS

3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3

Desechos agropecuarios................................................................ 130 Estiércol de cerdo ........................................................................... 141 Estiércol de ganado ........................................................................ 154 Gallinaza o pollinaza ....................................................................... 160 Desechos agroindustriales............................................................. 170 Desechos de agroindustria de proceso de hortalizas ................. 173 Desechos de procesadoras de lácteos ......................................... 175 Desechos de industria aceitera y grasas, proceso de ................. 181 semillas............................................................................................ 181 3.2.4 Desechos de beneficios de café .................................................... 182 3.2.5 Desechos de industria pesquera ................................................... 182 3.2.6 Aprovechamiento de efluentes y desechos producidos en ........ 183 procesadoras de carnes y mataderos ........................................... 183 3.2.7 Aprovechamiento de vinazas en biodigestores............................ 192 3.2.8 Aprovechamiento de efluentes producidos en extractoras......... 202 de aceite de palma africana ............................................................ 202 3.2.9 Aprovechamiento de desechos de ingenios azucareros ............ 204 3.2.10 Desechos de procesadoras de pollos ........................................... 206

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3.2.11 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.4 3.4.1 3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.5.4 3.5.5 3.5.6 3.6 3.6.1

Desechos de procesadoras de frutas........................................... 206 Cultivos energéticos ....................................................................... 209 Maíz y forrajes.................................................................................. 213 Topinambur...................................................................................... 216 Pasto sudan ..................................................................................... 218 Planta piloto para cultivos energéticos......................................... 220 Importancia de la co-digestión....................................................... 223 Producción de biogás y co-digestión............................................ 232 Características que definen a la biomasa .................................... 235 Contenido de masa seca (MS)........................................................ 235 Contenido de masa volátil (MV) ..................................................... 236 Demanda química de oxigeno DQO............................................... 237 Demanda bioquímica de oxigeno DBO5 ........................................ 237 Relación carbono – nitrógeno (C:N) .............................................. 238 Biodegradabilidad de desechos orgánicos .................................. 241 Producción de biogás ..................................................................... 242 Cálculo de la producción de biogás en base a la......................... 250 concentración de DQO .................................................................... 250 3.6.2 Ejemplo de cálculo de la producción de biogás para el .............. 254 aprovechamiento de aguas residuales en un biodigestor .......... 254 3.7 Calidad del biogás........................................................................... 264 3.8 Producción de lodos ....................................................................... 264

CAPITULO 4: CLASICICACIÓN DE LOS BIODIGESTORES

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

Digestores carga en batch.............................................................. 268 Digestores de regimen semicontinuo ........................................... 269 De regimen continuo....................................................................... 269 Completamente mezclados ............................................................ 271 Digestores de dos etapas ............................................................... 272 Digestión seca ................................................................................. 274

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CAPITULO 5: ACONDICIONAMIENTO Y APROVECHAMIENTO DE BIOGÁS

5.1 5.2 5.3 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4 5.5.5 5.5.6 5.6 5.7 5.7.1 5.7.2 5.7.3 5.8 5.9

Características del biogás .............................................................. 276 Propiedades de los gases .............................................................. 281 Acondicionamiento del biogás ...................................................... 285 Purificación de biogás .................................................................... 286 Agresividad del H2S......................................................................... 288 Reducción de CO2 ........................................................................... 291 Problemas que causa el alto contenido de H2S............................ 292 Sistemas de purificación H2S ......................................................... 296 Selección del proceso más adecuado........................................... 297 Purificación biológica del biogás – remoción de H2S................ 299 Filtros biológicos............................................................................. 308 Filtros biolavadores ........................................................................ 318 Filtros de carbón activado.............................................................. 321 Filtro de limallas o esponjas de hierro .......................................... 329 Reducción de humedad .................................................................. 338 Aprovechamiento energético del biogás ...................................... 342 Generación de energía eléctrica .................................................... 349 Producción de energía eléctrica en generadores......................... 352 Aprovechamiento de biogás en calderas...................................... 353 Recuperación de calor de los generadores................................. 356 Aprovechamiento de biogás en transporte publico..................... 358

CAPITULO 6: DIMENSIONAMIENTO DE BIODIGESTORES

6.1 6.2 6.3

Tipo y disponibilidad de biomasa .................................................. 363 Características físico-químicas...................................................... 366 Temperatura de la biomasa y del medio ambiente ...................... 367

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6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.8.1 6.8.2 6.8.3 6.8.4 6.8.5 6.8.6 6.8.7 6.8.8 6.8.9 6.8.10 6.9 6.10 6.11

Selección del tiempo de retención hidráulica (TRH).................... 369 Ubicación geográfica - Latitud, longitud y altitud ........................ 375 Energía requerida ............................................................................ 376 Carga orgánica volumétrica (COV) ............................................... 377 Dimensionamiento planta de biogás ............................................. 380 Tanques de alimentación................................................................ 380 Sistema de alimentación................................................................. 382 Dimensionamiento del digestor ..................................................... 382 Tanques de descarga...................................................................... 385 Lecho de secado de lodos.............................................................. 386 Tuberías de captación de biogás .................................................. 387 Sistemas de purificación de biogás ............................................. 388 Tanques de almacenamiento de biogás........................................ 388 Generación de energía eléctrica y/o calorífica ............................. 393 Dimensionamiento de antorchas ................................................... 398 Preparación de estudios de factibilidad y diseños ...................... 399 Selección de materiales de construcción ..................................... 400 Ejemplos de plantas de biogas ...................................................... 402

CAPITULO 7: DISEÑO DE BIODIGESTORES Y ESTRUCTURAS AUXILIARES

7.1 7.1.1 7.1.2 7.1.2 7.1.3 7.1.4 7.1.5 7.2 7.3 7.4

Biodigestores................................................................................... 422 Ubicación de los digestores........................................................... 428 Digestores de hormigón ................................................................. 432 Digestores de hormigón ................................................................. 433 Recomendaciones para las construcciones de hormigón .......... 439 Digestores de geomebrana HDPE ................................................. 442 Digestores de acero ........................................................................ 469 Cubiertas de EPDM ......................................................................... 470 Aislamiento de los digestores........................................................ 480 Calefacción de los digestores ........................................................ 484

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7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 7.10 7.10.1 7.10.2 7.10.3 7.10.4 7.11 7.12 7.13 7.14 7.15 7.15 7.16 7.17 7.18 7.19

Descarte de lodos y bioabono ....................................................... 489 Tanques de alimentación................................................................ 494 Equipamiento para la alimentación de biomasa .......................... 498 Sistemas de bombeo....................................................................... 506 Tuberías de captación y conducción de biogás........................... 508 Agitadores........................................................................................ 513 Agitadores verticales ...................................................................... 516 Agitadores verticales con motor sumergido ............................... 519 Agitadores horizontales.................................................................. 522 Agitadores inclinados ..................................................................... 526 Tanque de descarga........................................................................ 527 Lecho de secado de lodos.............................................................. 529 Tuberías de conducción ................................................................. 539 Sistema de control del proceso ..................................................... 543 Antorchas para quema del biogás................................................. 553 Antorchas para quema del biogás................................................. 553 Sistema corta llamas....................................................................... 556 Almacenamiento de biogás ............................................................ 559 Tramo de calibración de biogás..................................................... 565 Eliminación de condensados y válvulas de control de ............... 568 sobre presión................................................................................... 568 7.20 Sopladores ....................................................................................... 571 7.21 Sistemas de generación de energía eléctrica ............................... 573 7.21.1 Aprovechamiento en motores y generadores .............................. 574 7.21.2 Eficiencia de motores y unidades de cogeneración .................... 577 7.21.3 Aprovechamiento en motores diesel ............................................ 580 7.21.4 Adecuación de motores de gasolina para que ............................. 581 funcionen con biogás .................................................................... 581 7.21.5 Aprovechamiento en microturbinas .............................................. 582 7.21.6 Sistemas de cogeneración ............................................................. 582 7.21.7 Casa de máquinas ........................................................................... 584 7.21.8 Circuito de salida de los gases de escape.................................... 589 7.21.9 Sistemas de seguridad para los generadores .............................. 590 7.22 alimentación a la red pública de energía eléctrica ....................... 591

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7.22.1 7.22.2 7.23 7.24

Tarifas de conexión y costos de generación................................ 591 La interconexión a la red publica.................................................. 595 Sistemas de seguridad ................................................................... 596 Zonas de seguridad......................................................................... 602

CAPITULO 8: OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE BIODIGESTORES

8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6

Puesta en marcha............................................................................ 610 Operación......................................................................................... 614 Mantenimiento ................................................................................. 617 Higiene y salud en la operación de digestores............................. 622 Reglas de seguridad ....................................................................... 623 Remediación de problemas ............................................................ 626

CAPITULO 9: APROVECHAMIENTO DE BIOABONO

CAPITULO 10: ANALISIS FINANCIERO Y RENTABILIDAD

10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 10.10

Costos de inversión para la planta de biogás .............................. 646 Depreciacion de las instalaciones ................................................. 649 Costos de Operación y Mantenimiento (CO&M)........................... 650 Ingresos por la generacion de energia electrica .......................... 653 Ingresos por MDL ............................................................................ 654 Ingresos por venta de bioabono .................................................... 656 Costos de producción de energia electrica .................................. 657 Costos Capitales (aKK)................................................................... 657 Gastos de Producción (aB) ............................................................ 658 Costos Mano de Obra ..................................................................... 659

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10.11 Costos Biomasa (aKB).................................................................... 660 10.12 Analisis costo beneficio ................................................................. 660 10.13 Costos de construcción ................................................................. 661

CAPITULO 11: LOS BIODIGESTORES Y EL PROTOCOLO DE KYOTO

11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8

Proyectos MDL ................................................................................ 666 ¿Cómo funciona el MDL? ............................................................... 669 Porque califican los biodigestores como proyectos MDL? ........ 669 Mercado de emisiones .................................................................... 670 Negociación de los CERs ............................................................... 672 El trámite de los proyectos MDL .................................................... 672 Cómo es el ciclo de un proyecto en el marco de las Medidas para el (MDL)..................................................................................... 675 Los costos de transacción de un proyecto MDL.......................... 676

CAPITULO 12: UTILIZACIÓN DE SOFTWARE: PROGRAMA BIODIGESTOR

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LISTADOS DE TABLAS, FOTOS Y FIGURAS

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Listado de tablas Nº Descripción 1 Ventajas de la digestión anaeróbica Valores mínimos de parámetros físicos y químicos necesarios para la digestión anaeróbica 2 3 Análisis masa seca proyecto en Chile 4 Contenido de agua diferentes sustratos Temperatura óptima máxima, parámetros cinéticos de crecimiento de diferentes 5 cultivos metano genéticos acetoclásticos (Van Lier 1993) 6 Degradación de la biomasa en relación de temperatura de procesos de TRH Rangos de concentración de nutrientes, necesarios para el correcto crecimiento 7 de bacterias anaerobias. Concentración mínima de elementos, necesaria para la metanogénesis y 8 factores ambientales. 9 Concentración inhibidora de amonios como N (mgl) 10 Efecto de la concentración de algunos cationes (14) 11 Concentración límite de cationes en sistemas anaerobios 12 Concentración de inhibición y toxicidad de metales pesados 13 Concentración inhibidora de metales pesados en procesos anaeróbicos 14 Toxicidad de antibióticos en la producción de biogás 15 Producción de biogás estiércoles, cerdo ganado y gallinaza 16 Resultados de análisis FQ en estiércol de animales 17 Características físico químicas promedio de estiércol de animales 18 Contenido de metales pesados 19 Producción de biogás y nutrientes – valores referenciales 20 Producción de biogás – excrementos de animales 21 Producción anual de estiércol (Kg./PVA.a) y % de MS-MV y N 22 Producción anual (Kg./.PVA/a) y porcentajes 23 Estiércol y heces por animal y por día y producción de biogás 24 Características físico químicas de excrementos animales Producción de estiércol – biogás para diferentes tipo de animal - base peso de 25 animal

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Página 59 62 72 73 78 92 93 98 100 101 105 106 106 108 131 132 132 133 133 134 135 136 136 137 137

13

26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49

50 51 52

Producción de nitrógeno y estiércol de varios tipos de animales por plaza de animal Producción de heces y orinas de cerdos Composición típica de los purines porcinos frescos y digeridos anaeróbicamente Cerdos – producción de excretas según el estado del animal Ejemplo de producción húmeda total (heces y orina)/día para varios tipos de cerdos Composición de totales Rendimientos de purines de cerdo aprovechados en biodigestores, temperatura en el digestor 35ºC TRH 20 días Contenidos de nutrientes estiércol de cerdo Porcentajes de MS, MV y producción de biogás de purín de cerdo Análisis físico químico de afluentes a las lagunas de oxidación y cargas contaminantes Producción de biogás y energía eléctrica Producción de estiércol y nutrientes ganado vacuno Producción de biogás – excrementos de animales Porcentajes de MS, MV y producción de biogás, vacuno Composición promedio de la gallinaza Relación C/N gallinaza y % de degradación Gallinaza - Contenido de metales pesados Porcentajes de MS, MV y producción de biogás, gallinaza Producción de biogás – pollos y gallinas Consumo balanceado (año 2005 – 2006) Análisis físico químico gallinaza Contenido de MS, MV, nutrientes y biogás de varios sustratos Carga de los residuos líquidos de diversos procesos de la industria de hortalizas Pérdidas de producto generadas en industriales lácteas modernas Pérdidas de productos generados en industrias lácteas bajo condiciones estándares, expresadas como porcentaje del volumen de leche grasa o suero procesado Resultados de un análisis físico qu179ímico a desechos lecheros Rendimiento digestor a flujo de 3/d

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139 140 143 143 145 145 146 147 148 150 151 157 159 159 162 163 164 164 165 167 168 171 174 177

178 179 180

14

53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81

Contenido de contaminantes aguas de industria aceitera Caracterización de los RILES de la industria pesquera Concentraciones de contaminantes en residuos líquidos de fábricas de cecinas Concentración de contaminantes en las aguas residuales en procesadora Análisis físico químico de desechos en matadero A Resultados de análisis físico químico de desechos en matadero B Resultados medidos en análisis físico químicos de mataderos y fábricas de cenizas Parámetros característicos de aguas de mataderos Características físico químicas de los desechos Producción de biogás Características del rúmen y producción de biogás Generación mensual de residuos el matadero Características físico - químicas de los lotes de vinazas obtenidos a partir de azúcar mascabado y melazas Análisis físico químico de afluentes y efluentes de un biodigestor Caracterización de efluentes de la producción de alcohol Características de aguas residuales de producción de azúcar y alcohol Características físico químicas diferentes sustratos industria azucarera Calidad de agua residual en la producción de levadura Demanda de agua y DBO procesadoras de pollos Carga de los residuos líquidos de diversos procesos de la industria de frutas Desechos de mercados, frutas Producción de biogás de cultivos energéticos Contenido de proteínas y nitrógeno de cultivos energéticos Producción de biogás de varios cultivos energéticos Contenido de MS, MV producción de biogás Contenido de metales forrajes Maíz, contenido de masa seca y volátil dependiendo de la época de cosecha Producción de biogás Relación C/N varios tipos de desechos agroindustriales

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181 183 184 184 184 185 186 187 188 189 191 192 192 199 200 204 205 205 206 207 208 209 210 211 214 215 216 235 240

15

82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111

Relación C/N varios tipos de estiércol Producción de biogás de varios tipos de biomasas Componentes del biogás y producción de diferentes tipos de biomasa Producción de biogás diferentes tipos de biomasa Producción de biogás y metano de varios sustratos a un TRH de 20 días y una temperatura de 30ºC Producción de biogás y gas metano de diferentes co-sustratos Estimación de la producción de metano aprovechando aguas residuales Coeficiente de distribución de varios componentes de biogás Estimación de la composición del biogás Composición del biogás Equivalencias energéticas 1m3 de biogás Características del biogás y comparación con otros gases Contenido de CH4 y CO2 Características de los componentes del biogás Requerimientos mínimos del biogás para su aprovechamiento energético Componentes contaminantes del biogás Otras versiones Concentraciones de H2S y daños a la salud Características de los carbones activados Parámetros de diseño de un absorbedor de carbón activado Parámetros necesarios para análisis físico químico Contaminantes contenidos en el biogás Ejemplo de requerimientos de energía eléctrica digestores Características calderas de biogás Parámetros para conversión Equivalencias energéticas TRH en relación de temperatura del digestor Producción de biogás para diferentes tipos de biomasa en relación a TRH Degradación de biomasa en relación de temperatura de proceso TRH Cálculo de la cov para una mezcla de sustrato para digestor v=2000m3

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241 243 244 246 247 248 254 256 263 277 277 278 279 280 286 288 293 295 324 328 344 348 353 354 354 355 371 373 374 378

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112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138

Ejemplo de dimensionamiento de volumen requerido para almacenamiento de biogás Ejemplo de cálculo producción de energía eléctrica biodigestor Ejemplo de dimensionamiento como se efectúa en Alemania en base a VAE Criterios de selección – tipo de biodigestor Especificaciones mínimas geomembrana de HDPE Especificaciones técnicas membrana EPDM de cubierta biodigestores Especificaciones de aislantes térmicos Tanques de mezcla y homogenización - alimentación Especificaciones técnicas del sistema de antorchas Especificaciones para la construcción de tanques de almacenamiento de biogás de EPDM Especificaciones para tanques de almacenamiento de biogás Características de motores Precio pagado por energías renovables Zonas de seguridad Letreros de seguridad Remediación de problema Mal funcionamiento y remediación Fertilizante orgánico – contenidos de nutrientes Producción de N, P, K en varios tipos de excrementos animales Efecto del uso de efluentes de biodigestores sobre el rendimiento en las cosechas de varios cultivos Contenido de fertilizantes de bioabono Porcentajes de depreciación de instalaciones Porcentajes por mantenimiento y reparaciones Costos de obras civiles y equipo electromecánico Gases con efecto invernadero Fases del proyecto Costos de transacción proyectos MDL

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389 395 397 400 453 475 483 494 555 563 564 574 594 603 606 627 629 635 635 639 642 649 651 662 665 672 676

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Descripción Aprovechamiento de desechos de restaurantes en Hamburgo - Alemania Calentamiento Global Planta de biogás "Nawaro BioEnergie AG" Planta de biogás en Nicaragua Tewe (Alemania) Tanques de higienización de desechos de restaurantes Trilladoras Strautmann (Alemania) Restos de verduras para ser aprovechados en un biodigestor en Chile Aprovechamiento de verduras en digestor en Alemania Forraje de pasto aprovechado en digestores en Alemania Estiércol de ganado en república Dominicana Gallinaza se vierte al medio ambiente - Ecuador Desechos domiciliarios urbanos y producción de Biogás en Ambato/Ecuador Contaminación Separador de sólidos en granja porcina Separador de sólidos industriales Feedlot y establos. Criadero de pollos en piso y en jaulas Pollos de engorde en piso Desechos orgánicos en fábrica de conservas en el Perú Desechos de industria lechera Biodigestor en Dinamarca para producción de biogás Producción de desechos Composición y recolección artesanal del rúmen Producción de vinazas en ingenio azucarero Cartavio – Perú Descarga de vinazas en laguna de oxidación Maíz forrajero Topinambur pasto sudan Planta Piloto Chile Planta Piloto construcción de agitador - Ecuador

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Entre piso de maderas para depósito de azufre elemental Compresores para suministro de oxigeno vigas para depósito de azufre elemental Filtros biológicos remoción H25 Filtros biolavadores Filtros de carbón activado Filtros de carbón activado, Q biogás = 2x500m3/h Filtros de limallas de hierro Fotos biofiltros Reductores de humedad y condensados Generadores Guascor para Biogás Gasolinera de biogás en Alemania Confinamiento de cerdos sobre piso Sicos para almacenamiento de forrajes de maíz Vinazas producidas en el ingenio azucarero Cartavio - Perú Lecho de secado de lodos Tanques de almacenamiento biogás Planta de biogás Senftenberg - Alemania Planta de biogás Juneda Planta de biogás Kogel - Alemania Interior de un digestor Planta de biogás Grundorf - Alemania Recolección de diferentes tipos de biomasa Planta de biogás en zona rural Construcción de drenajes para biodigestor Planta de biogás Seftenberg/Alemania Ojo de buey o ventanilla de inspección Planta de biogás Lagunas de oxidación vinazas. Ingenio azucarero Cartavio - Perú Planta de biogás diseñada y construida por ENTEC GMBH Canal de recolección de estiércol de ganado y de cerdo

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Construcción de taludes digestor Latacunga/Ecuador Digestores de hormigón armado construidos en Alemania Construcción de digestores en Alemania Construcción de cimentación de digestores de hormigón Construcción de digestores de hormigón Tanques de hormigón armado en Alemania Planta de biogás en Finlandia – Estructuras de hormigón armado Digestor de geomembrana EPDM Lagunas para almacenamiento de agua construidas en el Ecuador Colocación de geomembrana y tuberías de alimentación Tuberías de alimentación captación de biogás Colocación de la geomembrana Sellado de geomembrana. Emin Perú Colocación de la geomembrana Colocación de la cubierta Colocación de la geomembrana y cubierta en digestores de gran tamaño Cubierta no inflada por presión de biogás-succión de lodos Canal sello hidráulico para amarre de la membrana de cubierta Tuberías de captación de biogás Captación de biogás Colocación de geomembrana Digestor de geomembrana construido en Brasil, cubierta EPDM Digestores de acero inoxidable. Luetke - Alemania Digestores con cubierta de EPDM Base de madera para depósito de azufre elemental y soporte de la membrana Colocación de la membrana de EPDM Biodigestores con cúpula de EPDM Aislamiento de digestor de acero Instalación de sistemas de calefacción Sistemas de calefacción

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Descarte de biol Descarga de fondo en biodigestores de acero Tanques de alimentación Sistema de agitación para tanque de homogenización Sistema de mezcla Alimentación por gravedad. Plataforma para llegada de tractores o tolvas Sistemas de alimentación con bombas de tornillo sin fin Alternativa para alimentación Ejemplos de alimentación Alimentación por medio de tornillo sin fin Tanque de alimentación digestor alemán Sistemas de alimentación - tornillo sin fin Bombas alimentación digestores Valvuleria, bombas y accesorios Bomba de acero. Tewe, Alemania Accesorios, válvulas de cierre neumáticas y manuales. Tewe, Alemania Instalación de tuberías biogás Válvulas de sobre presión Tuberías de captación de biogás Agitadores verticales Sistema vertical de agitación digestores cubierta hormigón Sistema vertical de agitación digestores cubierta EPDM Agitadores Motores externos agitadores Motor Externo Agitador Agitador horizontal Agitadores verticales construidos en Alemania Agitadores inclinados Lechos de secado de lodos Lecho de secado de lodos para digestor pequeño (500m3)

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Lecho de secado de lodos para planta de biogás de 5000m3 Lecho de secados de lodos en países tropicales Lodos granulados en lecho de secado Tuberías y válvulas Llave para toma de muestras de sustrato - pararrayos Medidor de temperatura ubicado en la pared esterior de digestor Sistemas de control Antorchas para quema de biogás Foto de antorcha Válvula corta llama para ser instalada en línea Tanques de almacenamiento de biogás Tanques de EPDM para almacenamiento de biogás, bajo cobertura sencilla para protección climática Tanques de almacenamiento de biogás de doble membrana Alternativa de almacenamiento de biogás en bolsa de EPDM ubicada junto a digestor Almacenamiento de biogás membrana EPDM de doble capa Construcción de tanque de biogás Tramo de calibración Filtro de condensados, grava y cerámica Tramo de calibración Mefisto - Alemania Sopladores planta de biogás Unidades de generación de 170 y 330 Kw. Sala de máquinas planta de biogás Alemania Casa de máquinas Antes y después de la fertilización de bioabono vehículos para aplicación de bioabono líquido en Alemania

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533 537 537 540 546 549 551 553 554 558 559 559 560 560 562 563 565 567 568 572 576 585 587 638 639

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Listado de figuras Nº 1 2 3 4

Descripción Aprovechamiento de desechos orgánicos Esquena de degradación anaeróbica de desechos orgánicos Diagrama descomposición anaeróbica Ciclo anaeróbico

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Esquena simplificado proceso anaeróbico Variación del pH con cambio de biomasa Influencia de la COV en la producción de biogás Producción de metano en relación al TRH Rango óptimo tiempo de retención Relación producción de biogás - MV Tiempo de retención - temperatura Producción de biogás – tipos de biomasa Producción de biogás - TRH

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Degradación materia orgánica Formación de sulfatos Influencia del pH en la producción de H2S Ciclo de biomas División de la biomasa Constitución de la biomasa Tipos de explotación porcina Esquema de planta de biogás y planta depuradora para efluentes granja porcina Porcentajes de desechos por tipo de animal Producción de biogás en relación al pH - vinazas Velocidad de producción de biogás en relación al pH vinazas Producción de biogás de naranjas Producción de metano en relación a la MV de diferentes cultivos energéticos Producción de metano diferentes cultivos energéticos en relación a una hectárea

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Producción de biogás de Cebada, Centeno y Triticale Producción de metano diferentes cultivos energéticos Plano de planta piloto para cultivos energéticos Componentes de la biomasa Alternativas de co-digestión Co-digestión naranjas -estiércol Producción de biogás de proteínas, grasas e hidratos de carbono Producción de biogás de diferentes tipos de biomasa Estiércol de ganado, gallinaza, paja – producción de biogás Representación esquemática del equilibrio de los diferentes componentes de biogás entre las fases gaseosa y líquida Ejemplo esquemático de la producción de lodos Proceso de producción de biogás Digestor carga en batch Esquema de los digestores más utilizados para la generación energía eléctrica Digestores sistema CSTR Sistema dos etapas hidrólisis - digestor Diagrama de degradación de la materia orgánica Diagrama de proceso de biofiltración exterior Inyección mínima de oxígeno en dependencia del contenido de H2S Inyección mínima de oxígeno en dependencia del volumen de biogás para 2000pmm de H2S Inyección de aire % en dependencia del volumen de biogás 150m3/h y en dependencia del contenido ppm de H2S Diagrama de biofiltración con alimentación externa de nutrientes y humedad Diagrama de proceso biológico de reducción de H2S Superficies para depósito de azufre elemental Filtro biológico con prehumidificador Esquema constructivo de filtro biológico Filtro biolavador

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Alternativa de filtros lavadores Filtros en serie o paralelo Filtro de remoción de H2S Alternativa de filtro de limallas de hierro Eliminación de condensados Sistema de aprovechamiento de color Diagrama aprovechamiento biomasa DImensionamiento digestor Producción de biogás de estiércol fresco de ganado vacuno dependiendo del TRH Relación COV, MV, TRH Influencia del TRH en la producción de Biogás Mapa ubicación zonas climáticas Relación COV, MS, TRH Flujograma para dimensionamiento de digestores Curva producción de biogás - consumo Aspectos mínimos analizar en los estudios d factibilidad Planta de biogás, diseño en hormigón armado para aprovechar desechos orgánicos de mercados (60 t/d) Esquema de planta de biogás Esquema etapas para el diseño de plantas de biogás Esquema de planta de biogás Implantación de planta de biogás integrada a laguna de oxidación existente Esquema idealizado de una topografía de terreno para construcción de digestor Planta de biogás Latacunga/Ecuador Propuesta para digestor sobre tierra en hormigón armado Diagrama de flujo de esta instalación Diseño d digestor de hormigón, zona rural Tanque de alimentación Diagrama de implantación de digestor tipo geomembrana

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Esquema de digestor de geomembrana sobre plataforma Corte transversal digestor plataforma sobre nivel suelo 2m de alto Tanque de alimentación Estructura de descarga Tubería de rebose. Detalle amarre de cubierta en sello hidráulico Canal de amarre membrana Otra alternativa para muro de retención digestor de geomembrana Esquemas para instalación de agitador Soportes para tuberías de calefacción Esquema de ubicación de columnas que sujetan las tuberías de calefacción Diagrama para cálculo de los rompimientos de energía para sistema de calefacción Alternativas para descarga de biol-biocarbono Esquema del pozo de bombas ubicado exteriormente a un costado del digestor Tanque de mezcla Esquema de ubicación tanques de alimentación Ejemplos de alimentación Esquemas de sistemas de agitación Principio de agitador utilizado con mucha frecuencia en Europa Ubicación de agitador en digestor de geomembrana Esquema ubicación tanque de descarga Diagrama de ubicación de lecho de secado de lodos Planta y cortes de lecho de secado de lodos Lecho de secado de lodos con fondo geomembrana T para limpieza de tuberías Diagrama para control de procesos de planta de biogás Esquema para control de proceso en digestor Tres unidades corta llama en proyecto planta de biogás

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Esquema corta llamas que puede construirse en acero inoxidable Esquemas de tanques de almacenamiento de biogás Muestra de unidades corta llamas Pozo de eliminación de condensados Válvula para control de presión Esquema CHP Sistema de seguridad y control planta de biogás Sistema de seguridad planta de biogás Diagrama sencillo de sistema de seguridad biodigestor Válvulas de presión Zonas de seguridad Zonas de seguridad digestores de geomembrana Factores clave para la validación Pantallas programas biodigestor

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Lista abreviaturas Abreviatura aB AGCL AGV aKB aKK ANSI ASME ASTM AT AWWA AyG B Gesp BG BHP BPM BRS BSR BTU/d C C:N Ca(OH)2 CaO Cd CDM CE (mS/cm) CERs CH4 CHP CHV Cl

Descripción Gastos de Producción Aäcidos Grasos de Cadena Larga Äcidos Grasos Volátiles Costos Biomasa Costos Capitales American National Standard Institute American Society for testing and materials American Water Works Association Äcidos Grasos Tasa específica de producción de biogás Producción de Biogás British Horse Power Bacterias Productoras de Metano Bacterias Reductoras de Sulfato Bacterias Sulfato Reductoras Brirish Thermal Units por día Carbono Relacion Carbono - Nitrógeno Cal hidratada Cal virgen Cadmio Clean Development Mechanism Conductividad eléctrica Certtificados emisiones reducidas Gas Metano Combined Heat and Power Carga Hidráulica volumétrica Carga de Lodos

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cm CO&M CO2 COT COV Cr(III) Cr(VI) DQO CSTR Cu d DBO DBO DBO kg/t DBOs DN DQO/SO4 EPDM FeO g/kg g/kg SSV g/l g/l DQO GAC GEI GER GHG GLP H H2O

Centímetros Costos de Operaión y Mantenimiento Dióxido de carbón Carbono Orgánico Total Carga Orgánica Volumétrica Cromo trivalente Cromo Sexavalente Continously stirred tank reactor Cobre día Demanda Bioquímica de Oxígeno Demanda bioquímica de oxígeno kilogramos por toneladas Demanda Bioquímica de Oxígeno Demanda Química de Oxígeno / Sulfatos Etileno, Propileno, Dieno, Monómero Minóxido de hierro Gramos por kilogramo gramos por kilogramos solidos volátil Gramos por litro Gramos por litro de DQO Granular Acivated Carbon Gases de Efecto Invernadero Generadores de Energía Renovables Green House Gas Gas Licuado Petróleo Hidrógeno Agua

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H2S HCL HDPE HFC HIC IPCC ISO K K2O kg kg N/plaza kg/m3.d kgMv/m3 kw kWh l/kg.d m3 m3/d m3/kg m3/m3*d m3/t m3/t MH m3/t* MDL metano/kg DQO mg Mg mg/kg mg/l

Sulfuro de Hidrógeno Äcido hidroclorídico Geomembrana de alta densidad Hidrofluorcarbonos Hidrogen Induced Cracking Panel Intergubernamental de Cambio Climático International Standard Organization Potasio Oxido de Potasio Kilogramos Kilogramos de nitrógeno por plaza Kilogramo por metro cúbico por día Kilogramo de masa volátil por metro cúbico Kilowatio Kilowatios por hora Litros por kilogramo por día Metros Cúbicos Metro cúbico por día Metro cúbico por kilogramo Metro cúbico por metro cúbico por día Metros cúbicos por toneladas Metros Cúbicos por Toneladas Masa Húmeda Metros cúbicos por toneladas Mecanismo de Desrrollo Limpio metano por kilogramo de demanda química de oxígeno Miligramos Mangnesio Miligramos por kilogramos miligramos por litro

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MJ Mn MS MV Mw N N2O Na Na2CO3 NaHCO3 NaOH NDPE NH3 NH4 NH4Hco3 Ni Nm3/kg NMOC N-NH4 O2 ONU OTS

Mega Joule Manganeso Masa Seca Masa Volátil Megawatios Nitrógeno Óxido Nitroso Sodio carbonato de sodio Bicarbonato de sodio Hidróxido de sodio High Density Polietileno Amoniaco Amonio Bicarbonato de amonio Níquel Volumen normado de biogás por kilogramos Concentraciones mínimas de compuestos orgánicos no metánicos Nitrrógeno - Amonio Oxígeno Organización de Naciones Unidas Organik Trocken Substanz

P P2O5 Pa Pb PC PCI PE PFC

Fósforo Fosfatos Pascal Plomo Personal Computer Poder calorífico Inferior Polietileno Perfluorcarbonos

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pH POME ppm RPM S SFG SO4 SOHIC SS SSC SST kg/t ST STV(mg/l) t/m3 TBG TºC TPN TPN TRD TRH TRH TTZ UAE UASB UE UGM UNFCCC V-H V-M V-P

Potencial Hidrògeno (Acidéz) Palm Oil Mill Efluent Pasta por millon Revoluciones por minuto Azufre Hexafluoruro de azufre Sulfatos Stress Oriented Hidrogen Induced Cracking Sólidos Suspendidos sulfide Stress Crackimg Sólidos Suspendidos totales por kilogramos y por toneladas Sólidos Totales Saldos Totales Volátiles por miligramos por litros Tonelada por metro cúbico Tasa de Producción de Biogás Temperatura en grados centígrados Temperatura y presión normal Temperatura y presión normal Tiempo de Retención Días Tiempo de Retencion Promedio Tiempo de Retenión Hidráulica Centro de Transferencia Tecnológica Unidad Animal Equivalente Upflow Anarobic Sludge Blanket Union europea Unidad de Ganado Mayor Convenio Marco sobre Cambio Climático de la ONU Vacuno Hembras Vacuno Macho Vacas Paridas

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Biodigestores construidos en Brasil Membrana de cubierta EPDM. Fabricada por Firestone. Distribuidor autorizado AquaLimpia B.I. aqua@aqualimpia,com

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Aspecto legal Aqualimpia ha desarrollado este libro basándose en extensas investigaciones y conocimientos técnicos sobre el dimensionamiento, diseño y construcción de biodigestores. Aqualimpia no se hace responsable por el uso que se de a este libro para el dimensionamiento de plantas de biogás y biodigestores.

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CAPITULO 1 APROVECHAMIENTO DE LA BIOMASA

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1 Aprovechamiento de la biomasa Los altos costos de generación de energía eléctrica utilizando combustibles convencionales derivados de materiales fósiles, los costos crecientes del abastecimiento de petróleo, la contaminación ambiental por su uso, sumado al costo que involucra su obtención y su carácter finito, cuya extinción está prevista para este siglo, generan la necesidad de desarrollar proyectos que utilicen energías renovables, para la generación de energía eléctrica y de calor. Foto 1: Aprovechamiento de desechos de restaurantes en Hamburgo-Alemania

Diseño y construcción ENTEC GMBH, Austria – Grupo Aqualimpia

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