LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA Una alternativa al tratamiento de aguas residuales en zonas rurales MÁSTER UNIVERSITARIO TECNOLOGÍA PARA EL DESARROLLO HUMANO Y LA COOPERACIÓN UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ASIGNATURA E-3 CURSO 2012-2013 Madrid, Marzo 2013 Jaime del Rey Gómez-Morata
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Tratamiento de aguas residuales mediante Digestión Aneróbica en entornos rurales de países en vías de desarrollo
El artículo realiza una primera aproximación a la digestión anaeróbica como sistema de tratamiento de aguas residuales de viviendas aisladas en países en vías de desarrollo. La tecnología puede ser aplicable en proyectos de cooperación en los que se busque dar una solución de saneamiento a viviendas que carecen de este servicio.
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LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA
Una alternativa al tratamiento de aguas
residuales en zonas rurales
MÁSTER UNIVERSITARIO TECNOLOGÍA PARA
EL DESARROLLO HUMANO Y LA COOPERACIÓN
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
ASIGNATURA E-3
CURSO 2012-2013
Madrid, Marzo 2013
Jaime del Rey Gómez-Morata
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Para una importante proporción de la población rural de los países en vías de desarrollo las
aguas residuales, tanto domésticas como del ganado, carecen de una infraestructura mínima
que permita su recogida y tratamiento.
El informe del año 2012 del Programa de Monitoreo Conjunto1 afirma que, si bien el Objetivo
de Desarrollo del Milenio relativo al acceso al agua se cumplió en el año 2010, las perspectivas
son mucho menos halagüeñas para el caso del saneamiento. De mantenerse la tendencia
actual, en el año 2015 se habrá logrado dar cobertura con saneamiento básico al 67% de la
población mundial, lejos aún de la meta del ODM situada en el 75%. A no ser que el ritmo del
progreso mejore notablemente, la meta del ODM no se obtendría hasta el año 2026.
Por otro lado, las disparidades entre el ámbito urbano y
el rural en el campo del saneamiento son más
pronunciadas aún que en el agua. Mientras que el 79%
de la población urbana mundial dispone de
infraestructura de saneamiento mejorada, este
porcentaje cae al 47% en las zonas rurales. En efecto, en las zonas rurales se concentran
1.800 millones de personas sin acceso a saneamiento mejorado, lo que supone el 72% de la
población total sin esa cobertura.
Cobertura de saneamiento en zonas rurales en los distintos países del Mundo. Fuente: Informe 2012 del Programa
de Monitoreo Conjunto (OMS & UNICEF)
1 El Programa de Monitoreo Conjunto (o Joint Monitoring Program, JMP) es una iniciativa de la OMS y UNICEF que se encarga de supervisar los progresos de la de la meta C del Objetivo de Desarrollo del Milenio 7: “Reducir a la mitad, para 2015, la proporción de personas sin acceso sostenible al agua potable y a servicios básicos de saneamiento”. Todas las cifras han sido tomadas del informe del JMP del año 2012 descargable en http://www.wssinfo.org/fileadmin/user_upload/resources/JMP-report-2012-en.pdf
La digestión anaeróbica, una alternativa a la gestión de aguas residuales en zonas rurales
Además de carecer de servicios básicos de saneamiento, muchos hogares situados en zonas
rurales no disponen de acceso a fuentes de energía adecuadas, ni de fertilizantes de calidad
para los usos agrícolas. Ante este contexto, la digestión anaeróbica aparece como una
solución de gran interés que permite afrontar de forma simultánea tres importantes problemas:
Procesa y estabiliza las aguas residuales de origen humano y animal mediante un
tratamiento natural que no requiere de fuentes de energía o aditivos.
Aporta, como resultado de la descomposición orgánica en ambiente anaeróbico, gas
metano que es recuperado como combustible para uso doméstico, evitando a la
población beneficiaria tener que recurrir a la madera2, o a los excrementos secos del
ganado.
Como producto de la digestión, se obtienen lodos con una carga patógena mucho más
baja que las heces iniciales y suficientemente degradados como para que constituyan
un fertilizante natural, más ecológico3 y económico que las alternativas sintéticas.
Una solución con amplio recorrido…
La digestión anaeróbica no es una tecnología de tratamiento de aguas residuales
especialmente pionera. La existencia de metano en los gases de descomposición de los
pantanos fue descubierta por Alessandro Volta en 1770 en sus experimentos en los marjales
del lago Maggiore en los Alpes italianos. Hubo que esperar cien años más para que Louis
Pasteur en 1875 obtuviese biogás a partir de residuos de caballo y propusiese su utilización
para la iluminación de las calles. Finalmente en 1906 se desarrolla en Alemania la primera
planta de digestión anaeróbica para el tratamiento de aguas residuales. Hoy día hay más de
400 plantas agrícolas de biogás funcionando en Alemania.
Pero la experimentación y el uso de esta tecnología no se circunscribe al continente europeo,
pudiéndose destacar las interesantes experiencias en esta materia en China y la India. En
China las primeras plantas de biogás se construyeron en 1940 por familias acomodadas, y
desde 1970 la investigación y promoción por parte del gobierno chino impulsó la implantación
de esta tecnología en zonas rurales. Actualmente en China más de 5 millones de pequeños
digestores se encuentran en funcionamiento y unos 20 millones de personas utilizan el biogás
como combustible habitual.
En la India el desarrollo de plantas de biogás sencillas
comenzó en 1950, y en los años setenta una
importante campaña apoyada por el gobierno produjo
un fuerte crecimiento de las plantas en uso. En la
actualidad más de un millón de plantas de biogás están
en funcionamiento en este país4.
2 De acuerdo con el informe ICAR (emitido por la el Consejo Indio de Investigación Agrícola de Nueva Delhi)
un digestor de 2,8 m3 puede evitar la deforestación de 1.200 m2 de bosque cada año. Más información en
http://www.icar.org.in/
3 La fabricación de fertilizantes sintéticos produce importantes emisiones de CO2, además estos productos presentan altos contenidos de nitritos y nitratos cuya alta solubilidad en el agua hace que sean fácilmente arrastrados por las aguas superficiales provocando a su vez problemas de eutrofización. En cambio, el producto de la digestión anaeróbica produce un residuo rico en nitrógeno amoniacal menos soluble al agua y, por tanto, con menor propensión a contaminar los acuíferos.
Las experiencias de China, India y Alemania muestran cómo la tecnología de la digestión
anaeróbica ha logrado importantes avances cuando ha contado con un entorno favorable:
mientras que en Alemania, la solución ganó impulso en un contexto de crisis energética y
búsqueda de fuentes alternativas, en la India y China fueron los apoyos gubernamentales los
que consiguieron la expansión de esta solución.
Qué es el Biogás y cómo se genera
El biogás es generado por colonias de bacterias en su proceso de degradación de la materia
orgánica en un ambiente anaeróbico. La generación natural del biogás es una parte importante
del ciclo biológico del carbono en la que las bacterias metanógenas (que producen metano) se
constituyen como el último eslabón de una cadena de microorganismos que degradan la
materia orgánica hasta convertirla en elementos sencillos que son devueltos al medio.
Cada año entre 590 y 880 millones de toneladas de metano se generan en el planeta por
actividad microbiana, de los que el 90% provienen de la descomposición de la materia
orgánica, siendo el resto proveniente de procesos relacionados con la fabricación y uso de
combustibles fósiles.
El biogás es una mezcla de gases que se distribuye como sigue:
Metano (CH4): 40-70 % del volumen;
Dióxido de carbono (CO2): 30-60 % del volumen;
Otros gases ocupando entre 1-5 % del volumen donde se encuentra: Hidrógeno (H2) 0-
1% del volumen; sulfuro de hidrógeno (H2S) 0-3% del volumen.
Entrando en los detalles técnicos…
Para lograr una adecuada digestión anaeróbica debemos contar con un depósito
suficientemente estanco en el que se acumularán los residuos orgánicos para su tratamiento.
El depósito ha de contar con un conducto de entrada para los residuos, otro de salida y una
espita en la parte más alta que permita recuperar el biogás para su posterior utilización como
combustible.
Los residuos deberán encontrarse en un estado suficientemente acuoso para permitir su
progresión por sus conducciones de entrada-salida y el interior del equipo, y para facilitar la
generación de un ambiente anaeróbico. Esto hace que los residuos más recomendables sean
las aguas residuales domésticas. En instalaciones colocadas en zonas rurales, se añadirán
también las heces de la ganadería (estiércol) que deberán licuarse con agua adicional antes
de introducirse en el digestor. Una proporción habitual para esta mezcla suele ser una parte de
estiércol por cada dos de agua5.
En cuanto a la tipología de los depósitos, estos en esencia se pueden dividir en tres grandes
tipos:
4 Datos tomados de la publicación “Biogas Digest Volume I, Biogas Basics” de la GTZ (Agencia Alemana de Cooperación Técnica): http://www.gate-international.org/documents/publications/webdocs/pdfs/biogasdigestvol1.pdf 5 Tomado de “Performance evaluation of a biogas stove for cooking in Nigeria” de I N Itodo, G E Agyo y P Yusuf, Journal of Energy in Southern Africa, Vol 18 No 3 Agosto 2007
Las tipologías anteriores con algunas variaciones permiten desplegar las siguientes
subtipologías:
En el gráfico se muestran las siguientes tipologías de digestores:
A. Digestor con cubierta flotante
B. Digestor con cubierta fija
C. Digestor con cubierta fija y acumulador de gas independiente
D. Digestor con cubierta flexible
E. Digestor con cubierta flexible bajo techado
Fuente “Biogas Plants, L. Sasse, GATE, 1988, p. 14.
Las ventajas e inconvenientes de cada una de las tres grandes tipologías son:
Digestores con cubierta flexible (generalmente de lona plástica de PVC):
Ventajas: facilidad de traslado, temperaturas elevadas del digestor (lo que a su vez
favorece las reacciones bacteriológicas), facilidad de mantenimiento y vaciado.
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Inconvenientes: pueden tener una menor vida útil por el deterioro de la cubierta, no
recurren a tanta mano de obra local (la lona no se produce en las zonas en las que se
instala el equipo), posible precio elevado de la cubierta flexible, susceptibles al daño de la
cubierta.
Digestores con cubierta fija:
Ventajas: ausencia de partes móviles y mayor facilidad de construcción. Hace uso de mano
de obra local para todo el proceso constructivo (cubierta incluida). El depósito queda
enterrado y por tanto se evitan daños y también variaciones térmicas en su interior.
Inconvenientes: generalmente se tienen menores temperaturas en el digestor. Es más
complicada cualquier maniobra de vaciado. Requiere de una ejecución muy cuidadosa,
porque cualquier fractura en la cubierta producirá grandes pérdidas de biogás. La presión
del gas varía en función de la cantidad que se encuentre almacenada.
Digestores con cubierta flotante:
Ventajas: la operación del sistema es muy intuitiva, porque la posición de la cubierta
muestra la cantidad de gas disponible. La construcción es relativamente sencilla y
cualquier error en la misma no afecta mayormente al rendimiento del digestor. La presión
del gas es constante.
Desventajas: el mayor coste de la cubierta que suele construirse en acero. La tendencia
del acero a la corrosión hace que la vida útil de estos digestores sea menor. Costes de
mantenimiento continuos debidos a la pintura de la cubierta.
Diseño de los Digestores
A la hora de plantearse el diseño de los digestores dos variables son especialmente
importantes: el tiempo de retención y la temperatura ambiente. Pasamos a estudiarlos de
forma diferenciada.
El tiempo de retención
El tiempo de retención, como en cualquier depósito de tratamiento de aguas residuales,
está relacionado con el caudal de las aguas que se reciben y con el volumen útil del
depósito mediante la siguiente fórmula:
El valor del caudal irá en función de la dotación fijada para el agua de consumo humano, a
la que habrá que añadir la producida por el ganado, si es que sus residuos se están
vertiendo también al digestor. En cuanto a la dotación de consumo humano se puede partir
de valores como los 50 litros/persona*día establecidos como la Organización Mundial de la
Salud (OMS) como valor mínimo para garantizar una vida digna6.
6 Los criterios de la OMS, asumidos por Naciones Unidas, establecen que este Derecho Humano implica tener acceso a agua suficiente, salubre, accesible, asequible y aceptable. La “suficiencia” del agua se establece en un mínimo de 20 litros/habitante*día que debería aumentar a 50 siempre que sea posible. Más información en http://www.who.int/water_sanitation_health/es/
La definición del tiempo de retención depende de la temperatura a la que se encuentre la
mezcla en el digestor, así como de las características de los residuos que se estén
tratando. Se trata, por tanto, de un valor que puede variar mucho en función de cada caso.
Podemos de cualquier forma dar las siguientes estimaciones:
Estiércol líquido de ganado bovino: 20-30 días
Estiércol líquido de ganado porcino: 15-25 días
Estiércol líquido de ganado ovino: 20-40 días
Estiércol animal mezclado con restos vegetales: 50-80 días
Ante la ausencia de datos específicos sobre el contenido de las aguas residuales, o en el
caso de tratarse de aguas de consumo humano, podremos estimar un tiempo de retención
de 15 días en climas cálidos o 25 en climas templados7.
La temperatura ambiente
En principio, la tecnología de la digestión
anaeróbica es factible en cualquier tipo de
condición climática. Sin embargo, se puede
afirmar que los costes de producción de biogás
aumentan a medida que la temperatura ambiente
disminuye. Esto se debe a que las bajas
temperaturas ralentizan los procesos
bacteriológicos, por lo que será necesario un
mayor tiempo de retención y consecuentemente
depósitos de mayor tamaño. También existe la posibilidad de calentar los depósitos, pero
la tecnología requerida para esto no es accesible ni recomendable para zonas rurales de
países en vías de desarrollo.
Los digestores que no cuentan con sistema de calentamiento, y no se encuentran
especialmente bien aislados, deberían instalarse en zonas en las que la temperatura
media es de 15 ºC o superior. A continuación se muestran sombreadas las zonas del
Mundo en las que la instalación de digestores de este tipo es más recomendable:
7 Dato tomado del “Compendio de Sistemas y Tecnologías de Saneamiento”de la Cooperación Suiza (COSUDE), página 75. http://www.alianzaporelagua.org/Compendio/