Reactor de biogas

Un reactor de biogás es una cámara hermética que facilita la degradación anaerobia de aguas negras, lodos o desperdicios biodegradables. También facilita la recolección del biogás producido en los procesos de fermentación en el reactor. El gas se forma en el lodo y se acumula en la parte superior de la cámara. El lodo digerido es rico en orgánicos y nutrientes, casi no tiene mal olor y sus patógenos están parcialmente inactivos, por lo que, garantizando el manejo seguro de acuerdo con las normas sanitarias, puede ser usado como fertilizante en la agricultura (TILLEY et al. 2018).

Esta tecnología tiene múltiples ventajas: además de tratar los desechos orgánicos presentes en las aguas residuales, evita la contaminación ambiental, produce un gas combustible que puede emplearse para satisfacer la demanda de energía de una comunidad y un efluente (lodo) que sirve como fertilizante (TILLEY et al. 2018). En China, esta tecnología se ha implementado como opción de saneamiento en el medio rural desde la década de los setenta. Existen cerca de 2 millones de biodigestores en operación en unidades familiares que producen de 1 a 2 m³ diarios de biogás a partir de los residuos que provienen de los sanitarios y los animales domésticos (VARNERO 2011).

En México, sin embargo, esta tecnología todavía no está muy difundida. Los reactores de biogás se usan principalmente para el tratamiento de las excretas de animales (SAGARPA-FIRCO 2009) y para la estabilización de los lodos activos de las plantas de tratamiento de aguas residuales, como en la planta de tratamiento de Atotonilco, en el Valle de México y la de León, en Guanajuato (CONAGUA 2015b), pero rara vez como una opción de saneamiento descentralizada. Solo se registran algunas experiencias puntuales de construcción de reactores de biogás para el tratamiento de las aguas negras in situ, como por ejemplo el proyecto Huerto Roma Verde en la Ciudad de México. Una de las iniciativas más relevante de uso de reactores de biogás en contexto doméstico es el que llevó a cabo la Comisión del Agua del Estado de México (CAEM) en 2015, en la localidad de Tres Piedras, en Naucalpan. Considerando que la construcción de un sistema de alcantarillado no era factible por la dispersión de las casas, se optó por instalar biodigestores unifamiliares y multifamiliares en la localidad, para el beneficio de 125 personas. Este proyecto se hizo acreedor del primer premio en casos de éxito otorgado por el Banco Interamericano de Desarrollo (BID) y la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA  2015b; HOY ESTADO DE MÉXICO 2016).

Existen varios diseños de reactores. Dependiendo de las características del suelo, espacio, recursos disponibles y volumen de material a tratar, pueden ser domos construidos de ladrillo o tanques prefabricados, instalados por encima o por debajo del suelo. Pueden construirse como domos fijos o como domos digestores flotantes. En el domo fijo el volumen del reactor es constante. Conforme se genera el gas, ejerce una presión y desplaza la mezcla de lodo hacia arriba, a una cámara de expansión. Cuando el gas es removido, la mezcla fluye hacia el reactor. La presión puede ser usada para transportar el biogás a través de las tuberías. En un reactor tipo domo flotante o bolsa, el domo sube y baja según la producción y el retiro de gas. Otras veces puede expandirse (como un globo) (TILLEY et al. 2018). El sistema debe contar con un registro cerrado de alimentación, una válvula de alivio para mantener niveles seguros de presión en el reactor, así como una tina para la recolección del biol (lodo) resultante (SISTEMA BIOBOLSA 2018). La temperatura de la mezcla en el digestor es un factor importante para la eficiencia del proceso de digestión (VARNERO 2011). El tiempo de Retención Hidráulica (TRH) debe ser al menos de 15 días en climas cálidos y de 25 días en climas templados. Para entradas muy patogénicas, debe considerarse un TRH de 60 días. Normalmente los reactores de biogás funcionan en el rango de temperatura mesofílico de 30 a 38 º C (TILLEY et al. 2018).

A nivel de viviendas, es posible que los reactores estén hechos con recipientes plásticos o de ladrillo para abaratar los costos (TILLEY et al. 2018). Con el fin de hacer más accesible esta tecnología se han desarrollado algunas propuestas de reactores, hechos con recipientes plásticos o geomembrana tubular (sistema biobolsa por ejemplo).

Para minimizar las pérdidas de presión y riego de fugas en la distribución, los reactores deben instalarse cerca de donde el gas será usado. A menudo los reactores de biogás están directamente conectados a sanitarios privados o públicos, con un punto de acceso adicional para materiales orgánicos. Los tamaños pueden variar desde 1 000 l para una sola familia hasta 100 000 l para sanitarios públicos o institucionales. Debido a que la producción de lodo digerido es continua, debe preverse su almacenamiento, uso o transporte fuera del sitio (TILLEY et al. 2018).

Esta tecnología puede aplicarse en viviendas y en pequeños vecindarios o en la estabilización de lodos en plantas de tratamiento de aguas residuales grandes. En comunidades rurales resulta aplicable a asentamientos de casas dispersas con recursos y capacidades y un suministro de agua suficiente, ya que es necesario que tengan posibilidad de obtener refacciones y de realizar reparaciones, así como de un aporte de agua de entre dos y tres veces el volumen de la materia orgánica a digerir. Esta tecnología también resulta idónea para poblaciones de menos de 2500 habitantes, con capacidades y una cantidad de agua suficiente, aunque cuando la utilización del biol se vaya a realizar lejos del sitio donde se produce será también necesario un sistema de transporte de este. A menudo el reactor de biogás se utiliza como alternativa a la fosa séptica, ya que ofrece un nivel similar de tratamiento, pero con el valor agregado del biogás.

Aunque el uso del biogás es atractivo, en especial en comunidades rurales que tienen acceso limitado al gas LP, hacer una inversión para su aprovechamiento no siempre resulta interesante ya que en los pequeños biodigestores que procesan únicamente aguas negras, la producción de biogás es mínima (CONAGUA 2015a). El reactor de biogás es la pieza clave en el sistema de saneamiento de biogás, sin embargo, puede ser utilizado en el tratamiento semi-centralizado de los sistemas de tratamiento de aguas negras con infiltración, de tratamiento de aguas negras con conducción del efluente y de conducción de aguas negras a tratamiento.con sus respectivas restricciones y adaptaciones.

Los niveles más altos de producción de biogás se obtienen con sustratos concentrados que son ricos en materia orgánica como estiércol y/o productos orgánicos del mercado o desperdicios domésticos (TILLEY et al. 2018). Para eficientizar la producción de biogás a nivel doméstico, se recomienda tratar las aguas negras juntamente con los estiércoles y los desperdicios de casa (TILLEY et al. 2018; CONAGUA 2015a). Por eso, esta tecnología resulta más adecuada en las zonas donde hay forraje y ganado.

La velocidad de degradación de la materia orgánica depende de la temperatura; mientras mayor sea la temperatura, menor es el tiempo de retención o fermentación para obtener una buena producción de biogás. En climas fríos, el tiempo de retención hidráulica (TRH) es más largo y y el volumen del digestor debe incrementarse sustancialmente para procesar el mismo volumen diario de carga de residuos (VARNERO 2011). Por eso, los reactores de biogás son menos apropiados para climas fríos (TILLEY et al. 2018).

El lodo digerido está parcialmente desinfectado, pero aún conlleva un riesgo de infección. Dependiendo de su uso final, puede requerir tratamiento adicional. También hay peligros asociados con los gases inflamables que, de ser mal manejados, pueden ser perjudiciales para la salud humana (TILLEY et al. 2018).

Los estudios que han sido realizados en torno a esta tecnología en México y en otros países han revelado dificultades relativas al manejo y operación de los biodigestores, un desconocimiento generalizado del funcionamiento y requerimiento del sistema por parte de los usuarios, así como problemas de diseño y escasa aceptación sociocultural (SAGARPA-FIRCO 2009). La operación de los reactores de biogás no es compleja, pero suele ser poca intuitiva para los usuarios que no están familiarizados con esta tecnología. Para garantizar su buen funcionamiento y prevenir problemas sanitarios, se debe capacitar a los usuarios en la operación y el mantenimiento del sistema, como lo hizo la Comisión del Agua del Estado de México (CAEM) en el proyecto que implementó en la localidad de Tres Piedras, en Naucalpan (CAEM 2015).

Si el reactor está correctamente diseñado y construido, las reparaciones deben ser mínimas (TILLEY et al. 2018). Sin embargo, los reactores de biogás requieren mantenimiento periódico (VARNERO 2011; CAEM 2015). Las tareas de mantenimiento dependen del diseño del reactor. En ciertos modelos, se debe revisar la trampa de grasa para evitar la obstrucción de la llegada al biodigestor una vez al mes, así como limpiar el filtro donde los microorganismos se adhieren y su contenedor cada dos años (CAEM 2015). Dependiendo del diseño y de los afluentes, el reactor debe vaciarse completamente, retirando el lodo del fondo, una vez cada 5 a 10 años (TILLEY et al. 2018) o incluso con mayor frecuencia (VARNERO 2011).

Para poner en marcha el reactor, debe inocularse con bacterias anaerobias; por ejemplo, mediante la adición de estiércol de vaca o lodo de la fosa séptica. Los orgánicos usados como substrato deben triturarse y mezclarse con agua o lodo digerido antes de la alimentación (TILLEY et al. 2018). No se deben agregar aguas grises porque reducen sustancialmente el tiempo de retención hidráulica (TRH). Los materiales como paja y madera son resistentes a la fermentación, por lo que deben evitarse en el sustrato (CONAGUA 2015a; TILLEY et al. 2018). El equipo de gas también debe limpiarse cuidadosa y periódicamente para prevenir la corrosión y las fugas. La arenilla y la arena que se han asentado en el fondo deben ser removidas (TILLEY et al. 2018).