Introducción

En los próximos años el suministro de combustibles fósiles será escaso y costoso¹, entonces es necesaria la búsqueda de energía sostenible alternativa, como la generación de biocombustibles (BC)². El uso de BC, es una demanda creciente para el transporte³, permite sustituir el combustible diésel procedente del petróleo⁴. La sostenibilidad de BC de primera generación como el etanol y biodiesel han recibido fuertes críticas ya que pondrían en peligro la seguridad alimentaria⁵. En consecuencia, la generación de biogás ha aumentado, habiéndose desarrollado diversos procesos de tratamiento seguros y eficaces^6-8, siendo importante la obtención de biogás a partir de lodos de aguas residuales (AR)⁹, lodos de fábrica de cerveza¹⁰, estiércol de ganado^7,11, que a través de un proceso de digestión anaeróbica (DA) producen metano, el cual puede ser transformado en energía limpia, siendo una solución al problema de contaminación del agua y emisión de gases de efecto invernadero (GEI)¹². Dicha DA puede darse a través de biodigestores anaeróbicos de una sola fase, en esté todas las etapas de la DA (hidrólisis, citogénesis, acidogénesis y metanogénesis), se llevan a cabo en un ambiente, pero requieren un control estricto del pH¹². Produciéndose en él biogás, además de metano, dióxido de carbono, nitrógeno, hidrógeno, sulfuro de hidrógeno y oxígeno⁶.

Para analizar si el biogás producto de la DA de lodos, una alternativa viable de generación de energía, es necesario determinar la cantidad de metano producido, ya que diversos estudios han señalado que la concentración mínima de metano, debería contener entre 55 a 78 % y, para alcanzar esta concentración óptima, la temperatura requerida debe estar entre 30 a 60 °C y su relación C/N 25 a 35^6,11,13.

Las lagunas de estabilización (LE) son tecnologías ampliamente utilizadas para el tratamiento de AR en América Latina, principalmente por su bajo costo de construcción y operación. Sin embargo, la mayoría de las veces representan un problema ambiental y social, por la acumulación de lodos, éstos pueden ser utilizados en la generación de biogás, siendo una fuente de energía alternativa que no tiene limitaciones geográficas ni tecnológicas¹⁴. Por ejemplo, en México se genera alrededor de 640 000 t anuales de lodos residuales (LR), que pueden ser utilizados en la producción de energía⁹.

Investigaciones sobre la obtención de metano a partir del pretratamiento de pasto ensilado y alcalino en biodigestores, registraron 0.6 y 11.2 % de metano en el biogás producido, mientras que con hierba cruda ensilada en el biodigestor y pH alcalino registrando de 6.5 a 11.3 % de metano¹⁰, también en el proceso de lixiviados frescos y AR domésticas, durante 90 días, los resultados reportaron una producción de biogás¹⁵. El sistema de DA con biodigestores incluye procesos de hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis. Por tanto, el proceso de digestión depende de la interacción de temperatura, pH, nutrientes, condiciones de operación y el tipo de biodigestor¹⁶.

Por otra parte, la DA, es un proceso bioquímico que consiste en la degradación de materia orgánica (MO) provenientes de AR¹⁷, asimismo, la co-digestión de lodos de AR es una estrategia para optimizar la digestión de los LR, en condiciones mesofílicas (35 °C) usando biodigestores por lotes, para obtener la máxima producción de metano¹⁸. El control, uso del metano requieren estimar, con una certidumbre razonable, la producción diaria y acumulativa¹⁹, siendo importante el control del pH alrededor de 7, temperatura promedio de 40 ºC²⁰, a través del uso de biodigestores experimentales a escala de laboratorio, que utiliza lodos provenientes de lagunas de tratamiento del AR²¹.

Los residuos sólidos urbanos presentan un alto problema ambiental, sin embargo, pueden obtenerse y aprovecharse para la generación de metano²², a través de un proceso de DA, el material biodegradado genera gases como el dióxido de carbono y el metano. La intensidad y duración del proceso anaerobio varían dependiendo de diversos factores: la temperatura, el pH del sustrato biodegradado, en promedio se puede obtener 17.33 L/d de biogás y 53 % de metano²³, evitando la acumulación de los residuos sólidos y emisiones de GEI como el metano (CH₄), dióxido de carbono (CO₂)²⁴, también se puede obtener biogás utilizando un biodigestor anaerobio doméstico a partir de la generación de residuos orgánicos domiciliarias en zonas urbanas y rurales^25,26, que principalmente contengan residuos como vísceras, sangre y heces que son ricos en sustratos esenciales los que producen biocombustible generando hasta 87 % de metano en 28 días de incubación²⁷.

La región de Puno se ubica a los 3812 msnm, el mes con temperatura más alta es noviembre (16.8 °C), la temperatura más baja se registra en julio (-1.3 °C), una limitante para la aplicación de tecnologías que dependen de la temperatura, para la generación de metano. Las AR se tratan a través de LE, que tienen acumulados altos volúmenes de LR, actualmente un recurso sin utilizar. Esta acumulación ha ocasionado que el tiempo de retención de las AR sea menor, en consecuencia, es bajo o nulo su tratamiento. Por otra parte, es frecuente la generación de olores desagradables que afectan a la salud de la población circundante. Entonces, una alternativa de solución a estos problemas, es la generación de metano a partir de estos LR con el uso de biodigestores adaptados a estas condiciones de clima.

Los objetivos de esta investigación fueron: i) Diseñar un biodigestor anaerobio para la generación de metano y ii) Evaluar la cantidad de metano contenido en el biogás generado por LR de las tres lagunas de estabilización de AR.

Materiales y métodos

Los biodigestores se instalaron en el laboratorio de Ecología de la Facultad de Ciencias Biológicas de la Universidad Nacional del Altiplano.

Diseño de los biodigestores. Se diseñó tres biodigestores, tipo incubadora de madera cuya área de la base fue 50 x 50 cm², siendo la altura de 60 cm, cuyo espacio interior aislado térmicamente con poliestireno cubierta de triplay. En su recinto interior se colocó un tanque biodigestor consistente en un bidón cilíndrico de polietileno con capacidad de 16 L en el espacio de 2/3 de bidón se utiliza para la biodegradación de lodos en condiciones anaeróbicas¹⁷, el volumen restante sirvió para almacenar el biogás, un agitador manual, llaves de paso, un sensor de pH, sistema de homogenización, para lo cual se construyó un agitador de alambre galvanizado de forma mariposa con soporte de aluminio, finalmente el tanque de biodigestor cerrado herméticamente para generar un sistema estrictamente anaeróbico^9,12. Luego fue colocado en la caja tipo incubadora, calefaccionados e iluminados por dos focos de 25 watts c/u, a temperatura termofílica en el rango de 50 a 60 °C controlado por un termistor TC-1000, humedad relativa del ambiente instalado varía entre 44 a 60 %. A cada biodigestor se le insertó una manguera de gas para facilitar el registro de la concentración de metano durante la DA. Se realizó tres pruebas de 33 días de tiempo de retención cada uno (Figura 1).

Figura 1 Esquema del biodigestor diseñado para el proceso de digestión anaeróbico de los LR 

Colección y caracterización de LR. De las LE que se encuentran en las ciudades de Puno, Juliaca e Ilave, se obtuvo las muestras de lodo. La LE Espinar de Puno tiene 23 ha, la LE Challacollo, de Ilave tiene 21 ha y la LE Chilla de Juliaca tiene 30 ha. Los muestreos y los procesos de DA en los biodigestores se realizaron en febrero (primer muestreo), mayo (segundo muestreo) y julio (tercer muestreo) del 2018 (Tabla 1).

La recolección de muestras de LR se realizó entre las 06:00-08:00 h en las tres LE simultáneamente, utilizando implementos de seguridad personal. En cada laguna, se tuvo cuatro puntos de muestreo: i) en la entrada, ii) en la salida y iii) dos laterales. Las muestras se recolectaron con una pala a 1 m de distancia del borde de la orilla y a una profundidad de 0.30 a 1.20 m. Se recolectó 3 L de LR en cada punto de muestreo, originando 12 L de muestra compuesta, 11 L se utilizaron para cargar los biodigestores y 1 L fue enviado al laboratorio para el análisis fisicoquímico. En la muestra compuesta de cada laguna, se registró in situ una temperatura en el rango de 7 a 11 °C (siendo mayor en febrero y menor en julio) y pH entre 6.5 y 7.0 (básico cercano a neutro) utilizando el equipo SparkLab.

Medición del biogás. Para mantener las condiciones de DA, se monitoreó la temperatura (rango de medida -35 a 135 °C, resolución 0.01 °C), pH (rango de medida 0 a 14 pH, resolución 0.001), con el equipo digital SparkLab. El biogás generado se midió con un Biogas Analyzer IRCD4 serie M18814014, que mide CH₄ (rango de medida 0 a 100 %, precisión±3 %) y CO₂ (rango de medida 0 a 100 %, precisión ±3 %). Para homogenizar la mezcla compuesta en la cámara de fermentación se realizó la operación de agitación manual, 30 min antes de registrar los datos, no se pudo registrar la carga microbiana, debido a que nuestro principal objetivo fue determinar las concentraciones de metano.

Análisis estadístico. Para comparar el porcentaje de metano generado a partir de los LR de las tres lagunas de estabilización, se aplicó la prueba no paramétrica de Kruskal Wallis, ya que los datos no cumplieron con los supuestos de normalidad y homogeneidad de varianzas. Además, se aplicó una prueba de regresión para determinar la relación entre porcentaje de metano y tiempo (días). Los análisis se realizaron en el programa INFOSTAT versión 2018, con licencia de uso E001-280.

Resultados

Características de los LR. La concentración de fósforo varió de 0.24 a 1.68 %, potasio de 0.15 a 3.48 %, MO de 21.00 a 51.10 %, carbono de 12.17 a 29.60 %, nitrógeno de 1.44 a 6.77 % y la relación C/N alcanzó hasta 12.67 (Tabla 2).

Generación de metano. A partir de los LR, provenientes de las LE Juliaca, se obtuvo 29.21 % en promedio de metano, Ilave 11.45 % y de Puno 25.78 % (Figura 2).

No se encontró diferencias significativas de la generación de metano entre los LR de las tres LE (H =3084.34, P =0.0001). El comportamiento de la generación de metano en las tres LE, tuvieron diferentes coeficientes de regresión en relación al registro de datos con relación al tiempo (días). Por ejemplo, para Puno, se determinó un r²= 0.71, a= 30.41, b= -0.28, para un total de 1395 registros de datos de generación de metano (%), para Juliaca r²= 0.62, a= 27.79, b= 0.38, para un total de 1479 datos y finalmente para Ilave r²= 0.06, a= 13.08, b= -0.10 para un total de 1411 datos (Figura 3 y Tabla 3).

Figura 2 Porcentaje de Metano generado a partir de los LR provenientes de las lagunas de estabilización de Puno, Juliaca e Ilave, a través de un proceso de digestión anaeróbica en biodigestores termofílicos n= 4285 

Discusión

Diseño del biodigestor. Los tres biodigestores, son el resultado de tres ensayos, los dos diseños anteriores, tuvieron fallas con el control de temperatura, pH y metano. El tercer diseño de biodigestor, funciona adecuadamente en condiciones de 3812 msnm, sin embargo, para incrementar el porcentaje de metano en el biogás, es importante controlar el pH, temperatura que no debe exceder 60 °C, realizar un proceso de co-digestión con otros materiales como: estiércol de ganado porcino, vacuno y camélidos sudamericanos. El costo económico de la construcción de cada biodigestor fue alrededor de 180 US$.

Los diseños que se hicieron, están en base a la información existente de biodigestores anaerobios de fase completa (hidrólisis, acetogénesis y metanogénesis) y otras que pueden modificarse de acuerdo al volumen de tratamiento de la biomasa¹².

Caracterización de LR. Las LE dé AR, presentan diversas composiciones de MO, principal insumo para la generación de metano fluctúa para Puno desde 22.60 a 51.10 %, Juliaca de 21.0 a 43.90 % e Ilave de 23.16 a 35.20 %. Son las plantas de tratamiento de AR, la materia prima para generar metano de las LE de Puno, Juliaca e Ilave. Esta forma de energía, permitiría en un futuro disminuir el uso de combustibles fósiles¹, es importante que LR acumulados en las LE puedan ser transformados en metano, por tanto, estas infraestructuras son una fuente principal para la generación de energía renovable (ER) segura y eficaz^6-8. El metano, que se pueda obtener de las LE, sean utilizadas como fuente de energía^9,14, por la disponibilidad de LR en las LE y/o plantas de tratamiento de AR de la región de Puno, utilizando una tecnología de bajo costo como la DA.

Sin embargo, los LR que se obtuvieron en las lagunas en estudio estuvieron por debajo de los parámetros recomendados de C/N no alcanzando los parámetros de la relación C/N, que son entre 25 y 35⁶, además, para una mayor producción de metano se podría adicionar con desechos de ganado vacuno y algas tras un proceso de co-digestión anaerobia²⁸.

Generación de metano a partir de LR. La baja generación de metano registrado hasta un máximo de 29 %, no permite obtener una buena calidad de metano para la producción de energía, comprendida en un rango de 55 a 75 %⁷, no obstante, a través de un proceso de co-digestión, se puede incrementar el porcentaje en la generación de metano⁸.

Figura 3 Variación de Metano (%) en relación a 33 días de monitoreo en biodigestores termofílicos de lodos de lagunas de estabilización de Puno (a), Juliaca (b) e Ilave (c) 

Respecto a la LE dé Juliaca, ésta posee mayor porcentaje de generación, por presentar mayor cantidad de MO, que las lagunas de Puno e Ilave, esta diferencia es probable que esté relacionada por el mayor número de habitantes que generan AR, asimismo, la influencia del tiempo (días), es importante, por ejemplo, para la LE de Puno entre los primeros 5 días se obtuvo 32.09 % de metano y disminuyó hasta el día 33 a 22.6 %, con una variación mínima de 13.2 hasta 32.5 % de metano. Para Juliaca entre los primeros 5 días se inicia con 29.9 % de metano registrando un incrementando hasta el día 33 con 36.7 %, con una variación mínima de 21.8 % y máxima de 36.7 % de metano. Finalmente, Ilave entre los primeros 5 días se inicia con 14.5 % de metano, registrando una disminución hasta el día 33 con 6.9 % de metano, con una variación mínima de 5.0 hasta 17.7 % de metano. Estas variaciones están relacionadas con la cantidad de MO que posee cada LE. Sin embargo, otros autores registran hasta 85 % de metano en los primeros de 15 a 18 días, con un rango de pH 5.5 a 8.5, temperatura de 30-60 °C y relación C/N entre 25 y 35⁶, estos registros están muy por debajo de los porcentajes hallados en la investigación de las LE de Puno, Juliaca e Ilave, existen diversas posibilidades para incrementar el porcentaje de metano, como: co-digestión de estiércol de vacuno, lodo de la fábrica de cerveza, incremento de amoniaco^6,7,13, entre los 15 a 30 días, el estiércol de ganado vacuno, genera un mayor porcentaje de metano¹¹, con gramíneas se logra hasta un 76.5 % de metano, con forrajes podemos generar más metano²⁹.

La construcción de los biodigestores para esta investigación, fue adecuada en su diseño y funcionamiento, la limitación en la generación de metano fue la cantidad de MO en los LR. Como recomiendan otros autores, los biodigestores, estuvieron controlados a una temperatura de 50 °C, a 60 °C³⁰. Sin embargo, en otros estudios también obtuvieron registros bajos de 0.6 a 11.2 % de metano a partir del pretratamiento de pasto ensilado¹⁰, también con AR domésticas en 90 días, la producción de biogás fue insignificante¹⁵. Comparativamente en nuestra investigación, se logró obtener hasta 37 % de metano, debido al incremento de MO, considerado como un proceso de co-digestión. Lo innovador en la investigación fue diseñar y construir un biodigestor para la producción de metano, que posteriormente se pueda convertir en generador de ER. En el biodigestor, es importante controlar los procesos de hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis y estas están relacionadas con la temperatura, pH, nutrientes, condiciones de operación³¹.

Los resultados de esta investigación, se pueden aplicar para disminuir la emisión total de GEI en el futuro³¹, ya que en los biodigestores se eliminan o se convierten los contaminantes en alternativas de energía viable. Esta eliminación es a través de sistemas anaeróbicos y aeróbicos con control de temperatura y pH³². Es la razón principal que impulsa a muchos países en desarrollo a buscar tecnologías de conversión de desechos en energía, que eliminan al mismo tiempo la acumulación de grandes cantidades de residuos, por lo tanto, muchos países buscan tecnologías modernas para convertir los desperdicios generados en energía³³, también los restos agrícolas tienen un enorme potencial en forma de recuperación de energía y nutrientes³⁴. Finalmente, el aprovechamiento de los LR de las plantas de tratamiento, LE, residuos sólidos, tienen la posibilidad de generar energía como los combustibles alternativos, por ejemplo, metano³⁵.

En la mayoría de las ciudades, existe un inadecuado manejo de LR, que finalmente ingresan a los ríos, lagos y lagunas, degradando sus ecosistemas. Entonces una alternativa viable es tratar dichos lodos a través del proceso de DA¹⁷, obteniendo como energía limpia metano. En el estudio el control del pH tuvo limitaciones, solo se controló al inicio y al final del proceso, sin embargo, es fundamental monitorear el pH en forma permanente a través de mecanismos de inducción anaeróbico²⁰. El aprovechamiento de residuos orgánicos y obtener biocombustible, es una alternativa viable para disminuir la acumulación de los residuos sólidos y emisiones de GEI como el metano CH₄, dióxido de carbono CO₂²⁴.

La DA, usada para los desechos orgánicos de los restaurantes, también genera biogás a través de biodigestor anaeróbico de 200 L durante 240 días, con pH entre 4.8 a 6.3 y el rendimiento del biogás fue de 0.22 m³/kg³⁶, las comparaciones con la investigación realizada, fueron menores en tamaño del biodigestor y tiempo de retención, esta situación es probable que haya afectado en una menor generación de metano. Pero, también es importante para incrementar la generación de metano ensayar con proceso de DA de estiércol de porcino, considerando la relación C/N ya que esta relación es fundamental para el desarrollo microbiano y para la estabilización de la MO³⁷, adicionalmente se puede seguir investigando el proceso de DA con estiércol de aves de corral, desperdicios de cebolla, que permitan aumentar la relación C/N³⁸

Se esperaba obtener entre 50 a 80 % de metano en los biodigestores diseñados, una de las limitaciones importantes fue el bajo contenido de MO que registraban las tres LE, una alternativa, es continuar con investigaciones a través de un proceso de DA que permitan incrementar el porcentaje de metano para convertir en energía útil.