Articulo Cientifico

“Caracterización de un biodigestor tubular unifamiliar y estudio de los beneficios socioeconómicos de sus productos” Robert Franklin Cotrina Lezama1 Alonso Vela Ahumada2

RESÚMEN La tecnología de biodigestores tubulares unifamiliares efectúa el tratamiento de residuos orgánicos, principalmente estiércol, para transformarlo en energía limpia para la cocción de alimentos y fertilizante orgánico para los cultivos; es por eso que la presente investigación propone a esta tecnología como alternativa para mejorar la calidad de vida de pobladores de zonas rurales altoaninas, siendo los objetivos principales: a) Evaluar las características de un biodigestor tubular para su adaptación a la región Cajamarca, b) Evaluar la calidad y cantidad de los productos del biodigestor (biogás y biol) y c) Determinar los beneficios socioeconómicos que brinda la tecnología a los propietarios de los sistemas en campo. La investigación nos ha llevado a diseñar un sistema con características que se adecúen mejor al clima altoandino, es necesario que el biodigestor cuente con un techo invernadero para aumentar la temperatura interior, además se ha determinado que el tamaño ideal para un sistema unifamiliar es de 10 m3 para el cual se necesita una carga diaria de 20 Kg de estiércol + 60 litros de agua. En la caracterización del biogás se ha determinado que la producción promedio es de 300 litros diarios en y la calidad del biogás es buena al tener una concentración de metano (CH4) de 62%, Acido sulfhídrico (H2S) de 0.19%, dióxido de carbono (CO2) de 34% y otros gases 3.81% lo cual está dentro de los límites permisibles. Para evaluar el beneficio del biol en los cultivos se ha experimentado un ensayo con el cultivo de papa variedad Canchán en donde se han aplicado cuatro tratamientos: t1=Testigo, t2=biol, t3=Estiércol y t4=biol + estiércol; los cuales nos han dado resultados de producción de 19 820.00 kg.ha-1, 25 273.00 kg.ha-1, 22 820.00 kg.ha-1 y 21 870.00 kg.ha-1 respectivamente. Finalmente el resultando más importante se ha dado en los beneficios que el biodigestor brinda a las familias beneficiarias en campo como ahorro de leña en 50%, ayuda en la salud de mujeres y niños por la disminución del humo en las cocinas e incremento de la producción de cultivos. En conclusión se ha demostrado que la tecnología es apropiada para nuestra región y nuestro país. Se recomienda continuar con investigaciones científicas en esta tecnología para perfeccionarla y poder realizar proyectos masivos ya que la finalidad principal es lograr mitigar el cambio climático con energías renovables como esta. Palabras Clave: Biodigestor, biogás, biol, energías renovables, estiércol, digestión anaerobia.

ABSTRACT The detached tubular digesters technology makes the treatment of organic waste, mainly manure, transforming it into clean energy for cooking and organic fertilizer for crops, that is why this research proposes an alternative to this technology to improve the quality of life for residents of rural areas altoaninas, with the main objectives: a) evaluate the characteristics of a tubular digester to adapt to the Cajamarca region, b) Evaluate the quality and quantity of products (biogas and biol) biodigester c) Determining the economic benefits offered by technology to the owners of the systems in the field. 1 2

Bachiller en Agronomía, Universidad Nacional de Cajamarca. Profesor principal de la Universidad Nacional de Cajamarca.

The investigation has led us to design a system with features that best suit high Andean climate, we need to count on the digester roof to raise the temperature gases inside also has determined that the ideal size for a single family is 10 m3 for which you need a daily load of 20 kg of manure + 60 liters of water. In the characterization of biogas has determined that the average production is 300 liters per day in biogas and quality is good to have a concentration of methane (CH4) 62%, hydrogen sulfide (H2S) of 0.19% carbon dioxide (CO2) of 34% and 3.81% other gases which is within permissible limits. To evaluate the benefit of the crops biol has seen a test with the potato variety courts where four treatments were applied: T1 = Control, T2 = biol, t3 = t4 = biol Manure and manure +, which we production have yielded 19 kg ha-1 820.00, 25 273.00 kg ha-1, 22 820.00 and 21 kg ha-1 870.00 kg ha-1, respectively. Finally the most important outcome has been in the digester provides benefits to the beneficiary families in the field and save firewood by 50%, helps the health of women and children by the reduction of smoke in the kitchens and increased production crops. In conclusion it has been shown that the technology is appropriate for our region and our country. You should continue scientific research to perfect this technology and to carry out massive projects as the main purpose is to mitigate climate change with renewables like this.

INTRODUCCIÓN El Perú es un país con claros problemas y limitaciones para el acceso a la energía, especialmente en las zonas rurales pobres como las comunidades altoandinas de Cajamarca, donde no existe acceso a energía eléctrica ni a servicios básicos, además uno de los problemas resaltantes que tienen los pobladores rurales, es la escasa fuente de energía (leña) para cocinar sus alimentos. Hoy en día, en el mundo entero, se han desarrollado diferentes alternativas para solucionar estos problemas energéticos sin perjudicar el medio ambiente, siendo los biodigestores una de las tecnologías con un importante potencial para ser utilizado en zonas rurales cuyas actividades productivas estén relacionadas a la ganadería y agricultura como es el caso de la región Cajamarca. El biodigestor es un sistema en el cual interactúan tres componentes: “planta de biogás”, “producción animal” y “el cultivo de pastos”, estos elementos forman un ciclo natural, los animales aportan estiércol para la alimentación del biodigestor, éste produce fertilizante para el forraje el cual sirve de alimento para los animales y cada componente lleva beneficios directos al campesino y a su economía. En este ciclo natural. REVISIÓN DE LITERATURA ¿Qué es un Biodigestor Tubular? Un biodigestor es una estructura por medio de la cual se trata el estiércol recolectado. Este tratamiento se da por la acción de las bacterias anaerobias (presentes en ausencia de oxígeno), las cuales degradan o transforman la materia orgánica en biogás y fertilizante orgánico. Este tipo de estructuras están selladas herméticamente con una cubierta impermeable que permite capturar el biogás evitando fugas del mismo para su posterior uso como fuente energética (Filmtex, 2008). Tipos de Biodigestores Respecto al método de carga, se pueden distinguir 3 formas: Plantas batch: se llenan y luego se vacían completamente luego de un tiempo fijo. Plantas continuas: se alimentan y vacían de forma continua. Plantas semi-batch: se alimentan periódicamente.

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Los criterios típicos de diseño están relacionados con el espacio necesario, las estructuras existentes, la minimización del coste y la disponibilidad del sustrato (Spagnoletta, 2008). Composición del biogás El biogás lo constituyen una mezcla de gases producto de la descomposición de la materia orgánica en ausencia de oxigeno y su composición depende del tipo de residuo orgánico utilizado para su producción y de las condiciones en que se procesa (Botero y Preston, 1987). Composición del Biol y Biosol Como resultado de la fermentación anaeróbica de los residuos se obtiene un “fango” con alta calidad fertilizante. Este “fango” es separado en dos componentes: el componente líquido conocido como “Biol”, el cual representa la mayor parte y el componente sólido conocido como “Biosol”; Dependiendo de las características de los residuos a fermentar, se tiene que en promedio el “fango” saliente del Biodigestor representa aproximadamente entre el 85 – 90% de la materia entrante. De esto, aproximadamente el 90% corresponde al Biol y el 10% al Biosol (Aparcana, 2008).

MATERIALES Y MÉTODOS Ubicación del área de estudio. El trabajo de campo se ha desarrollado en los Centros poblados de Yanacancha y Chanta, en el distrito de La Encañada, provincia y región Cajamarca, en altitudes que oscilan entre los 3200 y 3700 msnm. Los experimentos y análisis de laboratorio se han realizado en la planta piloto de biodigestores ubicada en la Estación Experimental del INIA (Instituto Nacional de Innovación Agraria) en Baños del Inca, Cajamarca a 2600 msnm. Material Experimental Biol, Biogás, Cultivo de papa (Solanum tuberosum L.) variedad canchan. Dos biodigestores de geomembrana de PVC de 10 m3 en planta piloto, uno con techo invernadero tipo cúpula (D1) y otro con techo invernadero tipo una agua (D2), alimentados con estiércol vacuno y de cuyes. Otros materiales, equipos y herramientas Materiales y herramientas necesarios para la implementación de un biodigestor tubular de geomembrana. Equipos necesarios para las mediciones de Biogás y Biol: METODOLOGÍA Caracterización de Biodigestores Tubulares Unifamiliares. Para la caracterización se ha diseñado el modelo del biodigestor y se ha realizado la instalación de varios sistemas en campo de lo cual se ha obtenido resultados reales. Biogás producido por el Biodigestor Tubular Unifamiliar El monitoreo de la producción diaria de biogás se realizó por medio de medidores a diafragma (Elster, BK-G 1.6) Para el monitoreo de la calidad de gas se han utilizado tubos colorimétricos que permiten medir el ácido sulfhídrico, monóxido de carbono y metano.

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Biol producido por el Biodigestor Tubular Unifamiliar En este caso, para la caracterización del sustrato y del biol se han hecho análisis de pH, conductividad eléctrica (CE), sólidos totales (ST), sólidos volátiles (SV), Nitrógeno Kjeldahl (TKN), Nitrógeno amoniacal (N-NH4), Fósforo (P-P2O5), Potasio (K-K2O), Azufre (S). Diseño Experimental para aplicación de biol en papa Se realizaron experimentaciones con diferentes dosis de biol en el cultivo de papa (Solanum tuberosus L) variedad Canchan, para lo que se utilizó un diseño de bloques completos al azar (DBCA). Tabla 1. Tratamientos en estudio

Generalidades del diseño experimental: Fecha de Siembra : 29 Marzo 2010 Fecha de cosecha : 19 Julio 2010 Variedad : Canchan Nº de aplicaciones de biol : 10 Frecuencia de aplicación : cada 7 días. 1ª aplicación: 30 días después de la siembra. Modo aplicación : con regaderas Aplicación de estiércol : en la siembra Biol procedente de biodigestores tubulares.

Color

Tratamiento

Descripción

T1

Testigo

T2

Biol

T3

Estiércol vacuno

T4

50% Biol y 50% Estiércol vacuno

Características del diseño experimental: N° variables :4 N° repeticiones :4 N° parcelas :16 N° surcos :12 N° plantas/surco :32 N° total plantas :384 N° plantas/parcela :24 N° plantas/variable :96 Superficie parcela (m2) :9,6 Superficie variable (m2) :38,4 N° plantas a medir/parcela :6 N° plantas a medir/variable :24 Superficie total (m2) :153,6 (16x9,6) Marco de plantación (m2) :0,4 (0,8x0,5) Densidad (plantas/Ha) :25000

Figura 1. Distribución de parcelas en el diseño experimental

Beneficios de los Biodigestores Tubulares Unifamiliares Se ha realizado una evaluación exhaustiva utilizado diferentes métodos, como las encuestas, entrevistas personales y visitas constantes a los beneficios ubicados en campo, en esta evaluación se ha buscado determinar los beneficios en aspectos técnicos, ambientales, económicos y sociales.

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RESULTADOS Y DISCUSIONES 1. Resultados en la caracterización de un biodigestor tubular unifamiliar Características principales de un Biodigestor Tubular Unifamiliar En el Perú se está Tabla 2. Características del reactor de un Biodigestor Tubular Unifamiliar “adaptando” la tecnología a un diferente contexto Característica Descripción (zonas altoandinas en el Geomembrana tubular de PVC de 0.6 caso de Cajamarca) y con Material: mm investigaciones como Dimensiones: 8m de largo x 1.27m de diámetro esta, se está demostrando Capacidad (volumen que la tecnología tiene 10 m3 total): muchas fortalezas y 7.5 m3 (Estiércol + agua, proporción 1:3) también debilidades que Volumen de mezcla 2.5 m3 se deben corregir para el Volumen de biogás funcionamiento eficiente Tiempo de retención: 60 – 80 días en este contexto. Se ha Temperatura necesaria: 20 ºC determinado que la 6.5 – 7.5 producción diaria de pH: biogás de este sistema Carga diaria: 20 Kg de excreta + 60 litros de agua. abastece a una familia Producción de gas: 3 – 4 horas de cocina/día con 4 a 5 miembros en 80 litros /día promedio, por ser uno de Producción de biol: los modelos más pequeños de este material (geomembrana) que existe en nuestro medio; además el clima (temperatura del ambiente) juega un rol muy importante en los biodigestores trabajados en el presente proyecto ya que se está trabajando en zonas altoandinas (sobre los 3000 msnm) en donde las bacterias anaeróbicas que son termofílicas no están en las condiciones más favorables para su desarrollo. Componentes principales de un biodigestor tubular unifamiliar Respecto a los componentes y partes del biodigestor se ha trabajado en conjunto con especialistas de la ONG Soluciones Prácticas para elaborar un diseño que cumpla con las características que brinden eficiencia y comodidad para los beneficiarios del sistema, el sistema completo se muestra en el siguiente esquema: Figura 2. Esquema general del Biodigestor Tubular

2. Resultados en la Cantidad y calidad de biogás En promedio la producción de biogás en el biodigestor con techo tipo cúpula (D1) es un 10% mayor que en el biodigestor con techo un agua (D2). Este porcentaje varía desde un 5% en época de lluvia hasta un 15% en época seca, como se muestra en la figura.

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Tabla 3. Características del biogás producido Cantidad y calidad de biogás

D1

D2

Techo cúpula Techo 1agua

Producción promedio de biogás (litros/día)

300

267

Dióxido de carbono (%CO2)

34

36

0,19

0,19

62

61

Acido sulfhídrico (%H2S) Metano (%CH4)

Figura 3. Producción semanal de biogás en D1 y D2

3. Resultados en la caracterización del Tabla 4. Resultados de los análisis biol biol (laboratorio NKAP) El resultado promedio de la composición Parámetros Biol (D1) Biol (D2) del biol de los análisis semanales hechos 0.7 0.08 0.68 0.09 en los laboratorios de INIA – Baños del ST (%) 44.22 5.13 46.87 4.35 Inca y NKAP de Cajamarca, se muestra en SV (%ST) DQO mg/L 2.19E+3 2.07E+3 la tabla 4. TOC (%ST) 0.17 0.22 Análisis del Biol reposado: TKN (%ST) 0.050 0.01 0.056 0.01 Se realizaron análisis del biol almacenado 0.027 0.01 0.033 0.01 en las pozas para observar el N-NH4 (%ST) comportamiento del nitrógeno (por su P-P2O5 (%ST) 0.028 0.01 0.039 0.02 volatilidad), así como de los principales K-K2O (%ST) 0.095 0.05 0.10 0.04 macro nutrientes (P, K), el resultado fue: pH 7.14 0.11 7.16 0.21 Disminución del 50 % de N en una -1 8 0.9 8.3 1.4 CE (µS cm ) semana y del 80 % de N en dos semanas Este resultado es debido a la volatilización del amoniaco y por sedimentación del N orgánico. El K y principalmente el P sufren una reducción similar debido, probablemente, a la sedimentación de sus formas orgánicas y minerales. 4. Resultados en la producción de papa canchán con aplicación del biol Resultados de la producción de papa en la cosecha En la siguiente tabla se muestra la Tabla 5. Resultados obtenidos en la producción en Kg. producción de papa en Kg; se ha Producción Promedio (kg) Aumento peso evaluado el peso por planta para Tratamiento respecto al peso/planta peso/ha luego hacer una perspectiva de la control (%) productividad por hectárea, en este T1 Testigo o control 0,793 19 820 0 caso se ha evaluado que el T2 Biol 1,011 25 273 28 tratamiento biol (t2) es el de mayor T3 Estiércol vacuno 0,913 22 820 15 producción con más de 25 0,875 21 870 10 T4 biol + estiércol toneladas/hectárea por cosecha. Figura 4. Rendimiento de papa en Kg/ha

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Resultados del ANVA y prueba de DUNCAN Análisis de varianza (ANVA) y prueba de DUNCAN, de la investigación con cuatro tratamientos (t1=testigo; t2= Biol 100% puro; t3= Estiércol Vacuno; t4=Biol 50% + Estiércol vacuno 50%) y 4 repeticiones, en el cultivo de papa con la finalidad de determinar cual tratamiento produce mayor rendimiento. Tabla 6. Procedimiento ANOVA

Fuente

DF

Anova SS

Cuadrado de la media

F-Valor

Pr>F

Tratamiento

3

0.09544774

0.03181591

7.14

0.0052**

El procedimiento ANOVA nos muestra un margen de error menor de 1%, por lo tanto el resultado es altamente significativo y el ensayo está bien planteado. Tabla 7. Prueba de Duncan

Duncan Agrupamiento

B B B

Media

N

Tratamiento

A A A

1.01167

4

t2

0.91333

4

t3

C C C

0.87500

4

t4

0.79708

4

t1

La prueba de DUNCAN, nos muestra que el tratamiento t2 (biol puro) es el que ha expresado mayor producción en Kg/planta y en Kg/ha; por lo tanto la dosificación y el momento de aplicación del fertilizante es el más adecuado para el cultivo en estudio.

5. Beneficios de los biodigestores tubulares unifamiliares Estos resultados han sido obtenidos en campo de acuerdo a encuestas y entrevistas realizados a las familias que cuentan con biodigestores desde el año 2007. Técnicos Satisfacción de las necesidades en cocción de alimentos con biogás y fertilización de los cultivos y pastos con el biol. El Biodigestor Tubular Unifamiliar beneficia con: - 0.5 m3 de biogás que abastece 2 a 3 horas Aprox. de cocción de alimentos por día. - 80 litros diarios de biol, listo para la aplicación en la fertilización agrícola. Ambientales Si comparamos a un beneficiario que no cuenta con este sistema, se evita en un 60 % las emisiones de gases de efecto invernadero al atrapar el metano para utilizarlo como combustible y al disminuir el uso de leña. Económicos Ahorro de combustible para cocinar en 50 % por el uso del biogás. Ahorro de los gastos para la compra de fertilizante en 30 % por el uso del biol Aumento del rendimiento en los cultivos, por ejemplo se ha aumentado en 28 % en papa.

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Sociales Se disminuye el tiempo de recolección de leña en un 50% a diferencia de un beneficiario que no cuenta con un biodigestor. Mejor organización de la familia; para el cargado diario y mantenimiento del biodigestor. Mejoramiento de la salud principalmente en mujeres y niños al disminuir el humo en las cocinas y manteniendo un ambiente limpio de excretas alrededor de la casa.

CONCLUSIONES 1. Se ha demostrado que la tecnología sí es apropiada en nuestra región, el sistema de biodigestores tubulares unifamiliares instalados han funcionado muy bien en campo, pero es muy importante tener en cuenta que se debe trabajar mucho en la capacitación con los beneficiarios. El techo invernadero en forma de cúpula ayuda a conservar mayor temperatura en el biodigestor, se ha determinado en el presente estudio que las temperaturas se diferencian en más del 10 % entre el techo cúpula y el techo a un agua. 2. El Biodigestor tubular de diez metros cúbicos produce diariamente entre 300 a 600 litros de biogás (0.3 a 0.6 m3), esta cantidad proporciona 2 a 3 horas de cocina, lo que abastece para cocinar dos veces al día aproximadamente. El biogás producido por este sistema es de buena calidad, la cantidad de Metano (CH4) es de 65.35 % y de Acido Sulfhídrico (H2S) es menor a 0.2 %, los cuales están dentro de los limites adecuados. 3. La cantidad del biol producido por un Biodigestor Tubular Unifamiliar es de 80 litros diarios; en cuanto a la cantidad de nutrientes NPK es la siguiente: N-NH4 (%ST) = 0.027; P-P2O5 (%ST) = 0.028; K-K2O (%ST) = 0.095. esta cantidad biol producida alcanza para fertilizar cultivos o pastos en un área de terreno de hasta ¼ de hectárea. 4. La papa fertilizada con biol aumenta en un 28% el rendimiento respecto al testigo y es superior a los demás tratamientos.

RECOMENDACIONES 1. Incentivar la investigación científica en biodigestores para lograr optimizar la tecnología. 2. Estudiar el efecto de la digestión mezclando distintos estiércoles. 3. Investigar diferentes modelos para aumentar la temperatura en el biodigestor evaluando los costos; de esta manera estudiar el uso productivo del biogás en la generación de electricidad. 4. Estudiar el post-tratamiento de biol para aumentar la concentración de nutrientes. 5. Continuar investigando el efecto del biol en diferentes cultivos para obtener el máximo potencial en producción y productividad. 6. Se recomienda determinar el impacto ambiental que podría tener ésta tecnología. 7. Tomar en cuenta el aspecto social (familias) donde se realizará la instalación de estos sistemas de igual manera hacer una evaluación de recurso previa.

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BLIOGRAFIA Aparcana, S y Jansen A. 2008. Estudio sobre el valor fertilizante de los productos del proceso de “fermentación anaeróbica” para la producción de biogás. German ProEC. Lima – Perú. 10 p. Botero, R. y Preston, T. 1987. Biodigestor de bajo costo para la producción de combustible y fertilizante a partir de excretas: manual para su instalación, operación y utilización. Universidad EARTH. 1987. Disponible en Internet: http://usi.earth.ac.cr/glas/sp/biodigestor.pdf.

Filmtex. 2008. Bogotá, Colombia. Manual para la generación de biogás y bioabono a partir del estiércol en la industria Agropecuaria. Capítulo 2. Descripción de los Sistemas de Aprovechamiento de la Porquinaza (SAP). Guerrero, L y Alaba, M. 1983. “Técnicas de extensión para la difusión del biogás en la región de Cajamarca”, Tesis de la Universidad Nacional de Cajamarca, 1983. Spagnoletta, A. 2008. Estudio de factibilidad de implementación de biodigestores rurales en la zona andina de Cajamarca-Perú. Universidad Politécnica de Catalunya–Soluciones prácticas ITDG. Cajamarca, Perú. 59p.

………………………………………… Ingº Alonso Vela Ahumada ASESOR

……………………………………………. Bach. Robert Franklin Cotrina Lezama TESISTA

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