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INSTITUTO TECNOLOGICO DE ORIZABA DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA QUIMICA MEDIO AMBIENTE “ESTUDIO DEL PROCESO DE DIGESTIÓN ANAEROBIO COMO UNA ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO DE LOS RESIDUOS ORGÁNICOS DEL MUNICIPIO DE ZONGOLICA, VER.” Pompeyo Quechulpa Pérez, Gustavo Alvarado Kinnel, Juan Manuel Mendez Contreras. División de Estudios de Posgrado e Investigación Maestría en Ciencias en Ingeniería Química del Instituto Tecnológico de Orizaba. Av. Instituto Tecnológico No. 852, Col. Emiliano Zapata, C.P. 94320, Orizaba, Ver. Tels 01(272)72 57056, Fax: 01(272)7257056, Correos electrónicos (E-mail): [email protected] [email protected] INTRODUCCION Los aspectos clave que la sociedad debe resolver para lograr un crecimiento sustentable son, la estabilidad familiar, alimentación, medio ambiente, medios de comunicación y transporte. Considerando el punto de medio ambiente, la generación de basura en México es una actividad poco investigada y que si no se atiende traerá consigo una serie de problemas ecológicos, económicos, estéticos y de salud. Un ejemplo de este tipo de problemas es el que se presenta en el Estado de Veracruz en el Municipio de Zongolica, en el cual se tiene un deterioro del ambiente por los tiraderos de basura a cielo abierto. Estos tiraderos producen lixiviados que afectan los mantos acuíferos, y aunado al desprendimiento de gases, olores, humos y polvos producto de la descomposición de la materia orgánica que genera gran contaminación. En este caso la contaminación es provocada específicamente, por la falta de cultura, porque no se cuenta con

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MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA QUIMICAMEDIO AMBIENTE

“ESTUDIO DEL PROCESO DE DIGESTIÓN ANAEROBIO COMO UNA ALTERNATIVA DE TRATAMIENTO DE LOS RESIDUOS

ORGÁNICOS DEL MUNICIPIO DE ZONGOLICA, VER.”

Pompeyo Quechulpa Pérez, Gustavo Alvarado Kinnel, Juan Manuel Mendez Contreras.División de Estudios de Posgrado e Investigación

Maestría en Ciencias en Ingeniería Química del Instituto Tecnológico de Orizaba.Av. Instituto Tecnológico No. 852, Col. Emiliano Zapata, C.P. 94320, Orizaba, Ver. Tels

01(272)72 57056, Fax: 01(272)7257056, Correos electrónicos (E-mail): [email protected]

[email protected]

INTRODUCCION

Los aspectos clave que la sociedad debe resolver para lograr un crecimiento sustentable son, la estabilidad familiar, alimentación, medio ambiente, medios de comunicación y transporte. Considerando el punto de medio ambiente, la generación de basura en México es una actividad poco investigada y que si no se atiende traerá consigo una serie de problemas ecológicos, económicos, estéticos y de salud. Un ejemplo de este tipo de problemas es el que se presenta en el Estado de Veracruz en el Municipio de Zongolica, en el cual se tiene un deterioro del ambiente por los tiraderos de basura a cielo abierto. Estos tiraderos producen lixiviados que afectan los mantos acuíferos, y aunado al desprendimiento de gases, olores, humos y polvos producto de la descomposición de la materia orgánica que genera gran contaminación. En este caso la contaminación es provocada específicamente, por la falta de cultura, porque no se cuenta con recursos para dar una solución adecuada a este problema y por la mala disposición de los desechos municipales.

El reciclaje integral de la basura requiere de la búsqueda de opciones para la utilización de los deshechos orgánicos que forman parte del total de basura.

Uno de los usos de la fracción orgánica de la basura, que se encuentra en los desechos domésticos, agropecuarios, agrícolas y agroindustriales es la producción de biogás. El Biogás es un gas incoloro e inflamable compuesto aproximadamente por un 60% de metano (CH4) principal componente. El metano le confiere las características de combustión. Además del metano el biogás cuenta con un 36% de dióxido de Carbono (CO2) y pequeñas cantidades de otros gases, tales como hidrógeno (H), nitrógeno (N) y ácido sulfhídrico (H2S). La composición del biogás varía de acuerdo a la biomasa utilizada.

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El biogás se produce en un recipiente o tanque denominado bio-digestor. En el interior del equipo se realiza la fermentación o digestión anaerobia de materia orgánica.

La digestión anaerobia es un proceso biológico atractivo para la conversión de residuos domésticos, agrícolas, e industriales (Gupta et al., 1997); Esta transformación se lleva a cabo por la acción de las bacterias en la mezcla de donde se libera su energía química en tres etapas fundamentales: hidrólisis, acetogénesis y metano génesis (Rajbhandarí y Annachhatre, 2004). En la etapa de metano génesis es donde se produce el gas metano que se utiliza como fuente alterna de energía. El metano es un energético de gran utilidad (Steiner, 2002) en algunos casos puede ser sustituto de los combustibles comunes (Murphy el al., 2004) ya que disminuye el uso de productos derivados del petróleo, productos forestales y agrícolas. Por otro lado el residuo que abandona al digestor puede ser utilizado como abono orgánico.

El objetivo de este estudio es verificar la factibilidad de utilización de residuos sólidos orgánicos de la basura como substrato para la producción de biogás.

METODOLOGÍA

La metodología a emplear en esta investigación se puede observar en la figura 1.

1. Se identificaron y definieron 6 zonas de estudio zona centro, alta, baja, alrededores, montaña, y mercado municipal. Considerando la situación actual del manejo de estos residuos en términos de su composición, se presento una metodología para recolectar, clasificar y reciclar la basura orgánica e inorgánica del municipio en donde se estudiaron 30 casas y 4 locales durante 1 semana para conocer el promedio de generación de basura y su comportamiento semanal como base de calculo para el presente estudio.

2. Una vez que los residuos orgánicos se caracterizaron se obtuvo un substrato homogéneo con un contenido de 4% de sólidos totales (ST) como composición base. La mezcla se alimento a tres digestores anaerobios con una mezcla de 1%, 2%, 3% de ST.

3. Se caracterizo la alimentación en términos fisicoquímicos pH, Sólidos Totales (ST), sólidos Totales Volatices (STV), Nitrógeno total por el método de Kjeldal (NTK), Nitrógeno amoniacal (N-NH4 ), densidad, y temperatura.

4. Para localizar las condiciones de operación recomendables para el proceso de digestión anaerobio de residuos sólidos orgánicos se alimento en diversas proporciones a tres reactores anaerobios.

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5. Cuantificar el volumen de biogás producido en las pruebas de digestión anaerobio para la determinación del comportamiento cinético de la producción de biogás en las pruebas de degradación.

RESULTADOS

En la definición del lugar de ubicación se considero las siguientes zonas, centro definido con el numero (1), parte alta (2), parte baja (3), alrededor (4), montaña (5) y mercado (6). Otro factor que se tomo en cuenta es la condición económica familiar alta (1), mediana (2), baja (3) y pobreza (4).El rango de edad de los habitantes promedio de la casa se clasifico como mayores de 26 años (1), de 16 a 25 años (2), de 5 a 15 años (3) y menores de 5 años (4), considerando que sea hombre o mujer. Al definir el área de estudio se obtuvieron los siguientes datos definidos por zonas

MATERIA PRIMA (BASURA MUNICIPAL)

RECOGER BASURA EN CASAS Y LOCALES DEFINIDOS POR ZONAS (1,2,3,4,5,6)

CLASIFICACION DE LA BASURA INORGANICA

CLASIFICACION DE LA BASURA ORGANICA

MUESTREO

CUARTEO Y TAMIZADO

ANALISIS FISICOQUIMICO(PH ST, STV, NTK, N-NH4)

CARGAR 3 REACTORES1%, 2%, 3% DE ST

ANALISIS FISICOQUIMICO Y CONTROL REACTORES

CUANTIFICAR LA PRODUCCION DE GAS

PROPUESTA DE INVESTIGACION FUTURA

(PIROLISIS)

PESADO PESADOEVALUAR

ANALISIS DEL GAS

Figura 1. Metodología

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Actualmente en la Ciudad de Zongolica, Ver. Se recogen en promedio 6 toneladas diarias de basura municipal.

Datos generales Zonas de estudioLugar de ubicación  

Centro1

Alta2

Baja3

Alrededor4

Montaña5

Mercado6

Condición económica 2.2 2.2 2.6 2.0 2.2 3.0

Habitante 1Hombre 1.2 1.2 0.8 0.6 0.8 1.0Mujer 1.8 1.6 1.2 1.6 1.2 2.0

Habitante 2Hombre 0.4 0.8 0.6 1.0 0.8 1.0Mujer 0.6 1.2 1.0 0.4 0.8 1.0

Habitante 3Hombre 0.2 0.4 0.2 0.0 0.6 1.5Mujer 0.4 0.0 0.0 0.2 0.2 0.5

Habitante 4Hombre 0.2 0.2 0.4 0.2 0.4 0.3Mujer 0.4 0.0 0.2 0.0 0.0 0.0

Total de habitantes  5.2 5.4 4.4 4.0 4.8 7.3

Total basura inorgánica  409.6637 410.72 200.22 219.72 519.72 672.0271Total basura orgánica  990.2629 329.5 529.66 342.8 655.16 11270.66

Total de basura Gramos 1399.927 740.22 729.88 562.52 1174.88 11942.69Total de basura Kg 1.399927 0.74022 0.72988 0.56252 1.17488 11.94269

Tabla 1. Generación promedio de desechos municipales por zona de ubicación y tipo de habitante

Datos generales  Total Descripción Promedio 

Condición económica   2.4

Habitante 1 Hombre 0.9Mujer 1.6

Habitante 2 Hombre 0.8Mujer 0.8

Habitante 3 Hombre 0.5Mujer 0.2

Habitante 4 Hombre 0.3Mujer 0.1

Total de habitantes por familia  5.2Tabla 2. Datos promedio totales sobre condición

económica y tipo de habitante

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Grafica 1: . Datos promedio totales sobre tipo de habitante.

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Tipo de basura Peso Tipo de basura PesoBasura inorgánica Gramos  Basura orgánica Gramos Plástico rígido 85.43421 Cartón o papel 383.4861Plástico película 159.7594 Cáscaras 368.3611Metales ferrosos 24.644 Desperdicio 1116.614Metales no ferrosos 59.196 Huesos 156.2109Vidrio 14.436 Madera 21.28Hule 2.76 Cuero 1.146Baterías 2.94 Tierra o polvo 578.4573Ropa, trapo y algodón 28.46Equipo electrónico 11.572Pinturas, colorantes 4.12Material de construcción 11.15979

Total basura inorgánica 404.4814 Total basura orgánica 2625.556Total de basura en gramos  3030.037Total de basura en kilogramos 3.030037

Tabla 3. Datos promedio totales sobre generación de basura por zonas de ubicación

Grafica 2: Datos promedio totales sobre generación de basura por zonas de ubicación.

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DescripciónUnidad

de medida

Domingo Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes Sábado

Total basura inorgánica g 281.0433 288.0542 471.4483 423.2138 604.9356 377.2942 391.4267

Total basura orgánica g 3045.213 3720.113 2197.213 1748.237 2496.068 1531.127 1733.078

Total de basura g 3326.256 4008.167 2668.661 2171.451 3101.004 1908.421 2124.504Total de basura Kg 3.326256 4.008167 2.668661 2.171451 3.101004 1.908421 2.124504

Tabla 4. Generación promedio de basura por día

Grafica 3: Generación promedio de desechos municipales por día.

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De las pruebas de laboratorio de la basura orgánica, punto 2 y 3 se obtuvieron los siguientes datos

Descripción 

ZonasMezcla 1 2 3 4 5 6

 Abreviatura Centro Alta Baja Alrededor Montaña Mercado

Humedad H 0.5207 0.7680 0.7680 0.3795 0.0857 0.9405 0.7033Sólidos totales ST 0.4793 0.2320 0.2320 0.6205 0.9143 0.0595 0.2967

% ST % ST 47.9264 23.1962 23.1962 62.0511 91.4274 5.9509 29.6680

Cenizas CN 0.0519 -0.0317 -0.0317 0.1129 0.0098 0.0038 -0.0216Sólidos totales volátiles

STV  0.4273 0.2637 0.2637 0.5076 0.9044 0.0557 0.3183

% STV % STV 42.73 26.37 26.37 50.76 90.44 5.57 31.83Potencial de hidrogeno

PH 4.71 4.1 4.1 4.98 5.31 4.33 4.35

Nitrógeno Kieldal

Muestra 3.16 3.46 3.4 3.20 3.31 3.15 3.54Blanco 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5

Nitrógeno

Nitrógeno 0.14 0.42 0.39 0.10 0.10 0.96 0.2990

%Nitrógeno 13.91 41.80 39.19 10.22 9.75 96.30 29.8973

Valoración Mediana-mente rico

Extrema-damente rico en N

Extrema-damente rico en N

Medio en N

Medio en N

Extrema-damente rico en N

Extrema-damente rico en N

Tabla 5. Antecedente del análisis fisicoquímico de la materia orgánica por zona

De la tabla 5 se observan los datos de ST 0.2967, STV, 0.3183, PH 4.35, Nitrógeno Kieldal de la muestra 3.54 y del blanco 2.5, a una temperatura de 22oC.

Para el punto 4 se obtuvieron los siguientes datos

Mezcla de los reactores % Composición

Composición de la mezcla por zona en mililitrosMezcla

1 2 3 4 5 6Mezcla al 4% de ST   191.71 92.78 92.78 248.20 365.71 23.80 118.67

Reactor 1%  Materia 25% + Agua 75% 491.71 392.78 392.78 548.20 665.71 324.80 418.67

Reactor 2%  Materia 50% + Agua 50% 583.41 385.57 385.57 696.41 931.42 248.61 437.34

Reactor 3%  Materia 75% + Agua 25% 675.12 378.35 378.35 844.61 1197.13 172.41 456.02

Tabla 6. Antecedente de mezcla de la materia orgánica por zona para los reactores

De la tabla 6 observamos las composiciones de los 3 reactores para el reactor a 1% de ST 418.67, al 2% de ST 437.34 y al 3% de ST 456.02.

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Descripción   Abreviatura Mezcla Humedad H 0.8655Sólidos totales ST 0.1345% ST % ST 13.4527Cenizas CN 0.0099Sólidos totales volátiles STV  0.1246% STV % STV 12.4625Potencial de hidrogeno PH 4.24

Nitrógeno

Nitrógeno 0.0486

%Nitrógeno 4.8575

Valoración Pobre en NTabla 7. Análisis fisicoquímico de todas las zonas para la Caracterización del substrato de alimentación utilizado

Mezcla del reactor % Composición Mezcla

Mezcla al 4% de ST  118.67

Reactor 1%

 Materia 25% + Agua 75% 353.81Mezcla real en mililitros 346.1893PH 5.78+ 5.5 ml de Solución de bicarbonato de sodio para obtener un PH 6.58

Reactor 2%

 Materia 50% + Agua 50% 307.62Mezcla real en mililitros 293.7848PH 4.82+ 32.5 ml de Solución de bicarbonato de sodio para obtener un PH 6.7

Reactor 3%

 Materia 75% + Agua 25% 261.43Mezcla real en mililitros 238.5677PH 4.94+ 49 ml de Solución de bicarbonato de sodio para obtener un PH 6.84

Tabla 8. Condiciones de operación recomendables para el proceso de digestión anaerobio de residuos sólidos orgánicos.

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Descripción   Abreviatura Mezcla1%

Mezcla2%

Mezcla3%

Humedad H 0.8696 0.9023 0.8955

Sólidos totales ST 0.1304 0.0977 0.1045

% ST % ST 13.0352 9.7713 10.4497

Cenizas CN 0.0184 0.0046 0.0067

Sólidos totales volátiles  STV 0.1119 0.0931 0.0978

% STV % STV 11.1916 9.3140 9.7752Potencial de hidrogeno PH 6.58 6.7 6.84

Nitrógeno KieldalMuestra 4 3.33 3.49

Blanco 3 3 3

Nitrógeno

Nitrógeno 0.1073 0.0315 0.0444

%Nitrógeno 10.7321 3.1464 4.4396

Valoración Medio en N Pobre en N Pobre en N

Tabla 9. Composiciones fisicoquimicas de las mezclas para el proceso de digestión anaerobio

Para cumplir el punto 5 de la metodología se obtuvieron los siguientes resultados

Se obtuvieron los porcentajes de remoción de la materia orgánica y el agua presentes en los tres digestores.

Tipo de reactorDías

1 20 40

Reactor a 1% ST 13.0352 1.2830 1.3879

STV 11.1916 1.0470 0.6989

Reactor a 2% ST 9.7713 5.0339 3.6337

STV 9.3140 4.5914 2.2228

Reactor a 3% ST 10.4497 4.8216 3.8708

STV 9.7752 4.1881 3.1806Tabla 10. Porcentaje de remoción de sólidos totales (ST) y sólidos

totales volátiles a 1%, 2%, 3% de ST

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Grafica 4: Porcentaje de remoción de sólidos totales de los 3 reactores a 1%, 2%, 3% de ST

Grafica 5: Porcentaje de remoción de sólidos totales volátiles de los 3 reactoresa 1%, 2%, 3% de ST

Se cuantificó la producción de biogás por el método de volumen desalojado en probetas.

Grafica 6: Comparación de los tres reactores a 1%, 2%, 3% de ST en relaciónal volumen desalojado de biogás

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Muestra del reactor a 1% de ST    

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ParámetrosFormula quimica Promedio

Metano CH4 0.6135Dióxido de carbono CO2 0.0140

Nitrógeno molecular N2 0.3726Total 1.0000

Muestra del reactor a 2% de ST  Parámetros  Metano CH4 0.6189Dióxido de carbono CO2 0.0102

Nitrógeno molecular N2 0.3709Total 1

Muestra del reactor a 3% de ST  Parámetros  Metano CH4 0.5579Dióxido de carbono CO2 0.0116

Nitrógeno molecular N2 0.4305Total 1

Tabla 11. Porcentaje del biogás producido enlos reactores a 1%, 2%, 3% de ST

Grafica7: Comparación de los tres reactores a 1%, 2%, 3% de ST enrelación a la producción de gas metano (CH4)

Se analizo la producción de gas metano de los tres reactores analizando los porcentajes de metano, dióxido de carbono y nitrógeno molecular

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Grafica 8: Producción de gas metano (CH4) del reactor a 1% de sólidos totales (ST)

Grafica 9: Producción de gas metano (CH4) del reactor a 2% de sólidos totales (ST)

Grafica 10: Producción de gas metano (CH4) del reactor a 3% de sólidos totales (ST)

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CONCLUSIONES

Esta investigación aporto como una primera etapa la clasificación del problema de la contaminación. La metodología utilizada permitió recolectar, clasificar y reciclar la basura orgánica e inorgánica del muestreo realizado en este municipio. los datos obtenidos nos permiten caracterizar la generación de basura, como composición general y como segunda etapa a nivel laboratorio, se obtuvieron los datos fisicoquímicos (pH, ST, STV, NTK, N-NH4, y temperatura), de los desechos sólidos orgánicos que surgen de la separación de la materia orgánica e inorgánica. Se vislumbraron las condiciones de operación recomendables para el proceso de digestión anaerobio obteniendo un substrato homogéneo con un contenido de 4% de sólidos totales como base para la preparación de la alimentación de tres reactores con una composición al 1%, 2%, 3% de sólidos totales.

De la tabla 1 podemos observar que la mejor condición económica se encuentra en la zona centro y parte alta y de manera simultanea son las que tienen un mayor numero de personas en la familia. La mayor producción de basura orgánica se encuentra en el mercado municipal y centro (zona 6 y 1).

De la tabla 2 observamos que la condición económica promedio en Zongolica, Ver. En la zona de estudio, es media baja con un valor de 2.4 y el promedio de habitantes en cada familia es de 5.2 predominando la mujer 1.6 de edades arriba de 26 años.

De la tabla 3 observamos que se generan 2.625 kg de basura orgánica y 404.48 g de basura inorgánica en promedio por cada familia siendo la mayor producción de desperdicio con 1.116 kg, arrojando un total de 3.03 kg de generación de basura total.

De la tabla 4 observamos que los días domingos se generan 3.3262 kg de basura en promedio y los lunes 4.008167kg siendo los días de mayor generación de basura en la semana ya que el domingo es día de plaza y el lunes es cuando se tira la basura que se quedo del domingo.

En la tabla 7 se observan los datos de ST 0.1345, STV, 0.1246, PH 4.24, Nitrógeno Kieldal de la muestra a 4 y del blanco a 3.3, con un contenido de nitrógeno de 0.0486 valorado como pobre en N y a una temperatura de 23oC. Con estos datos se caracterizo el sustrato para lograr las composiciones de los 3 reactores, de donde se obtuvo una composición real de la mezcla del reactor a 1% de ST de, 346.1893 ml con un PH de 5.78 al cual se le agregaron 5.5 ml de solución de bicarbonato de sodio para elevar su PH a 6.58, para la mezcla del reactor a 2% de ST se determinaron 293.7848 ml con un PH de 4.82 al cual se le agregaron 32.5 ml de solución de bicarbonato de sodio para elevar su PH a 6.7 y para la mezcla del reactor de 3% de ST se determinaron 238.5677 ml. con un PH de 4.94 al cual se le agregaron 49 ml de solución de bicarbonato de sodio para elevar su PH a 6.84 datos que se muestran en la tabla 8.

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En la grafica 4 y 5 observamos el porcentaje de remoción de sólidos totales, expresando una disminución en la cantidad de sólidos en los tres reactores.

En relacionado a la grafica 7 observamos que de los tres reactores el que tiene un mejor rendimiento en la producción de gas metano es el reactor a 3% de sólidos totales.

En la grafica 8, 9 y 10 se presenta la producción de gas metano CH4 a 1%, 2% y 3% de ST de donde podemos observar que se da una mayor producción en el día 9 y una producción menor en el día 21.

De la tabla 8 y de las graficas 8, 9, 10 obtenemos en 22 días una producción promedio de gas metano de 15.6295 ml de gas metano de un volumen de mezcla de 346.1893 ml. del reactor a 1% de ST, 19.1566 ml de gas metano de un volumen de mezcla de 293.7848 ml. del reactor a 2% de ST, 20.35 ml. de gas metano de un volumen de mezcla de 238.5677 ml del reactor a 3% de ST, Lo que conduce a establecer que el reactor a 3% de sólidos totales que equivale a un 25% de agua y un 75 de materia orgánica es el reactor que tiene una mejor eficiencia y por tanto mejor producción de gas metano.

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BIBLIOGRAFIA GENERAL

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