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Los biodigestores en los sistemas agrícolas ecológicos

Written by T.R. Preston

Los biodigestores fueron considerados, principalmente, como una manera de producir gas combustible a partir de desechos orgánicos. Sin embargo, al ser integrados a un sistema de agricultura ecológica los biodigestores pueden brindar muchos otros beneficios, en articular el reciclado de nutrientes para la obtención de fertilizantes de alta calidad. Este artículo presenta el diseño y funcionamiento de un biodigestor de plástico de bajo costo.

Volumen 21, número 1, junio de 2005

En el pasado, los biodigestores fueron considerados principalmente como una manera de producir gas combustible a partir de materia orgánica de desecho. Debido a la creciente importancia del uso sostenible de los recursos naturales en los sistemas agrícolas, hoy se aprecia el papel de los biodigestores en una perspectiva mucho más amplia y, específicamente, por su aplicación potencial para el reciclaje de los nutrientes de las plantas. Esto puede contribuir en la reducción de la dependencia de los fertilizantes sintéticos y hacer más fácil el cultivar orgánicamente.

La introducción de biodigestores de plástico de bajo costo, basados en el uso de láminas de polietileno soldadas en forma tubular, ha puesto esta tecnología al alcance de un número mayor de usuarios. La simpleza del proceso de instalación ha facilitado la difusión de la tecnología de agricultor a agricultor. Avances recientes se han centrado en la integración del biodigestor dentro del sistema agrícola y han demostrado que el proceso de biodigestión produce mejoras importantes en el valor del estiércol de ganado como fertilizante para los cultivos, como también para las plantas acuáticas o los peces cultivados en estanques.

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El biodigestor en el sistema agrícola

Para que un sistema agrícola sea sostenible, debe haber una relación muy directa entre los diversos componentes que interactúan en la conversión de la energía solar y los nutrientes de la tierra en alimentos de origen animal y vegetal.

Al estar estrechamente integrado al sistema agrícola un biodigestor puede:

  • ser una fuente renovable de combustible para cocinar y para la iluminación, reduciendo la necesidad de leña y el trabajo que implica recogerla. Esto es especialmente importante para las mujeres y los niños. Además, cocinar con biogás deja los utensilios de cocina mucho más limpios y la ausencia de humo mejora la salud de las mujeres y los niños que pasan gran parte de su tiempo en la cocina y que a menudo sufren de problemas respiratorios e irritaciones de los ojos;
  • mejorar la calidad del estiércol que alimenta al biodigestor, lo que produce un fertilizante de alta calidad para los cultivos, como también para las plantas acuáticas o los peces cultivados en estanques;
  • mejorar las condiciones sanitarias de la granja y reducir la propagación de parásitos y bacterias potencialmente dañinas, al eliminar y descontaminar el estiércol y otros desechos orgánicos;
  • mejorar el medio ambiente al reducir la dependencia de la leña, resultando en un índice menor de deforestación. Si el biogás es utilizado, también se reduce la emisión de metano (un gas de invernadero que contribuye al calentamiento global) a la atmósfera.

El proceso de biodigestión

Biodigestor fabricado con una manga de lámina de polietileno de 1,2 m de diámetro por 6 m de largo, conectado a un corral de cerdos con 20 animales y cercado con moreras. Finca Ecológica Tosoly, Fundación Universidad de Agricultura Tropical (UTA Foundation), Guapotá, Santander, Colombia.
Biodigestor fabricado con una manga de lámina de polietileno de 1,2 m de diámetro por 6 m de largo, conectado a un corral de cerdos con 20 animales y cercado con moreras. Finca Ecológica Tosoly, Fundación Universidad de Agricultura Tropical (UTA Foundation), Guapotá, Santander, Colombia.

Los cambios que ocurren en el substrato durante el proceso de digestión han recibido relativamente poca atención y la preocupación principal se ha centrado en los temas de salud y medio ambiente. Recientemente, se ha empezado a prestar más atención al valor del efluente como fertilizante.

Por ejemplo, está demostrado que la producción de biomasa y el contenido proteínico del follaje de la yuca aumentan significativamente cuando esta planta se fertiliza con efluentes del biodigestor, derivados de estiércol de cerdo o vaca, en comparación con la misma cantidad de nitrógeno aplicado como abono crudo.

Hay informes de resultados similares en el caso de las lentejas de agua (Lemna spp.) cultivadas en estanques fertilizados con el efluente o el abono crudo. Informes producidos en China afirman que la productividad en los estanques de peces es mayor cuando se utiliza el efluente de los biodigestores en vez del abono crudo. En Camboya, muchas investigaciones han confirmado el valor superior del efluente de un biodigestor alimentado con estiércol de cerdo al compararlo con el mismo estiércol, con un nivel similar de nitrógeno, aplicado directamente al estanque.

El proceso de fermentación que se da en los biodigestores transforma el carbón orgánicamente ligado en dióxido de carbono gaseoso y metano. El proceso anaeróbico (sin oxígeno) y el largo tiempo transcurrido dentro del biodigestor eliminan a la mayoría de organismos, incluso a los parásitos intestinales, que pueden causar enfermedades. De esta manera, el estiércol es mejorado química y biológicamente a partir del proceso de fermentación.

Diseño y construcción

La mayor parte del trabajo de desarrollo de los biodigestores ha sido enfocada desde el punto de vista de la ingeniería, con el fin de maximizar la producción de gas y su eficiencia al mejorar el diseño y la construcción del biodigestor. Se han realizado muy pocos cambios en el diseño básico del sistema de dosel (cubierta) flotante desarrollado en India o el sistema de desplazamiento de líquidos desarrollado en China. El costo relativamente alto de estos sistemas, y el hecho de que su construcción sólo puede ser realizada con éxito por técnicos calificados, han sido los mayores impedimentos para su adopción generalizada. En casi todos los lugares en los que estos sistemas han sido introducidos, en general han sido subsidiados por los gobiernos o por organismos de ayuda.

El biodigestor de manga de lámina de polietileno es una tecnología más económica y simple, que permite a los agricultores de pequeña escala producir gas. Es atractiva para los habitantes del campo debido a su bajo costo de instalación y, por lo tanto, también del gas, así como a la mejora en la calidad del ambiente que resulta de su uso. Puede ser utilizado en zonas rurales o urbanas, tanto en lugares planos como donde el paisaje es accidentado. La introducción de este sistema ha permitido que los biodigestores estén al alcance de una mayor cantidad de personas (se estima, por ejemplo, que en la actualidad hay más de 30.000 usuarios de esta tecnología en Vietnam). Ya no es necesario obtener subsidios para la compra de los materiales de construcción, pues éstos pueden ser adquiridos en la mayoría de ciudades de los países en vías de desarrollo.

Un componente esencial del sistema de manga de lámina de polietileno es la instalación de un tanque para gas, de preferencia sobre el techo de la cocina, lo más cerca posible al fogón donde se utilizará el gas. Esto se debe a que la presión del gas en el biodigestor es muy baja, y si el tanque está ubicado a mucha distancia de la cocina, la velocidad del flujo de gas a lo largo de la tubería será demasiado lenta y no alcanzará para mantener la llama en el fogón. Tener el tanque cerca del punto donde el gas será utilizado permite reducir al mínimo las pérdidas por fricción. Cuando se necesita mayor presión de gas es fácil pasar una faja alrededor del tanque para aumentarla.

La naturaleza relativamente frágil de las láminas de polietileno es un punto débil del sistema y su modo de operación es relativamente ineficiente si se compara con el de otros biodigestores más sofisticados. Sin embargo, también en comparación con otros sistemas, el precio de construcción del biodigestor de manga de polietileno es muy bajo, como son los requerimientos de habilidades necesarias para construirlo. El precio de la manga de polietileno es sólo de diez USD, y remplazarla toma entre tres y cuatro horas. Todos los demás componentes pueden ser vueltos a usar luego de cambiar el polietileno.

Conclusiones

La importancia creciente de desarrollar prácticas agrícolas que estén en armonía con el medio ambiente y que hagan un uso pleno de los recursos locales está generando un clima favorable para la promoción de biodigestores. Sin embargo, todavía es mucho lo que necesitamos hacer para lograr un mayor conocimiento de los biodigestores como componentes integrados de los sistemas agrícolas. Necesitamos conocer más sobre los cambios que se producen en las características químicas y biológicas del substrato durante el proceso de biodigestión para poder hacer un uso más eficiente del efluente como fertilizante para plantas terrestres y acuáticas o en los estanques para peces.

Además, el diseño y la construcción de los biodigestores todavía pueden mejorarse y necesitan desarrollarse más para reducir los costos de instalación y aumentar la eficiencia con la que los materiales incorporados se convierten en biogás y fertilizantes.

T. R. Preston
Finca Ecológica Tosoly, AA #487, Santander, Colombia
Correo electrónico: regpreston@utafoundation.org

Referencias

  • Botero, R. y T. R. Preston, 1995. Biodigestor de bajo costo para la producción de combustible y fertilizante a partir del estiércol. Manuscrito inédito. CIPAV, Cali, Colombia.
  • Bui Xuan An., L. Rodríguez, S. V. Sarwatt y T. R. Preston,1997. Installation and performance of low-cost polyethylene tube biodigesters on small-scale farms. World Animal Review, Número 88, FAO Rome. http://www.fao.org/ag/AGA/agap/frg/feedback/war/W5256t/W5256t06.htm
  • Bui Xuan An. y T. R. Preston, 1999. Gas production from pig manure fed at different loading rates to polyethylene tubular biodigesters. Livestock Research for Rural Development, (11) 1, 11.
  • Pich Sophin y T. R. Preston, 2001. Effect of processing pig manure in a biodigester as fertilizer input for ponds growing fish in polyculture. Livestock Research for Rural Development. (10) 6. http://www.cipav.org.co/lrrd/lrrd13/6/Pich136.htm
  • Preston, T. R., 1999. Recycling Livestock Wastes, Fundación UTA (Ver la sección Fuentes, p. 38 de este número de LEISA).
  • San Thy, 2003. Management and utilization of biodigesters in integrated farming systems. http://www.mekarn.org/msc2001-03/theses03/santhlitrevapr27.htm

Instalando un biodigestor Elegir el lugar

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El primer paso antes de instalar el biodigestor es identificar la ubicación más adecuada. Esta deberá estar cerca del corral del ganado donde se producen los desechos. Es una ventaja si los desechos del corral pueden ser escurridos con agua y luego, por gravedad, hacer que fluyan directamente hasta la entrada del biodigestor. Es relativamente fácil transportar el gas por una tubería, pero difícil y tedioso transportar los desechos.

Preparar el sitio

Una vez que el lugar ha sido elegido, el siguiente paso es determinar el tamaño del biodigestor. Como regla general, los desechos producidos por diez cerdos de engorde requerirán un biodigestor con una capacidad líquida de cuatro metros cúbicos. En promedio, el 80 por ciento de la capacidad total del tubo será ocupado por el estiércol líquido, así que para procesar un volumen líquido de cuatro metros cúbicos se necesitará un biodigestor de diez metros de largo.

Para que quepa un biodigestor de ese tamaño será necesario cavar una zanja de las siguientes dimensiones: 90 cm ancho en la parte superior; 90 cm de profundidad; 70 cm de ancho en la parte inferior; 10 m de largo.

Al cavar la zanja es importante considerar que los lados y el piso deben ser lisos, sin piedras o raíces que sobresalgan y puedan dañar la lámina de plástico. Los lados deberán ser inclinados para evitar que la zanja colapse. El suelo deberá tener una ligera pendiente para permitir el flujo continuo de estiércol líquido (purín) a lo largo del biodigestor: la tierra que se saca de la zanja deberá ser llevada lejos de los bordes, de manera que no caiga sobre el plástico a causa de movimientos alrededor del biodigestor o por las lluvias.

Preparar el biodigestor

La lámina de polietileno viene de la fábrica en rollos que pesan alrededor de 50 kg. Los rollos deben ser manejados cuidadosamente, especialmente en los bordes, y deberán ser almacenados y manejados en posición horizontal. Poner una vara de acero (o un palo de bambú) a través del centro del rollo facilita las cosas al medir el largo requerido para fabricar el biodigestor. Si la zanja para el biodigestor mide diez metros de largo, deberán añadirse 75 cm adicionales de lámina a cada extremo del tubo para que puedan ser envueltos alrededor de las tuberías de entrada, de manera que el largo total a ser cortado será de 11,5 metros.

Se necesitan dos medidas de lámina de polietileno para confeccionar dos tubos, ya que es necesario que un tubo sea encajado dentro del otro como refuerzo. Cuando el segundo tubo de plástico sea insertado dentro del primero, se debe tener cuidado que los dos encajen de manera ajustada, sin dobleces ni arrugas.

Materiales necesarios para construir el biodigestor

  • Manga de lámina de plástico (polietileno) transparente, en largo suficiente para dos tubos.
  • 2 tuberías de cerámica, PVC o concreto de 75 a 100 cm de largo y 15 cm de diámetro interno.
  • Manguera de plástico o tubería de PVC para el gas (el largo depende de la distancia hasta la cocina).
  • Adaptadores, arandelas, codos y tes, además de 2 m de tubería de PVC del mismo diámetro de la manguera (12,5 mm).
  • 4 cámaras de llanta usadas, cortadas en bandas de 5 cm de ancho.
  • 1 botella plástica transparente para la válvula de escape de gas.

Instalar el escape de gas

Se debe marcar el lugar donde se instalará el escape de gas. Este deberá estar a 1,5 metros del extremo de la manga de polietileno y al centro de lo que será la parte superior del biodigestor.

Instalar la tubería de entrada

Se cortan bandas de jebe de 5 cm de ancho de las cámaras usadas de llanta de una bicicleta, motocicleta o automóvil.

Se introduce la tubería de cerámica (o PVC) en la manga de polietileno hasta la mitad de su largo y luego se dobla el tubo de plástico alrededor de ella. La unión se asegura envolviendo las bandas de jebe alrededor de la tubería de cerámica, empezando a 25 cm del extremo del plástico y trabajando en dirección a la parte expuesta de la tubería, con cada banda traslapada sobre la anterior y terminando en la tubería de cerámica de manera que los extremos del plástico estén completamente cubiertos.

Llenar la manga de polietileno con aire e instalar la tubería de salida

La tubería de entrada y la salida del gas se cierran con una película de plástico (o una bolsa de plástico) y bandas de jebe. Antes de colocar el biodigestor ya terminado en la zanja, es necesario llenar la manga de aire. Desde el extremo abierto se fuerza el aire hacia el interior de la manga en forma de olas creadas al agitar el extremo de la manga con un movimiento propulsor de los brazos hacia adelante (‘flapping’). Luego se ata la manga con una banda de jebe a aproximadamente tres metros del extremo, de manera que el aire no escape. Esto se hace para facilitar la instalación de la segunda tubería de cerámica como tubería de salida. Se instala luego la segunda tubería de cerámica siguiendo el mismo procedimiento que el usado para la tubería de entrada.

Etapas finales de la preparación de la manga de lámina de polietileno

Es muy importante revisar que los extremos de la manga estén completamente cubiertos por las bandas de jebe, cada una de ellas superpuesta sobre la anterior, y terminando sobre las tuberías de cerámica, de manera que los extremos de la manga estén completamente cubiertos. Cuando cada tubería de cerámica está instalada, se utiliza una lámina cuadrada de polietileno fijada con bandas de jebe para sellar cada una de las tuberías. La banda de jebe, colocada previamente para evitar que escapara el aire al instalar la tubería de cerámica de salida, debe ahora retirarse. La bolsa se desinflará un poquito al entrar el aire a la tubería de cerámica. El paso final consiste en llenar completamente de aire la bolsa, colocando un tubo de plástico de cuatro metros de largo (hecho con el mismo material utilizado para el biodigestor: manga de polietileno) a la tubería de cerámica de salida, llenarlo de aire utilizando el procedimiento de agitar el tubo, y luego retirar la manga de polietileno para permitir que este aire entre a la bolsa principal. El proceso puede repetirse hasta que la bolsa del biodigestor esté completamente llena de aire. La lámina cuadrada de polietileno, que se colocó con una banda de jebe, se usa de nuevo, esta vez colocándola para sellar la tubería de salida.

Colocar el biodigestor en la zanja

La manga ya inflada se carga hasta la zanja con mucho cuidado para que no entre en contacto con objetos filudos. Se le coloca dentro de la zanja de tal manera que el escape de gas esté en la parte superior de la manga, la entrada al extremo más alto de la zanja y la salida al extremo más bajo.

Se prepara un soporte que sujete a la manguera que funcionará como tubería de gas. Este soporte es fabricado con una tubería de PVC de 12,5 mm de diámetro.

Llenar el biodigestor con agua

El biodigestor se llena luego con agua hasta que las tuberías de entrada y salida estén selladas (cubiertas con agua) desde dentro. El aire que había adentro de la bolsa estará ahora retenido en la parte superior. Las bolsas de plástico que cubrían las tuberías de entrada y de salida pueden ser retiradas en este momento.

La trampa de agua (válvula de escape de gas)

Para asegurar que la presión de gas dentro del biodigestor no aumente demasiado es importante contar con un mecanismo de escape simple que puede ser fabricado con facilidad a partir de una botella de plástico parcialmente llena de agua. Esta «trampa de agua» deberá ser suspendida en un lugar conveniente de manera que sea posible observar con facilidad el nivel del agua y volverla a llenar cuando sea necesario.

El tanque de gas

Es una bolsa plástica grande (cuatro metros de largo) hecha con la misma manga de lámina de polietileno utilizada para fabricar el biodigestor. El tanque cumple una función clave en el funcionamiento del biodigestor y deberá ser ubicado en un lugar conveniente (suspendido del techo, por ejemplo) cerca de la cocina. El gas almacenado estará así cerca del punto de utilización, lo que permitirá que tenga una presión más alta.

Llevar el gas a la cocina

Una vez que el tanque esté en su sitio, la tubería de gas sujeta a la salida deberá ser fijada a los quemadores. Se coloca una faja alrededor de la parte media del tanque, con el fin de que sirva para aumentar la presión del gas que llegue a los quemadores; esto se realiza ajustando la faja (por ejemplo: colgando una piedra o ladrillo de uno de los extremos de la faja). Por lo general, esto es necesario cuando se cocina durante muchas horas.

Alimentar al biodigestor
El biodigestor necesita ser alimentado a diario. Si se utiliza estiércol de vaca, éste debe mezclarse con agua antes de incorporarlo al digestor. Si en una granja se crían cerdos, los corrales pueden estar conectados directamente al biodigestor de manera que al lavarlos, por medio de canales construidos especialmente, el agua haga entrar por gravedad el estiércol líquido (purín) al biodigestor.

Proteger el biodigestor

El biodigestor necesita ser protegido de animales, niños y, especialmente, de la luz solar que puede dañar la lámina de polietileno. Se recomienda construir un cerco alrededor de la zanja, así como un techo simple para proporcionarle sombra.

El biodigestor terminado

El área alrededor de los corrales que solía estar contaminada, se ha convertido ahora en tierra seca ya que los desechos son utilizados en el digestor. No hay malos olores, pues el estiércol se incorpora al biodigestor diariamente. La familia ya no necesita recolectar leña o comprar combustible para cocinar y, en menos de un año, los ahorros permitirán pagar el costo del biodigestor.

El tiempo que pase para que se produzca gas y pueda utilizarse, dependerá de la composición y cantidad del estiércol que se ponga en el biodigestor. En algunas granjas los desechos producidos en los corrales de cerdos podrán estar ya en un avanzado estado de fermentación cuando son introducidos en el biodigestor; en este caso la familia podría empezar a cocinar con biogás sólo cinco días después de la instalación. Con estiércol fresco sin fermentar el tiempo de espera puede ser de 21 a 28 días.

Posibles problemas y algunas soluciones

¿No hay suficientes animales que produzcan estiércol para el biodigestor? Esto puede ser un problema, y en este caso la letrina usada por la familia también puede ser conectada al biodigestor. Temporalmente, es posible añadir algunos materiales que fermenten con facilidad, tales como los rastrojos de yuca, melaza o cualquier fuente similar de carbohidratos. Si se hace esto, conviene también añadir 30 a 40 gramos de urea cada día.

¿No hay suficiente agua en el biodigestor? Que haya agua suficiente es esencial para el buen funcionamiento del biodigestor. El nivel de agua debe revisarse regularmente, como también debe añadirse más agua cuando sea necesario.

¿Hay olor a gas? Puede ser causado por una conexión suelta, un caño dañado en la cocina o un agujero en el biodigestor. Esto se repara con esparadrapo o cinta adhesiva.

¿No se produce suficiente gas? La causa puede ser una conexión suelta, una sección de la tubería que esté rota o una tubería que se ha doblado, impidiendo que fluya el gas. Se debe cortar un trozo nuevo de manguera y remplazar la que está dañada.

¿No hay suficiente agua en la trampa de la botella (válvula de escape)? Es importante revisar constantemente que la evaporación no haya causado que el nivel de agua caiga por debajo del extremo del tubo de gas.

¿Hay mucho gas en el biodigestor pero muy poco en el tanque? Esto puede ser solucionado abriendo las junturas y sacando el agua, o haciendo un agujero en la tubería de PVC para sacar el agua, tapándolo luego con cinta adhesiva. También es posible instalar caños de drenaje en los puntos más bajos de la línea.

¿Se cocina muy lento? Se necesita más presión dentro del tanque. Hay que ajustar la faja puesta alrededor del tanque.

¿Encuentra muy poco gas en el tanque en las mañanas? Se olvidó de aflojar la faja alrededor del tanque luego de terminar de cocinar la noche anterior. Ubique el tanque de manera que cuelgue del techo de la cocina o en algún otro lugar cercano para que sea más fácil controlarlo.

¿El biodigestor tiene un agujero que atraviesa ambas capas? Si el agujero es grande hay que remplazar las mangas de lámina de polietileno y reinstalar el sistema. Se debe proteger el biodigestor con un cerco.

¿La primera capa de plástico del biodigestor está rota? Esto puede ser causado por el deterioro del plástico al no tener contacto con el agua. Trate de colocar el biodigestor de manera que la mayor parte de la superficie del plástico esté en contacto con el agua. Es muy importante tener en cuenta que la solución no es añadir más capas de lámina de polietileno u otro plástico.

¿Hay mucha tierra en la zanja del biodigestor? Se trata por lo general de un problema más serio. Puede suceder cuando el biodigestor está colocado en suelo muy arenoso o en zonas bajas donde la lluvia arrastra mucha tierra de la pendiente a la zanja. Evite esto eligiendo cuidadosamente el lugar donde ubicará el biodigestor. Construya canales por los que pueda fluir el agua de lluvia. Cubra las paredes superiores de la zanja con ladrillos o con una mezcla de cemento y tierra. Construya un muro frente a la entrada del biodigestor.

¿El purín dentro del biodigestor es muy duro? Esto puede ser causado por un contenido muy alto de estiércol en el purín (suele ser más problemático al trabajar con estiércol de bovinos). A causa de este problema, la manga de polietileno deberá ser cambiada cada dos o cuatro años, dependiendo del grado de deterioro.

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