Propuesta para el diseño de un biodigestor anaeróbico empleando llantas usadas para mejorar el tratamiento de las excretas bovinas

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Resumen

Anaerobic biodigestion is a process used to break down organic solid waste. The Taiwan biodigester is one of the most used technologies in rural areas, due to its low installation cost, however, it presents efficiency problems, so, to increase it, the use of alternative materials that abound in mass (used car tires), has been raised for its physical – chemical properties, this to stabilize the decomposition process of bovine excreta. Given the above, in the present project, the design of a biodigester was proposed as a system for the use of excreta from the livestock industry, using the tires used to improve the efficiency of the anaerobic biodigestion process. For this, 4 phases were established; (1) compilation and evaluation of the feasibility of four biodigestion alternatives, (2) characterization of the tires used in Colombia, (3) sizing of the biodigester and the use of tires in the biodigestion process, and (4) the formulation and financial evaluation of the project. Using the multiple – criteria technique TOPSIS, the Taiwan – type biodigester was chosen as the alternative with the greatest viability, to be used in the livestock industry and rural areas. In order to improve the biodigestion process, it was decided to use used tires, due to the good physical – chemical properties, such as the ease of growth of different microorganisms on the surface and transfer of heat energy to the biodigestion medium (3.61 Wh per tire). Additionally, by using the tires after completing their useful life cycle, an alternative for the use of this material is provided, reducing the problems of abandonment and stacking. According to the areas, with greater generation of bovine manure, whose temperatures on average favor the biodigestion process, a dimensioning was reached, based on variables such as manure, volume, HRT, size of the bag and trench; obtaining a biodigester with a volume of 8 m3 , with the capacity to introduce 9 car tires and transfer 32.51 Wh of heat energy to the environment. Once the biodigester was dimensioned, an investment of $ 2’288,606 pesos was calculated, related to materials, equipment, machinery and supplies; obtaining five – year profits (NPV) of $ 4’914,729, $ 4’047,055 and $ 3’335,662 pesos, with a discount rate of 10%, 15% and 20%, respectively, in addition to an internal rate of return (IRR) of 74.5% of the initial investment. With the fulfillment of the different phases of the project, the Taiwan biodigester was proposed as the best alternative for the treatment of bovine excreta, mainly because of its efficiency and cost – benefit ratio. It was found that, using the rubber of car tires, the biodigestion process can be improved, thanks to the properties of the material such as heat transfer, which keeps the internal temperature stable, and other properties (surface, porosity, water adsorption, neutral pH and high carbon content), favoring the growth of different microorganisms present in anaerobic biodigestion.

Descripción

La biodigestión anaerobia, es un proceso utilizado para descomponer los residuos sólidos orgánicos. El biodigestor Taiwán, es una de las tecnologías más utilizadas en las zonas rurales, debido a su bajo costo de instalación, sin embargo, presenta problemas de eficiencia, por lo que, para aumentarla, se ha planteado el uso de materiales alternativos que abundan en masa (llantas de carros usadas), por sus propiedades físico – químicas, esto para estabilizar el proceso de descomposición de las excretas bovinas. Dado lo anterior, en el presente proyecto, se propuso el diseño de un biodigestor como sistema de aprovechamiento de las excretas provenientes de la industria ganadera, empleando las llantas usadas para mejorar la eficiencia del proceso de biodigestión anaerobia. Para ello, se establecieron 4 fases; (1) recopilación y evaluación de la viabilidad de cuatro alternativas de biodigestión, (2) caracterización de las llantas usadas en Colombia, (3) dimensionamiento del biodigestor y el uso de llantas en el proceso de biodigestión, y (4) la formulación y evaluación financiera del proyecto. Mediante la técnica multicriterio TOPSIS, se escogió el biodigestor tipo Taiwán, como la alternativa con mayor viabilidad, para ser usado en la industria ganadera y zonas rurales. Con la finalidad de mejorar el proceso de biodigestión, se optó por usar llantas usadas, debido a las propiedades físico – químicas, como la facilidad de crecimiento de diferentes microorganismos en la superficie y transferencia de energía calorífica al medio de biodigestión (3.61 Wh por llanta). Adicionalmente, al darle uso a las llantas después de cumplir su ciclo de vida útil, se brinda una alternativa de empleo de este material, disminuyendo los problemas de abandono y el apilamiento. Conforme a las zonas, con mayor generación de estiércol bovino, cuyas temperaturas en promedio favorecen el proceso de biodigestión, se llegó a un dimensionamiento, basados en variables como estiércol, volumen, TRH, dimensión de la bolsa y zanja; obteniendo un biodigestor con volumen de 8 m3 , con capacidad de almacenar 9 llantas de autos y transferir al medio 32.51 Wh de energía calorífica. Dimensionado el biodigestor, se calculó una inversión de $ 2’288,606 pesos, relacionado con los materiales, equipo, maquinaria y dotación; obteniendo utilidades a cinco años (VPN) de $ 4’914,729, $ 4’047,055 y $ 3’335,662 pesos, con una tasa de descuento del 10%, 15% y 20%, respectivamente, además una tasa interna de retorno (TIR) del 74.5% de la inversión inicial. Con el cumplimiento de las distintas fases del proyecto, se propuso el biodigestor Taiwán como mejor alternativa para el tratamiento de las excretas bovinas, principalmente por su eficiencia y relación costo – beneficio. Se comprobó que, utilizando el caucho de las llantas de autos, se puede mejorar el proceso de biodigestión, gracias a las propiedades del material como la transferencia de calor, que mantiene estable la temperatura interna, y demás propiedades (superficie, porosidad, adsorción de agua, pH neutro y alto contenido de carbono), favoreciendo el crecimiento de diferentes microorganismos presentes en la biodigestión anaerobia.

Palabras clave

Llantas usadas, Biodigestión anaerobia, Excretas bovinas, Industria ganadera

Materias

Ingeniería de producción - Tesis y Disertaciones Académicas

Citación