PLAN DE TESIS DE GRADO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTROMECÁNICA 1. TÍTULO DEL PROYECTO “DISEÑO
DE UN BIODIGESTOR PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES Y PRODUCCIÓN DE BIOGÁS PARA SU APROVECHAMIENTO EN EL NUEVO CAMPUS DE LA ESPE EXTENSIÓN LATACUNGA.”
2. UNIDAD RESPONSABLE Carrera de Ingeniería Electromecánica 3. RESPONSABLE DEL PROYECTO
Juan Carlos Almeida Oñate.
4. COLABORADORES CIENTÍFICOS
Ing. Pablo Mena (ESPE-Latacunga) Ing. Oscar Arteaga (ESPE-Latacunga)
5. ÁREA DE INFLUENCIA
Área Medioambiental Sector Agroindustrial ESPE Extensión Latacunga.
6. ANTECEDENTES La disposición de de las aguas residuales domésticas, industriales y/o agrícolas agrícolas se ha convertido en los últimos años en un problema serio, que ha repercutido directamente en el medio ambiente, ocasionando problemas graves de contaminación, especialmente en países como el nuestro, en vías de desarrollo. Las aguas residuales son normalmente vertidas a ríos y quebradas, sin recibir un adecuado tratamiento. En la actualidad dichos cuerpos de agua, principalmente ríos han reducido notablemente su capacidad de dilución
debido a muchos factores, relacionados principalmente con la carencia del recurso hídrico "agua", y están contaminados. Los sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas, industriales o agrícolas tienen como objetivo principal el reducir las características indeseables y contaminantes, de manera tal que el uso o disposición final de estas aguas, cumpla con las normas y requisitos mínimos definidos por las autoridades sanitarias y del medio ambiente de un determinado país o región. En los últimos años el desarrollo de sistemas de tratamiento anaerobio de las aguas residuales domésticas, resultó en un mejoramiento notable de su desempeño siendo además estos sistemas cada vez más aceptados. El nuevo campus contará con sistema de filtros verdes para el tratamiento de aguas servidas en el cual al material orgánico no se le dará ningún uso adicional, pudiendo ser éste de gran utilidad para la generación de biogás así como de fertilizantes orgánicos. Una solución a este problema es la implementación de energías limpias, en este caso de un biodigestor el cual mediante la producción de biogás ayudará ya sea para su aprovechamiento inmediato evitando así el consumo de GLP o su posterior uso en diferentes aplicaciones. 7. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Debido a los altos niveles de contaminación ambiental en los últimos tiempos por la utilización de combustibles fósiles, se da la necesidad de empezar a utilizar cada vez más las energías no convencionales como una alternativa viable para la generación de energía limpia aprovechando los recursos naturales disponibles. La Escuela Politécnica del Ejército se encuentra comprometida con el apoyo a la difusión de tecnologías alternativas que ayuden a la conservación del medio ambiente. Debido a lo expuesto, la Escuela Politécnica ha emprendido varios proyectos con el afán de ser pionera en la generación de energía limpia aprovechando los recursos naturales que posee. DESCRIPCIÓN RESUMIDA DEL PROYECTO El biodigestor propuesto se lo implementará con el objetivo de producir biogás, además de tratar las aguas residuales. El proceso de manera general se
compone de un biodigestor a donde llegan las aguas residuales, aquí se generan dos corrientes principales: Una de gas que se envía al sistema de manejo de gases para su limpieza y contabilización en el medidor termal y de ahí se envía al quemador o al moto generador, de este podemos obtener calor y energía, el calor puede ser usado para calentar el biodigestor y la energía aprovechada internamente o ser transportada para que se use donde se la necesite. La segunda corriente es la del agua que sale del biodigestor que puede ya ser usada como recomendación en cultivos de talle largo, o tratada para su posterior descarga al rio. Los lodos, que son mínimos, que se recuperaran del biodigestor cada tres o cuatro años pueden ser usados como mejorador del suelo o fertilizante, o ser dispuestos en campo a reforestar porque van generando una capa orgánica en el piso. 8. JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA Debido a la necesidad de contar con un sistema de tratamiento de aguas servidas para la Escuela Politécnica del Ejército extensión Latacunga se propone la construcción de un biodigestor que además de cumplir con el objetivo principal que es el tratamiento de aguas servidas, permite la obtención de biogás el cual puede ser usado para la generación de energía eléctrica o en su defecto para su almacenamiento y posterior uso. Los beneficios son varios, tanto económicos como de ayuda a la conservación del medio ambiente, además de poner en la mira a la Escuela Politécnica del Ejército como pionera en el país en la utilización de energías no convencionales. 9. PROYECTOS RELACIONADOS “GENERACIÓN
DE GAS METANO A PARTIR DE DESECHOS ORGÁNICOS Y APLICACIÓN EN UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA PARA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA” Autores: Diego Andrés Calero Torres Christian Ramiro Nacimba Tipán
10. OBJETIVOS GENERALES Y ESPECÍFICOS OBJETIVO GENERAL Diseñar un biodigestor para la Escuela Politécnica del Ejército que permita tratar las aguas residuales y obtener biogás. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Recopilar el sustento teórico necesario para el desarrollo del proyecto. Dimensionar el biodigestor de acuerdo con los datos existentes en la ESPE. Tratar las aguas residuales que entran al biodigestor. Diseñar el sistema de extracción de lodos. Diseñar el sistema de colección de biogás. Diseñar el sistema de manejo de biogás. Diseñar la línea de conducción del biogás.
11. METAS
Información necesaria para la ejecución del proyecto al final de la cuarta semana. Dimensionar el biodigestor durante el primer trimestre. Diseñar el sistema para tratamiento de aguas residuales en el cuarto mes. Diseñar los sistemas de extracción de lodos, colección, manejo y conducción de biogás durante el quinto y sexto mes.
12. HIPÓTESIS: Mediante la implementación de un biodigestor se puede lograr la producción de biogás, además de tratar las aguas residuales. 13. VARIABLES DE LA INVESTIGACIÓN: VARIABLES INDEPENDIENTES: Biodigestor.
VARIABLES DEPENDIENTES:
Producción de biogás.
14. MARCO TEÓRICO
DISEÑO DE UN BIODIGESTOR PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS SERVIDAS Y PRODUCCIÓN DE BOGAS 1. BIODIGESTOR. 2. BIOGAS. 1. BIODIGESTOR Un biodigestor en su forma más sencilla es un contenedor hermético, sellado e impermeable en el cual se deposita el material orgánico a fermentar en determinada dilución de agua para que a través de la fermentación anaerobia se produzca gas metano y fertilizantes orgánicos.
El esquema superior es un dibujo del perfil de un biodigestor para tener una idea básica de su concepto. A: Tubería de entrada del biodigestor. B: Tubería de salida del biodigestor C: Tanque donde se va a digerir la mezcla de agua y estiércol. D: Cámara de colección de gas. E: Tubería de salida del gas. F: Recipiente de entrada para la carga G: Recipiente de recolección de Biol. Este sistema también puede incluir una cámara de carga y nivelación del agua residual antes del reactor, un dispositivo para captar y almacenar el biogás y cámaras de presión hidrostática y pos tratamiento (filtro y piedras, de algas, secado, entre otros) a la salida del reactor. Hay muchos tipos de plantas de biogás pero los más comunes son el domo flotante y el domo fijo, los cuales serán descritos a continuación. La baja aceptación de muchos de estos biodigestores ha sido principalmente debida a los costos altos, la dificultad de instalación y problemas en la consecución de las partes y repuestos.
Principales Biodigestores existentes: • Biodigestor de domo flotante. • Biodigestor de domo fijo. • Biodigestor de estructura flexible. • Biodigestor flotante. • Biodigestor con tanque de almacenamiento tradicional y cúpula de polietileno. • Biodigestores de alta velocidad o flujo inducido. • Instalaciones industriales de biodigestión. Por importancia y simplicidad se detallarán solo algunos modelos de biodigestores. Biodigestor del domo flotante (India) Este biodigestor consiste en un tambor, originalmente hecho de acero pero después reemplazado por fibra de vidrio reforzado en plástico (FRP) para superar el problema de corrosión. Normalmente se construye la pared del reactor y fondo de ladrillo, aunque a veces se usa refuerzo en hormigón. Se entrampa el gas producido bajo una tapa flotante que sube y se cae en una guía central. La presión del gas disponible normalmente varía entre 4 a 8 cm. de columna de agua. El reactor se alimenta semi-continuamente a través de una tubería de entrada. Este modelo se observa en la siguiente figura.
Figura 1: Esquema biodigestor de domo flotante. Biodigestor de domo fijo (China)
Consiste en una firme cámara de gas construida de ladrillos, piedra u hormigón. La tapa y la base son semiesferas y son unidos por lados rectos. La superficie interior es sellada por muchas capas delgadas para hacerlo firme. Hay un tapón de inspección en la cima del digestor que facilita el limpiado. Se guarda el gas producido durante la digestión bajo el domo con presiones entre 1[m] y 1.5 [m] de columna de agua. Esto crea fuerzas estructurales bastante altas y es la razón para la forma semiesférica. Se necesitan materiales de alta calidad y recursos humanos costosos para construir este tipo de biodigestor. Más de cinco millones de biodigestores se han construido en China y ha estado funcionando correctamente pero, la tecnología no ha sido popular fuera de China.
Figura 2: Esquema biodigestor de domo fijo. Biodigestor con tanque de almacenamiento tradicional y cúpula de polietileno Otro tipo de planta de producción de biogás que ha logrado disminuir los costos hasta 30% con respecto a los prototipos tradicionales, es la que se caracteriza por tener una estructura semiesférica de polietileno de película delgada en sustitución de la campana móvil y la cúpula fija y un tanque de almacenamiento de piedra y ladrillo como los empleados en los prototipos tradicionales. Este tipo de instalación posee a su favor que resulta más económica que los sistemas tradicionales; por ejemplo, una instalación de 4 m3 puede costar,
aproximadamente, $550 USD y la estructura de polietileno flexible puede llegar a alcanzar hasta diez años de vida útil. Instalaciones industriales de biodigestión Las instalaciones industriales de producción de biogás emplean tanques de metal que sirven para almacenar la materia orgánica y el biogás por separado. Este tipo de planta, debido al gran volumen de materia orgánica que necesita para garantizar la producción de biogás y la cantidad de biofertilizante que se obtiene, se diseña con grandes estanques de recolección y almacenamiento construidos de ladrillo u hormigón. Con el objetivo de lograr su mejor funcionamiento se usan sistemas de bombeo para mover el material orgánico de los estanques de recolección hacia los biodigestores y el biofertilizante de los digestores hacia los tanques de almacenamiento. También se utilizan sistemas de compresión en los tanques de almacenamiento de biogás con el objetivo de lograr que éste llegue hasta el último consumidor. Para evitar los malos olores se usan filtros que separan el gas sulfhídrico del biogás, además de utilizarse válvulas de corte y seguridad y tuberías para unir todo el sistema y hacerlo funcionar según las normas para este tipo de instalación. La tendencia mundial en el desarrollo de los biodigestores es lograr disminuir los costos y aumentar la vida útil de estas instalaciones, con el objetivo de llegar a la mayor cantidad de usuarios de esta tecnología. 2. BIOGÁS. El biogás es un producto del metabolismo de ciertas bacterias que participan en la descomposición de tejidos orgánicos en ambiente húmedo y carente de oxígeno. A su vez, durante el proceso de descomposición, algunos compuestos orgánicos son transformados a minerales, los cuales pueden ser utilizados fácilmente como fertilizantes para los cultivos. Composición del Biogás El biogás lo constituye una mezcla de gases y su composición (Tabla 1) depende del tipo de residuo orgánico utilizado para su producción y de las condiciones en que se procesa. La mezcla debe purificarse, si va a ser utilizada como combustible en motores de explosión. Se eliminan: El gas carbónico haciendo burbujear el biogás a través de agua, el ácido sulfhídrico haciéndolo burbujear a través de una
solución de soda cáustica en agua que contiene sulfato de cobre disuelto o pasándolo por una trampa de limadura de hierro (esponjilla de alambre), o con la introducción de pequeñas cantidades de aire (3% a 5% del volumen del depósito del biogás) reduciendo así hasta en un 95% el ácido sulfhídrico producido. La humedad se elimina circulando el biogás entre cloruro de calcio o silica gel.
COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL BIOGÁS Componentes Fórmula Química Porcentaje Metano CH4 60-70 Gas Carbónico CO2 30-40 Hidrógeno H2 1.0 Nitrógeno N2 0.5 Monóxido de carbono CO 0.1 Oxígeno O2 0.1 cido Sulfhídrico H2S 0.1 Fuente: Adaptado del Instituto de Investigaciones Eléctricas de México. 15. METODOLOGÍA DE DESARROLLO DEL PROYECTO Para la elaboración de este proyecto se realizará una investigación de tipo Bibliográfica/Documental, de donde se obtendrá y analizará la información de diversos tipos de documentos técnicos, tesis, libros, revistas, papers, enlaces electrónicos, etc., para conocer los fundamentos teóricos del diseño de un biodigestor, así como de biodigestores existentes para su respetivo análisis, sus componentes y funcionamiento, además sobre la producción de biogás para la generación de energía eléctrica. Se empleará un método inductivo-deductivo, para buscar y seleccionar la mejor alternativa de diseño del biodigestor, dependiendo de un análisis costobeneficio. 16. PLAN ANALÍTICO CAPÍTULO I 1. MARCO TEÓRICO 1.1. TECNOLOGIA DE PRODUCCION DE BIOGAS
1.2. BIOGAS 1.3. BIODIGESTORES CAPÍTULO II 2. DISEÑO DE LA PLANTA DE BIOGAS 2.1. PARAMETROS DE DISEÑO 2.2. ESPECIFICACIONES TECNICAS 2.3. DIMENSIONAMIENTO DEL BIODIGESTOR 2.4. DISEÑO Y/O SELECCIÓN DE COMPONENTES CAPÍTULO III 3. APROVECHAMIENTO DEL BIOGAS 3.1. PARÁMETROS NECESARIOS PARA EL APROVECHAMIENTO DEL BIOGAS 3.2. ALMACENAMIENTO DEL BIOGAS CAPÍTULO IV 4. ANÁLISIS FINANCIERO DE COSTOS. 4.1. COSTO DEL PROYECTO. 4.2. RENTABILIDAD DEL PROYECTO. CAPÍTULO V 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 6.1 CONCLUSIONES 6.2. RECOMENDACIONES
17. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES MESES Y SEMANAS CONTENIDO/TIEMPOS
ENERO 1 2 3 4
FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
Recopilación de Información Dimensionar el biodigestor
Tratar las aguas residuales Diseñar los sistemas de extracción de lodos, colección, manejo y conducción de biogás Elaboración del manual Preparación del trabajo escrito Finalización del proyecto
18. PRESUPUESTO: FINANCIAMIENTO Los gastos estarán a cargo del investigador DESCRIPCIÓN
COSTO ($)
Consultoría
300
Transporte
100
Alimentación
200
Suministros y Papelería
300
Gastos Varios
100 TOTAL
1.000
19. BIBLIOGRAFÍA Y ENLACE :
MONCAYO, G., ROMERO. Dimensionamiento, diseño y construcción de biodigestores y plantas de biogás. Aqualimpia Beratende Ingenieure, 2008. Fernández, Polanco, F; García Peña, A; Hernández, S. “ Depuración Anaeróbia de aguas residuales ”. Valladolid; Universidad de Valladolid,
Pág. 322; 1998.
Guardado Chacón, J. A. “ Diseño, Construcción, Operación y Mantenimiento de Pequeñas Plantas de Biogás ”. Curso Postgrado.
UNAICC. Villa Clara. 2000.
TANIA DEL CARMEN BETETA HERRERA, Construcciones y uso de biodigestores tubulares plásticos, 2008.
20. DURACIÓN DEL PROYECTO: Seis meses aproximadamente a partir de la aprobación del proyecto. 21. FECHA DE INICIACIÓN: A partir de la aprobación del proyecto. 22. FECHA DE PRESENTACIÓN DEL PROYECTO: Enero del 2012.
FIRMA DE COLABORADORES CIENTÍFICOS:
Ing. Pablo Mena DIRECTOR
FIRMA DEL EJECUTOR DEL PROYECTO:
Sr. Juan Almeida CI: 180415956-2
Ing. Oscar Arteaga CODIRECTOR
