Artículo 5 Tratamiento de los Desechos y su Aprovechamiento en la Generación de Energía Eléctrica

Autor: Gabriel Fong Mazariegos
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Fecha: 29 de abril de 2019

Resumen

El presente trabajo se basa en el estudio de la cantidad de los desechos sólidos orgánicos y de las aguas residuales del tipo ordinario, generados por los habitantes de la cabecera departamental de Jutiapa, con la finalidad de darle un tratamiento adecuado, y así determinar su potencial y aprovechamiento como biomasa en el proceso de biodigestión, para lo cual se utiliza un biodigestor que se encarga de procesar la materia orgánica presente tanto en los desechos sólidos, como en el agua residual del tipo ordinaria.

Con este proceso de tratamiento se espera obtener dos subproductos, los cuales serán reutilizables posteriormente;, el primero consiste en la obtención de biogás, un gas compuesto básicamente por metano, dióxido de carbono, y en menor cantidad sulfuro de hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, el cual puede usarse como combustible en aplicaciones como: la sustitución del gas propano o LPG en procesos que así lo requieran, tales como calderas, sistemas de calefacción y estufas de uso doméstico o industrial; también puede utilizarse como combustible en el proceso de generación de energía eléctrica, a través de generadores eléctricos accionados por motores de combustión interna; este gas sustituye al combustible fósil utilizado frecuentemente, en la generación de energía eléctrica como: gasolina, diésel, bunker o querosén. El segundo subproducto es un agua tratada que contiene nitrógeno, fósforo y potasio, que actúa como fertilizante y mejoradora de suelos en procesos de fertirriego; se puede utilizar para cierta clase de cultivos como: caña de azúcar y maíz, así como para consumo animal, café, árboles frutales, pastos, entre otros.

Abstract

The present work is based on the study of the amount of organic solid waste and wastewater of the ordinary type, generated by the inhabitants of the departmental capital of Jutiapa, in order to give it an adequate treatment, and thus to determine its potential and use as biomass, in the process of biodigestion, for which a biodigester is used that is responsible for processing the organic matter present in both solid waste as well as waste water of the ordinary type.

With this process of treatment, it is expected to obtain two byproducts which will be reusable later, the first one consists in obtaining biogas, a gas composed basically of methane, carbon dioxide, and in less amount of hydrogen sulfide, oxygen, nitrogen, which can be used as fuel in applications such as: the replacement of propane gas or LPG, in processes that require it, among which we find, boilers, heating systems and stoves for domestic or industrial use, we can also use it as fuel in the process of electric power generation, through electric generators powered by internal combustion engines, this gas replaces the fossil fuel used frequently, in the generation of electric power such as: gasoline, diesel, bunker or kerosene. The second by-product, is a treated water that contains nitrogen, phosphorus and potassium, which acts as fertilizer and soil improver in fertigation processes, and can be used for certain kinds of crops such as: sugar cane, corn for animal consumption, coffee, fruit trees, pastures, etc.

Palabras Clave:

Desechos sólidos orgánicos, aguas residuales ordinarias, biodigestor, biogás, fertirriego.

5.1 Introducción

Hasta hace unos años, el tema de tratamiento de desechos sólidos orgánicos y aguas residuales en Guatemala, era para muchos un gasto, que solamente elevaba los costos de producción para el caso de la industria; para las instituciones de gobierno como las municipalidades, significaba una reducción en los ingresos y la limitante de ejecutar una mayor cantidad obras públicas.

Hoy en día existen alternativas que permiten, no solo darle un tratamiento a este tipo de desechos, sino que además sacarle provecho; uno de estos procesos consiste en la utilización de un sistema de biodigestión, llamado biodigestor que no es más que una cámara hermética donde se acumulan residuos orgánicos (vegetales, excremento de animales, aguas residuales ordinarias) mediante un proceso natural de bacterias (anaerobias) presentes en los excrementos que descomponen el material contenido en biogás y en fertilizante. Este biogás puede utilizarse como combustible en un motor de combustión interna, el que a su vez se acopla a un generador eléctrico, para posteriormente generar energía eléctrica que puede ser reutilizada en diferentes procesos o bien ser inyectada a la red de energía eléctrica nacional; por último se puede usar el fertilizante producido ya que contiene nitrógeno, fósforo y potasio, además de una carga bacteriana que permite no solo mejorar las propiedades del suelo, sino que ayudan a ciertos cultivos a desarrollarse de mejor manera.

5.2 Artículo

5.2.1 Producción de desechos sólidos

La cabecera departamental de Jutiapa no cuenta con una planta de tratamientos de desechos sólidos, por lo que la disposición final se realiza en un vertedero o relleno sanitario, el cual está ubicado en las afueras del casco urbano, en la finca El Estoraque; es arrendado por la municipalidad.

Actualmente estos desechos sólidos crecen, a medida que la población también lo hace, por lo tanto en la siguiente gráfica se ejemplifica cómo los habitantes de la cabecera departamental de Jutiapa contribuyen actualmente de manera directa a la generación de estos desechos sólidos, y el crecimiento proyectado de lo que se espera en los próximos años.

Proyección toneladas por año desechos sólidos

Figura 5.1: Proyección toneladas por año desechos sólidos

La población actual de Jutiapa cuenta con 41,847 habitantes, aproximadamente, los cuales residen en 8,369 hogares; parte de estos desechos sólidos recolectados son el producto de 2,000 hogares que representan el 23.89% del total que pagan el servicio a la Asociación de Recolectores de basura de Jutiapa.

El resto de los hogares, que son 6,369, envían su basura a los dos centros de acopio ubicados; uno en el mercado central y el otro en el antiguo campo de la feria; así como en basureros clandestinos y la basura que se encuentra en calles y avenidas del casco urbano, la cual es recolectada por el Departamento de Mantenimiento Municipal. Esto representa el 76.10% de los hogares; la cantidad de basura recolectada, según los centros de acopio, se refleja en la siguiente gráfica.

Cantidad de desechos recibida por día; Total 50.86 toneladas

Figura 5.2: Cantidad de desechos recibida por día; Total 50.86 toneladas

En pruebas de campo se determinó que en un metro cúbico caben 33 bolsas negras estándar de basura, con un peso de 407 libras, de las cuales 363 son de desechos sólidos orgánicos (89.18 %), mientras que el restante, 44 libras, son materiales inorgánicos que se pueden reciclar; por ejemplo: cartón, vidrio, plástico, bolsas de nylon, entre otros.

5.2.2 Producción de aguas residuales ordinarias

Las aguas residuales ordinarias son el producto de procesos comunes y cotidianos en los hogares, que van desde ducharse, usar el servicio sanitario, limpieza e higiene del hogar, entre otros. En algunos casos, las aguas residuales se recolectan, tratan y descargan por medio de un sistema común. En el municipio de Jutiapa, el sistema municipal no cuenta con una planta de tratamiento oficial y los drenajes se vierten directamente a los ríos o son conducidas al exterior de los hogares; sin embargo, en el casco urbano se cuenta con un nivel de tratamiento primario que consiste en eliminar los desechos sólidos de las aguas contaminadas de las fosas sépticas y al momento que desemboquen en los ríos La Paz, De La Virgen, Colorado y río Salado, reducen el nivel de contaminación.

Según el INE 2002, el 49.6% de los hogares contaban con un servicio sanitario y el 36.24% con fosas sépticas, excusados lavables y letrinas. Es de indicar que la red de drenajes abarcaba solamente al 20% de los hogares y el 16.24 % no contaba con algún servicio. (Diagnóstico socioeconómico, potencialidades productivas y propuestas de inversión, Facultad de Ciencias Económicas USAC, 2013, página 96).

Actualmente el sistema de alcantarillado Municipal, que recorre la cabecera departamental de Jutiapa, descarga en doce puntos diferentes, a lo largo de los ríos ya mencionados con anterioridad, los cuales fueron identificados y posicionados en el siguiente cuadro.

Coordenadas geográficas de puntos de monitoreo

Figura 5.3: Coordenadas geográficas de puntos de monitoreo

Estos mismos 41,847 habitantes, aproximadamente, que residen en 8,369 hogares, generan los siguientes caudales de agua residual, vertidos en doce puntos diferentes.

Medición de caudales en litros por segundo y metros cúbicos por día

Figura 5.4: Medición de caudales en litros por segundo y metros cúbicos por día

5.2.3 Diseño del sistema de tratamiento

Como ya se dijo, este sistema es innovador porque combina un sistema tradicional de planta de tratamiento con uno anaeróbico (biodigestor), por lo que permite, entre otras cosas, aprovechar la materia orgánica y producir energía eléctrica, sumado a esto darle el tratamiento adecuado de las aguas residuales y basura, ya que hoy en día no se hace y por eso vemos focos de contaminación, y nuestros ríos y lagos agonizando por el alto grado de contaminación que reciben.

Por primera vez se habla de un sistema que puede generar ingresos económicos y ayudar de manera directa a la reducción de gases de efecto invernadero, causantes del cambio climático que actualmente vivimos; esto porque se atrapa y quema el gas metano producido durante la degradación de la materia orgánica presente en la basura y agua residual, y la reutilización del agua tratada para riego en los campos de siembra.

El sistema consta de las siguientes etapas o unidades:

Tratamiento primario

  1. Caja de demasías

  2. Canal de ingreso, rejas y desarenador

  3. Plataforma para descarga de desechos

  4. Tanque de captación

Tratamiento secundario

  1. Biodigestor

Tratamiento terciario

  1. Clarificador

  2. Clorador

  3. Tanque de contacto

  4. Laguna secundaria

  5. Toma para fertiriego

Y de acuerdo con los desechos sólidos orgánicos y aguas residuales tratadas, se producirá lo siguiente:

1 tonelada de desecho sólido equivale a 66.15 mts³ de biogás, a una DQO de 5,500 mgl.

5.2.4 Desechos sólidos orgánicos:

La estimación de la cantidad de biogás a producir obedece al estudio realizado en un biodigestor del tipo propuesto en este proyecto, en él se ingresaron diferentes tipos de desechos sólidos orgánicos y se evaluaron durante un año; de ahí el factor de 66.15 mts³ de biogás por tonelada ingresada.

Valores de producción de biogás por tonelada de desecho sólidos

Figura 5.5: Valores de producción de biogás por tonelada de desecho sólidos

5.2.5 Agua residual tipo ordinaria

DQO Kg/día = (Q (m³/día) x DQO mgl)/1,000
Q = caudal por día medido en metros cúbicos.
DQO, Demanda Biológica de Oxígeno en miligramos por litro
DQO = (1,856.38 X 156.7) / 1,000 = 290.11 Kg.

Producción de biogás por metro cúbico de agua residual

Figura 5.6: Producción de biogás por metro cúbico de agua residual

Para el caso del agua residual, por cada kilogramo de DQO se obtiene un factor de 0.55 mts³ de biogás; el factor se obtiene luego de realizar diferentes evaluaciones en sistema similar al propuesto para este caso, el valor de DQO corresponde a las mediciones realizadas durante 4 días en cada uno de los doce puntos de descarga.

Por lo tanto para el presente caso se tendrá una producción de biogás, equivalente a 3,159.56 mts³ por día; este biogás equivale a 31.59 cilindros de 100 lbs de gas propano por día, o 322.40 gls de diésel por día, y 1,856.38 m³ de agua tratada para fertirriego.

Por lo tanto este biogás producido nos permite generar 250 Kwh por medio de un generador previamente arreglado para utilizar el biogás como combustible, durante 20 horas por día los 365 días del año, y tomando en cuenta el costo de implementación del proyecto, operación, mantenimiento y los ingresos extras por cobro de tratamiento de aguas residuales y basura orgánica, se tiene el siguiente cuadro.

Flujo de fondos proyectado a 5 años; cifras en miles de quetzales

Figura 5.7: Flujo de fondos proyectado a 5 años; cifras en miles de quetzales

Se toma en cuenta una tasa de rendimiento del 15%, la cual está conformada de la siguiente manera: 10% que corresponde a la tasa a la cual el INFOM le presta a la municipalidad el dinero para realizar el proyecto, y 5% de tasa de inflación anual según el Banco de Guatemala (año 2017).

Realizando los cálculos respectivos se tienen los siguientes indicadores financieros:

  • Una valor actual neto (VAN) de Q 669,120.00
  • Tasa interna de retorno (TIR) 16.7539%
  • Un período de recuperación de 4.875 años, es decir 4 años 8 meses y 23 días.

Como se ha venido explicando desde el inicio, el proyecto no solo cumple con el tratamiento de los desechos orgánicos sino que además genera ingresos; por primera vez se habla de un proyecto de tratamiento rentable, eficiente y amigable con el medio ambiente.

5.3 Conclusiones

  • La propuesta y estudio de este Ejercicio Profesional Supervisado obedecen a 15 años de investigación y desarrollo propio, con 16 proyectos desarrollados y una potencia instalada en generación de energía eléctrica con biogás de 1.1 Mw.

  • Es posible proponer un sistema confiable para el tratamiento de las aguas residuales y desechos sólidos orgánicos, que salga de los sistemas tradicionales usados hasta el día de hoy en Guatemala.

  • Con las nuevas regulaciones de ley, en materia de tratamiento de aguas residuales y desechos sólidos, las municipalidades no han invertido en el cumplimiento de dichas regulaciones debido al costo de inversión de los sistemas convencionales de tratamiento, y las pocas que lo hacen terminan abandonándolos debido a su costo de operación.

  • El sistema de biodigestión permite capturar el gas metano 21 veces más contaminante que el dióxido de carbono, lo que hace el proyecto candidato para fuentes de financiamiento externas, pues contribuye a disminuir los gases de efecto invernadero, que a su vez es causante del cambio climático.

  • Debido a las características del sistema de tratamiento y la generación de energía eléctrica, el capital de inversión puede ser recuperado en período de 4 años 8 meses y 23 días, por lo que se puede hablar de una fuente de ingresos para la municipalidad de hasta 1,962,160 millones de quetzales por año, luego del plazo indicado.

  • Actualmente en Guatemala se cuenta con 1.12 Mw instalados, de generación de energía eléctrica a través de biogás, de procesos como: granjas de cerdos, arroz, maíz, lecherías, y desechos sólidos de frutas y verduras.

5.4 Referencias

  • Banco de Guatemala, Ritmo inflacionario años 1980-20174. [Consulta en linea, Febrero de 2018].

  • GARCÍA LIMA, Antonio Guilherme. Generación térmica5. [Consulta en linea].

  • REDEL, Lautaro Ignacio. Historia de los biodigestores6. [Consulta en linea, Octubre de 2017].

Modelo Planta de tratamiento desechos sólidos y aguas residuales

Figura 5.8: Modelo Planta de tratamiento desechos sólidos y aguas residuales

Vista Planta de tratamiento desechos sólidos y aguas residuales

Figura 5.9: Vista Planta de tratamiento desechos sólidos y aguas residuales

  1. http://www.banguat.gob.gt/inc/ver.asp?id=/imm/imm03↩

  2. http://www.antoniolima.web.br.com/arquivos/podercalorifico.htm↩

  3. http://infodigestor.blogspot.com/2014/06/historia-de-los-biodigestores.html↩