Digestión anaerobia como técnica para los biodigestores en la gestión de residuos sólidos

1. TRABAJO COLABORATIVO
DIGESTIÓN ANAEROBIA COMO TÉCNICA PARA LOS BIODIGESTORES EN
LA GESTIÓN DE RESIDUOS SÓLIDOS
DINA YULIETH CÓRDOBA BEJARANO
SANDRA PATRICIA SÁNCHEZ VÁSQUEZ
JULIÁN DICKER ECHEVERRI
JORGE WILLIAM ARBOLEDA VALENCIA
Docente
UNIVERSIDAD DE MANIZALES
FACULTAD DE CIENCIAS CONTABLES, ECONÓMICAS Y ADMINISTRATIVAS
CENTRO DE INVESTIGACIONES EN MEDIO AMBIENTE Y DESARROLLO
CIMAD
MAESTRÍA EN DESARROLLO SOSTENIBLE Y MEDIO AMBIENTE
COHORTE XVII
2017

2. Introducción
El uso de la energía global está basada en suposiciones sobre la expansión de la economía,
el crecimiento de la población, el grado de avance tecnológico, medidas de conservación y
la adopción de tecnologías energéticamente eficientes; en donde la energía comercial del
mundo y el uso de energías renovables comenzará a jugar un rol que irá creciendo a través
de los años. Dentro de las energías renovables esta la Biomasa que es un recurso
renovable cuya utilización presenta características singulares y beneficios notables. Se trata
de una fuente prácticamente inagotable, producida cíclica y continuamente por los reinos
vegetal y animal y los sistemas urbano e industrial, y existe por lo menos en alguna de sus
formas en todos los espacios geográficos El uso de la Biomasa aporta grandes beneficios
puesto que se convierte en rentable y necesaria para el entorno. Es un sistema idóneo de
eliminación de residuos, con la subsiguiente mejora del ambiente rural, urbano e industrial.
Puede ser además, un modo de equilibrar determinados excedentes agrícolas. (Campos
borda et al 2003).
Los residuos orgánicos se deben manejara a través de diferentes tratamientos de reciclaje,
transformándolos en productos con valor agregado y que sean útiles para otras actividades.
El reciclaje ha tenido un fuerte impulso por el gran uso de uso de fertilizantes, la búsqueda
de alternativas de energía sin afectar de gran manera el medio ambiente, descontaminación
y eliminación de los residuos.
La digestión anaeróbica es un proceso biológico complejo y degradativo en el cual parte de
los residuos de animales y de vegetales son convertidos en biogás, gracias a una
asociación de bacterias que son sensibles o completamente inhibidas por el oxígeno. Con
la digestión anaeróbica es posible convertir gran cantidad de residuos, residuos vegetales,
estiércoles, efluentes de la industria alimentaria y fermentativa, de la industria papelera y
de algunas industrias químicas, en subproductos que se pueden utilizar en otras
actividades.
La digestión anaerobia también es un proceso adecuado para el tratamiento de aguas
residuales de alta carga orgánica, como las producidas en muchas industrias alimentarias
y de otros servicios.
El combustible es indispensable tanto para la vida como para el desarrollo de las
sociedades actuales. Básicamente los combustibles de hoy en día son los derivados del
petróleo como lo son las gasolinas, los aceites, el gas LP, entre muchos otros. De estos
combustibles el gas es uno de los más requeridos para la vida diaria de las personas. En
muchas de las zonas rurales es difícil poder satisfacer las necesidades básicas de
combustible a causa de la falta de infraestructuras, la falta de mano de obra y por lo
complicado que llega a ser el suministrarlo en la zona, por esto el uso de un biodigestor es
una forma sustentable de que las poblaciones de dichas lugares, obtengan el gas
combustible sin la necesidad de hacer una gran inversión o una complicada técnica.
(Biodigestores 2017). Los biodigestores son una tecnología que permite tratar los residuos
orgánicos (purines, excremento animal, residuos agrícolas blandos, de la agroindustria,
etc.) mediante un proceso biológico (digestión anaerobia) produciendo i) un gas
combustible rico en metano, que es capturado (biogás), y ii) un fertilizante orgánico de
composición compleja y natural (biol o digestato). Los biodigestores pueden tratar cualquier
tipo de materia orgánica, pero la más común ha sido trabajar estiércoles debido a su
disponibilidad y facilidad de aprovechamiento a través de tecnologías apropiadas

3. Justificación
Las problemáticas ambientales que imperan en la actualidad como la sobreexplotación de
los recursos naturales, el alto consumo de bienes y servicios, el acelerado crecimiento
demográfico y la urbanización, el uso indiscriminado de combustibles fósiles, la generación
de residuos sólidos y la poca gestión o disposición de los mismos, han implicado un cambio
en el accionar de las poblaciones y una búsqueda continua de alternativas, tecnologías y
actitudes que potencien la reducción de los impactos ambientales y la conservación de los
recursos naturales.
Teniendo en cuenta que las poblaciones generan grandes cantidades de residuos de
diferente tipo, que se convierten en contaminantes del ambiente y generan problemas de
salud pública cuando no se realiza una disposición adecuada. Los residuos que se
producen en mayor cantidad en las residencias, son los residuos orgánicos, los cuales
pueden ser aprovechados utilizando diferentes alternativas de tratamientos , para obtener
subproductos de alto valor comercial o alto valor energético, es el caso del método de
digestión anaerobia de los residuos orgánicos a través del cual se pueden producir
biocombustibles que reemplazan a los combustibles fósiles y por lo tanto reducen la
concentración de compuestos químicos contaminantes en la atmosfera.
Una de las políticas públicas adoptadas por la mayoría de los municipios del país, es la
implementación de rellenos sanitarios para el aislamiento y disposición de los residuos, sin
embargo debido a que no se realiza un previo tratamiento, a que no hay una cultura sólida
de separación de los residuos sólidos aprovechables y no aprovechables en la fuente, a
problemas de organización y logística respecto al almacenamiento y transporte de los
residuos sólidos y a la disposición final de los residuos, se producen grandes cantidades de
lixiviados que afectan las fuentes hídricas, gases que afectan la atmósfera y aumentan la
concentración de los gases de efecto invernadero como el metano y dióxido de carbono,
que inciden en las fluctuaciones del clima en la tierra.
La digestión anaerobia es entonces una de las alternativas de tratamiento de los residuos
propuestas, previa a la disposición en los rellenos sanitarios; en este proceso se pueden
controlar específicamente la generación de lixiviados, la contaminación de las fuentes
hídricas y la generación de gases, debido a que el tratamiento se realiza en biodigestores
que usan microorganismos que degradan los residuos orgánicos en condiciones anaerobias
en sistemas cerrados, por lo que los productos ya sea biomasa o gases generados en el
proceso se pueden utilizar para la generación de energía, para el funcionamiento de las
mismas plantas de tratamiento de residuos o para la producción de gas domiciliario.
Debido a que la generación de biogás está en función del tipo de material ingresado al
biodigestor, así como la población bacteriana que interviene en esta descomposición, se
hace necesario implementar técnicas que permitan un incremento de la población de los
microorganismos para provocar una biodigestión eficiente.
Objetivos
 Analizar los impactos de la gestión y el manejo de los residuos sólidos orgánicos a
través del método de digestión anaerobia y biodigestores
 Realizar una propuesta de manejo de los residuos sólidos orgánicos, a través del
método digestión anaerobia.
 Estimular una actitud crítica sobre la realidad ambiental localmente, con énfasis en
la situación de desechos sólidos y potencial de generación de energías alternativas
a partir de los residuos sólidos

4. Hipótesis
El tratamiento de los residuos sólidos orgánicos urbanos a través del método de digestión
anaerobia disminuye la prevalencia de problemas ambientales relacionados con la
reducción de la contaminación de fuentes hídricas y emisión de gases de efecto invernadero
y potencia la generación de gases usados para la producción de energía.
Estado del arte
De acuerdo con el Documento CONPES 3819 Política Nacional para Consolidar el Sistema
de Ciudades en Colombia, Colombia tendrá 64 ciudades con más de 100.000 habitantes
en 2035, en las que habitarán el 83% de la población y 5,1 millones de nuevos hogares,
para los cuales será necesario garantizar servicios públicos con calidad y continuidad.
Asociado al crecimiento de los hogares, se estima que la generación de residuos también
se incrementará. Al respecto, en 2014 la generación de residuos sólidos urbanos y rurales
se estimó en 13,8 millones de toneladas anuales (Superintendencia de Servicios Públicos
Domiciliarios [SSPD], 2015); es decir, cerca de 283 kilogramos por persona. Esta cifra
representa un poco más de la mitad del promedio de los países de la Organización de
Cooperación y Desarrollo Económicos (OCDE), que está en 530 kilogramos. Sin embargo,
se estima que la generación de residuos de la zona urbana y rural podría llegar a 18,74
millones de toneladas en 2030, lo que significa cerca de 321 kilogramos por persona al año
o un incremento del 13,4% en la producción per cápita de residuos sólidos. De acuerdo con
estas estimaciones, Colombia debe tener a futuro un esquema de gestión de residuos
sólidos que le permita atender esa creciente presión1
.
A la fecha, Colombia ha desarrollado un modelo de gestión de residuos sólidos acorde con
el modelo económico de producción y consumo lineal. Según este, los bienes producidos a
partir de materias primas son vendidos al consumidor final, quien los descarta cuando ya
no funcionan o ya no sirven para el propósito por el cual fueron adquiridos. Este modelo
implica pérdidas de recursos en sus diferentes etapas y se vuelve insostenible ante el
crecimiento proyectado de la generación de residuos. En particular, la escasez de las
materias primas y de los suelos necesarios para disponer en cada vez más rellenos
sanitarios los residuos generados restringe la posibilidad de seguir avanzando en ese
camino. Es por eso que se hace necesario perseguir un modelo de mayor eficiencia, en el
que el valor de los materiales durante todo el ciclo de vida pueda ser incorporado
sistemáticamente. Con un modelo de este tipo se generaría mayor valor, se haría un uso
más eficiente de los recursos y, adicionalmente, se protegería el ambiente2
.
El Ministerio del Medio formuló en el año 1997 la Política para la Gestión Integral de
Residuos Sólidos. Con esta política se definieron como metas: reducir la cantidad o
peligrosidad de los residuos generados, reducir su disposición final a través de la
recuperación (un 30% en cinco años) y desecharlos en sistemas de disposición final
adecuados (en un 50% de los municipios dentro de un plazo de cinco años). Esta política
se convirtió en el principal orientador de acciones ambientales en materia de residuos
sólidos, ya que planteaba estrategias relevantes como: (i) desarrollar los programas de
minimización en el origen, articulados con los programas de producción más limpia, de los
1Consejo nacional de política económica y social república de Colombia departamento nacional de planeación. (2016). Política nacional para
la gestión integral de residuos sólidos. Colombia: consejo nacional de política económica y social CONPES.
2Consejo nacional de política económica y social república de Colombia departamento nacional de planeación. (2016). Política nacional para
la gestión integral de residuos sólidos. Colombia: consejo nacional de política económica y social CONPES.

5. cuales hace parte; (ii) modificación de los patrones de consumo y producción insostenibles;
(iii) creación de nuevos canales de comercialización de materiales aprovechables y
promoción de los existentes; (iv) fortalecimiento de cadenas de reciclaje ,programas
existentes y apoyo a nuevos programas de aprovechamiento de residuos; entre otras
estrategias. Sin embargo, se consideró su desarrollo en un tiempo muy corto (cinco años)
para las importantes metas pretendidas y las implicaciones de las estrategias propuestas;
es decir, fue una política de corto plazo que adicionalmente, no contó con una estrategia de
seguimiento, revisión y reformulación; teniendo en cuenta que la preocupación principal del
país en ese tiempo en materia de residuos sólidos era el aumento de las coberturas y del
control de la contaminación a través de la técnica disponible más acorde con las limitaciones
económicas existentes, es decir, rellenos sanitarios.
De acuerdo a lo anterior, la idea es a avanzar hacia una economía circular, la cual tiene
como objetivo lograr que el valor de los productos y materiales se mantenga durante el
mayor tiempo posible en el ciclo productivo. Para esto, el modelo busca que los residuos y
el uso de recursos se reduzcan al mínimo y que se conserven dentro de la economía cuando
un producto ha llegado al final de su vida útil, con el fin de volverlos a utilizar repetidamente
y seguir creando valor. Se trata de una gestión cuidadosa de los flujos de materiales, que
sonde dos tipos. Los nutrientes biológicos están diseñados para volver a entrar en la
biosfera de forma segura y construir el capital natural. Por ejemplo, los residuos de
alimentos y otros residuos orgánicos, al ser sometidos a técnicas de tratamiento, pueden
ser utilizados como abono acondicionador de suelos en la agricultura o también se pueden
utilizar como una forma de energía renovable para su uso en procesos industriales. Los
nutrientes técnicos están diseñados para circular con alta calidad sin necesidad de entrar
en la biosfera; por ejemplo, reutilizando los productos o aprovechando los materiales de los
mismos para su reincorporación en nuevos productos3
.
El biogás es una mezcla de gases, compuesta básicamente por el metano (CH4), dióxido
de carbono (CO2) y otros gases en volúmenes de trazas, que son resultado de un
procedimiento denominado digestión anaerobia (sin oxígeno). Entre los elementos que
pueden utilizarse para obtenerlo figuran los desechos de la agricultura, las excretas de los
animales y el hombre, así como otros residuos de la industria alimentaria.
Un biodigestor, es una instalación donde se garantiza la digestión anaerobia o la no
inclusión de aire para procesar y tratar residuos y excretas, y que a su vez está diseñada
para aprovechar el biogás y el material orgánico (efluente), obtenidos de las reacciones
bioquímicas. (Ceballos., A. 2014)
El tratamiento de los residuos constituye actualmente una necesidad para evitar la
contaminación del medio ambiente, además de traer consigo otras ventajas. El efluente,
por ejemplo, puede ser empleado como fertilizante orgánico mientras que el biogás es un
combustible que se utiliza para generar electricidad y calor, así como en la cocción de
alimentos, de acuerdo con Sosa, el uso más extendido que existe en el país.
En el siguiente mapa se observan los municipios donde están ubicadas las infraestructuras
para el tratamiento de residuos:
3Consejo nacional de política económica y social república de Colombia departamento nacional de planeación. (2016). Política nacional para
la gestión integral de residuos sólidos. Colombia: consejo nacional de política económica y social CONPES.

6. Fuente: CONPES 3874
Una de las tecnologías empleadas para el buen manejo de residuos de manera sostenible
es la digestión aeróbica o biometanización, es un proceso que consiste en procesos que
realizan diferentes grupos de microorganismos, principalmente bacterias y protozoos que,
en ausencia de oxígeno actúan sobre la materia orgánica disuelta, transformándola en otro
material celular, como el biogás y digestato.
El biogás. Es un combustible formado básicamente por metano (CH4) y dióxido de
carbono (CO2). Su elevado contenido en metano (entre el 60-65%) le proporciona una
elevada capacidad calorífica lo que hace posible, tras ser depurado para eliminar vapor
de agua y H2S. El uso del biogás permite obtener electricidad y calor. El digestato puede
utilizarse como en el campo, ya sea directamente o tras ser sometido a un proceso de
separación sólido líquido, mediante compostaje.
La producción de residuos orgánicos a nivel mundial es muy alta, y la digestión anaerobia
es un proceso idóneo para llevar a cabo el tratamiento de estos residuos.

7. Para aumentar la producción de biogás es indispensable añadir diferentes residuos
biodegradables, tales como los residuos ganaderos y residuos orgánicos industriales.
Donde el aprovechamiento de los residuos depende de la sinergia de las mezclas,
compensando las carencias de cada uno de los substratos por separado.
El biogás producido en procesos de digestión anaerobia puede tener diferentes usos:
 En una caldera para generación de calor o electricidad.
 En motores o turbinas para generar electricidad.
 En pilas de combustible, previa realización de una limpieza de H2S y otros
contaminantes de las membranas.
 Purificarlo y añadir los aditivos necesarios para introducirlo en una redde transporte
de gas natural.
 Uso como material base para la síntesis de productos de elevado valor añadido
como es el metanol o el gas natural licuado.
 Combustible de automoción.
 El biogás, además de metano tiene otra serie de compuestos que se comportan
como impurezas: agua, sulfuro de hidrógeno, monóxido de carbono y compuestos
orgánicos volátiles como hidrocarburos halogenados, siloxanos, etc. Portanto, es
necesaria la limpieza del combustible, dependiendo del uso final.
Metodología
La digestión anaeróbica es un proceso muy complejo tanto por el número de reacciones
bioquímicas que tienen lugar como por la cantidad de microorganismos involucrados en
ellas. De hecho, muchas de estas reacciones ocurren de forma simultánea.
Los estudios bioquímicos y microbiológicos realizados hasta ahora, dividen el proceso de
descomposición anaeróbica de la materia orgánica en cuatro fases o etapas:
1. Hidrólisis.
2. Etapa fermentativa o acidogénica.
3. Etapa acetogénica.
4. Etapa metanogénica.
Hidrólisis
La materia orgánica polimérica no puede ser utilizada directamente por los
microorganismos a menos que se hidrolicen en compuestos solubles, que puedan
atravesar la pared celular. La hidrólisis es el primer paso necesario para la degradación
anaeróbica de sustratos orgánicos complejos. Por tanto, es el proceso de hidrólisis el que
proporciona sustratos orgánicos para la digestión anaeróbica. La hidrólisis de estas
moléculas complejas es llevada a cabo por la acción de enzimas extracelulares producidas
por microorganismos hidrolíticos.
Etapa fermentativa o acidogénica
Durante esta etapa tiene lugar la fermentación de las moléculas orgánicas solubles en
compuestos que puedan ser utilizados directamente por las bacterias metanogénicas
(acético, fórmico, H) y compuestos orgánicos más reducidos (propiónico, butírico, valérico,
láctico y etanol principalmente) que tienen que ser oxidados por bacterias acetogénicas en
la siguiente etapa del proceso. La importancia de la presencia de este grupo de bacterias

8. no sólo radica en el hecho que produce el alimento para los grupos de bacterias que actúan
posteriormente, sino que, además eliminan cualquier traza del oxígeno disuelto del sistema.
Este grupo de microorganismos, se compone de bacterias facultativas y anaeróbicas
obligadas, colectivamente denominadas bacterias formadoras de ácidos.
Etapa acetogénica
Mientras que algunos productos de la fermentación pueden ser metabolizados directamente
porlos organismos metanogénicos (H y acético), otros (etanol, ácidos grasos volátiles y
algunoscompuestos aromáticos) deben ser transformados en productos más sencillos,
como acetato (CH COO-) e hidrógeno (H), a través de las bacterias acetogénicas.
Representantes de losmicroorganismos acetogénicos son Syntrophomonas wolfei y
Syntrophobacter wolini.
Etapa metanogénica
En esta etapa, un amplio grupo de bacterias anaeróbicas estrictas, actúa sobre los
productos resultantes de las etapas anteriores. Los microorganismos metanogénicos
pueden ser considerados como los más importantes dentro del consorcio de
microorganismos anaerobios, ya que son los responsables de la formación de metano y de
la eliminación del medio de los productos de los grupos anteriores, siendo, además, los que
dan nombre al proceso general de biometanización.
Resultados esperados
La digestión de los residuos orgánicos urbanos implica el desarrollo de una logística en la
cual se definen las variables que se controlaran en los contenedores donde se realiza la
fermentación y degradación de la materia orgánica, de acuerdo a esto los biodigestores se
pueden construir para su funcionamiento en continuo si se realiza una inyección y
descargue de los contenidos de forma periódica o tipo batch si se inyecta y se establece un
tiempo de retención en el cual se realice el proceso de fermentación, para finalmente
vaciarlo.
La digestión anaerobia de los residuos sólidos implica entonces el control de diferentes
variables como:
La temperatura: Teniendo en cuenta que los microorganismos son los que realizan la
fermentación, la actividad de estos está fuertemente relacionada con la temperatura así:
Cada grupo de microorganismos actúa de acuerdo a las condiciones del medio, si le son
óptimas para su supervivencia, realizan el proceso de degradación si no, se presentan
problemas en el proceso y no se obtienen los productos deseados, de acuerdo a la literatura
los microorganismos termófilos aumentan la velocidad de fermentación respecto a los
microorganismos mesófilos y psicrófilicos. Lo cual implica que para potenciar la
fermentación se debe realizar control de la temperatura superior a 35 º C, con la finalidad
de que ocurra una disminución del tiempo de retención de los residuos sólidos en los
digestores.

9. Tiempo de retención: corresponde al periodo de tiempo en el que los residuos sólidos se
encuentran en el digestor, este factor es inversamente proporcional a la temperatura, a
mayor temperatura, menor tiempo de retención. Sin embargo para lograr un producto de
alta calidad se requiere de una incubación o tiempo de retención largo, puesto que en estas
condiciones el contenido de metano producido es mayor y por lo tanto se produce mayor
cantidad de energía.
En el proceso de digestión anaerobia los microorganismo responsables de la fermentación
consumen en principio el oxígeno que queda inmerso en algunos espacios del biorreactor,
en la degradación se producen principalmente compuestos químicos como el ácido acético
y el amoniaco durante la etapa de la fermentación o actinogénesis, esta se considera una
de las ventajas de este proceso de tratamiento, debido a que se pueden obtener otro tipo
de compuestos o metabolitos diferentes al biogás.
En la etapa final del proceso de fermentación en los biodigestores se logran controlar los
lixiviados, que son usados en beneficio del proceso de obtención del biogás a partir de las
bacterias metanogénicas.
Conclusiones
Existen diferentes alternativas para fomentar la gestión y el manejo de los residuos
orgánicos, todas con beneficios y perjuicios, sin embargo en su mayoría proporcionan
estrategias de recuperación de los residuos y de minimización de los impactaos
ambientales que es el principal objetivo, la elección del tipo de estrategia, depende de las
necesidades del territorio, del tipo de residuo , los costos e inversiones y de lo que se quiere
producir, por ejemplo Los residuos orgánicos pueden ser convertidos en productos que se
pueden usar para la generación de energía por diferentes métodos como la combustión
para producir vapor y electricidad , pirolisis para producir gas sintético, gasificación para
producir combustibles sintéticos, biológica para producir compost ó biodigestión para
producción de metano y humus.
Recomendaciones
Un biodigestor es un sistema sencillo de conseguir, ayuda a solventar la problemática
energética y ambiental de diferentes localidades y a dar un manejo adecuado de los
residuos sólidos orgánicos generados por las actividades del hombre y la tecnología que
utiliza, sin embargo es fundamental que la construcción y aplicación de plantas funcionales
para el tratamiento de residuos a través de este proceso, se realice en espacios idóneos
que estén alejados de las comunidades para evitar la prevalencia de malos olores que
puedan generar problemas de salud pública. Igualmente se requiere también la articulación
de esta técnica con el método de rellenos sanitarios para la disposición final de los
productos obtenidos posterior al tratamiento de los residuos

10. Bibliografía
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