Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias Vol. 31, No. 3, July-September, 2022, ISSN: 2071-0054
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ORIGINAL ARTICLE

Biophysicochemical study of biodigesters fed with pig and bovine manure, in Sumapaz Province, Colombia

 

iDJairo Enrique Granados-Moreno*✉:jegranados@cundinamarca.edu.co

iDDiego Andrés Abril-Herrera

iDAndrés Mogollón-Reina


Universidad de Cundinamarca, Facultad de Ciencias Agropecuarias, Fusagasugá, Cundinamarca, Colombia.

 

*Author for correspondence: Jairo Enrique Granados Moreno, e-mail: jegranados@cundinamarca.edu.co

ABSTRACT

In recent years, the construction of biodigestion systems has been implemented, achieving effective results in economic, energy and environmental matters, where the annual production of biogas has increased to significant levels with the purpose of producing electrical and heat energy (Steyer et al. 2006). The work aimed to evaluate the behavior of 4 biodigesters supplied with bovine and porcine excreta and to assess the biophysicochemical quality of their biols, in Fusagasuga Municipality, Cundinamarca. Five moments of analysis of variables in the field (T, HR, pH) and sampling of tributaries, effluents from four biodigesters, located in production systems (3 pigs and 1 bovine) in Fusagasugá Municipality were performed. Samples were transported to the nutrition laboratory of University of Cundinamarca, where through instrumental analytical techniques such as potentiometric tests, gravimetry, multiparametric measurement, titration and spectrophotometry, variables like pH, total dissolved solids (TDS), electrical conductivity (EC), nitrogen, phosphorus and potassium were evaluated. Biophysicochemical indicators determined in liquid fertilizers-biols, showed slightly alkaline pH values, high EC and TDS, moderately concentrated available nitrogen and potassium contents and slightly lower phosphorus values ​​than those reported in other similar works, which allows recommending them for use as liquid biofertilizers in moderately tolerant crops. Biogas produced in Mirador and Santa Bárbara biodigesters presented the highest concentration of methane gas, significantly exceeding (P<0.050) the CH4 obtained in Meseta and Saucita, which can be explained by the type of substrate used (pig and bovine manure) and the weather conditions of the farms studied.

Keywords: 
Anaerobic biodigestion, biofertilizer, biomass

Received: 10/1/2022; Accepted: 24/6/2022

Jairo Enrique Granados Moreno, Profesor Titular, Universidad de Cundinamarca, Facultad de Ciencias Agropecuarias, Prog. Zootecnia, Sede Fusagasugá, Cundinamarca, Colombia, GRIPEZ, e-mail: jegranados@cundinamarca.edu.co

Diego Andrés Abril Herrera, Profesor Titular, Universidad de Cundinamarca, Facultad de Ciencias Agropecuarias, Prog. Zootecnia, Sede Fusagasugá, Cundinamarca, Colombia, SISPROS, e-mail: adiego@cundinamarca.edu.co

Andrés Mogollón Reina, Profesor Titular, Universidad de Cundinamarca, Facultad de Ciencias Agropecuarias, Prog. Zootecnia, Sede Fusagasugá, Cundinamarca, Colombia, SISPROS, e-mail: amogollon@cundinamarca.edu.co

AUTHOR CONTRIBUTIONS: Conceptualization: J. E. Granados, D. A. Abril, A. Mogollón. Data curation: J. E. Granados. Formal Analysis: J. E. Granados, D. A. Abril. Funding acquisition: J. E. Granados, D. A. Abril, A. Mogollón. Investigation: J. E. Granados, D. A. Abril, A. Mogollón. Methodology: J. E. Granados. Project administration: J. E. Granados. Resources: J. E. Granados, D. A. Abril, A. Mogollón. Software, Supervision, Validationn: J. E. Granados, D. A. Abril. Visualization: J. E. Granados, D. A. Abril Writing - original draft: J. E. Granados, D. A. Abril, A. Mogollón. Writing - review & editin: D. A. Abril, A. Mogollón.

The authors of this work declare no conflict of interests.

This article is under license Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International (CC BY-NC 4.0)

CONTENT

INTRODUCTION

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The high demand in global energy consumption and the dependence on non-renewable energy sources, as well as the associated environmental problems, require the search for new technologies and energy sources (Deepanraj et al., 2015DEEPANRAJ, B.; SIVASUBRAMANIAN, V.; JAYARAJ, S.: “Kinetic study on the effect of temperature on biogas production using a lab scale batch reactor”, Ecotoxicology and Environmental Safety, 121: 100-104, 2015, ISSN: 0147-6513, DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ecoenv.2015.04.051.). The generation of food waste is equivalent to a third of the production for human consumption in the world, being approximately 1,300 MMt/año Zapata (2019)ZAPATA, E.I.V.: Valorización de residuo alimentario como fuente potencial de producción de biogás y ácidos grasos volátiles, Universidad Técnica Federico Santa María, Departamento de Ingeniería Química y Ambiental, Tesis para optar al título de Ingeniero Civil Químico, Santiago de Chile, Chile, 2019.;. In recent years, the construction of biodigestion systems has been implemented, achieving effective results in economic, energy and environmental matters, since they have increased the annual production of biogas at significant levels with the purpose of producing electrical and heat energy (Appels et al., 2011APPELS, L.; LAUWERS, J.; DEGRÈVE, J.; HELSEN, L.; LIEVENS, B.; WILLEMS, K.; VAN IMPE, J.; DEWIL, R.: “Anaerobic digestion in global bio-energy production: potential and research challenges”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15(9): 4295-4301, 2011, ISSN: 1364-0321.). The clean energy alternative for livestock activities such as biogas, generated by the anaerobic biodigestion of organic waste, provides a low-cost energy alternative, increases income for producers, decentralizes energy acquisition and reduces greenhouse gas emissions, maximizing the use of resources to contribute to future production savings.

Colombia is a country with high agricultural potential with high production of organic biomass, which can be used in the generation of alternative energy. The amount of excreta produced in livestock systems can exceed 80 million tons/year and it is estimated that they can reach an energy potential of approximately 71,000 TJ/year. In systems with technology, the proper use of residual biomass could generate 864 GWh/year, equivalent to 1.3% of the national energy demand.

Electric power in Colombia depends fundamentally on hydroelectric (70%) and thermoelectric (29.3%), wasting other renewable energy sources such as livestock residual biomass, among others (López & Ruíz, 2014LÓPEZ, A.A.M.; RUÍZ, R.C.: Evaluación de la producción de biogás a partir del buchón de agua mediante codigestión anaerobia con estiércol bovino, Universidad EAFIT, Escuela de Ingeniería, Departamento de Ingeniería de Procesos, Tesis (en opción al título de Ingeniería de Procesos ), Medellín, Colombia, publisher: Universidad EAFIT, 2014.). According to Esquivel et al. (2020)ESQUIVEL, M.A.; MERINO, M.; RESTREPO, J.; NARVÁEZ, A.; POLO, C.; PLATA, J.; PUENTES, V.: “La pesca y la acuicultura en Colombia”, Autoridad Nacional de Acuicultura y Pesca, 2014. the Division of Livestock, Fisheries and Aquaculture Chains (2020), an entity joined to the Ministry of Agriculture and Rural Development, since 2019, the growth of pig production systems has been 8.8% in Colombia, which indicates an increase in organic matter (excreta). Such biomass, in most cases, does not receive adequate management in agricultural facilities Medina (2013)MEDINA, V.A.M.: Evaluación de la calidad de biol de segunda generación de estiércol del ovino producido a través de biodigestores, Inst. Universidad Nacional Agraria La Molina, Lima (Peru)., 2013., generating contamination mainly in water sources close to the productive systems and facilitating the spread of different vectors and pathogens in optimal environments favored by the bodies of water with sewage (Cerdán, 2020CERDÁN, M.J.M.A.: Potencial de producción de ácidos grasos volátiles en lodos de Ptar, residuos urbanos y agroindustriales: enfoque hacia una economía circular, Universidad Agraria la Molina, Tesis para optar el grado de Magister Scientiae en ciencias ambientales, Lima, Perú, publisher: Universidad Nacional Agraria La Molina, 2020.).

Biodigesters emerge as an alternative technology in the agricultural and livestock field, for the treatment and anaerobic fermentation of organic matter present in food residues, vegetable waste and animal manure, susceptible to developing such a transformation. In general, biodigesters are considered as hermetic and adiabatic containers, designed with materials that allow the development of anaerobic biodigestion (BDA) by microbial populations responsible for breaking down organic matter through four fundamental stages: hydrolysis of polymers such as proteins, carbohydrates and fats, to elementary biomolecules such as peptides, amino acids, glucose and fatty acids, among others, then the acidic genesis of these biomolecules occurs, whose products are mainly organic acids such as volatile fatty acids (propionic, butyric, isobutyric and valeric acids); acetogenic bacteria develop the third stage of BDA, called acetogenesis, with the consequent production of acetic or ethanoic acid (CH3COOH), gaseous hydrogen (H2) and carbon dioxide (CO2). Finally, methanogenesis occurs, given by methanogenic bacteria, in whose phase methane (CH4) is produced by pathways: acetoclastic (cleavage of acetic acid) and hydrogenotrophic (reaction between H2 and CO2) (Deepanraj et al., 2015DEEPANRAJ, B.; SIVASUBRAMANIAN, V.; JAYARAJ, S.: “Kinetic study on the effect of temperature on biogas production using a lab scale batch reactor”, Ecotoxicology and Environmental Safety, 121: 100-104, 2015, ISSN: 0147-6513, DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ecoenv.2015.04.051.; Nopharatana et al., 2007NOPHARATANA, A.; PULLAMMANAPPALLIL, P.C.; CLARKE, W.P.: “Kinetics and dynamic modelling of batch anaerobic digestion of municipal solid waste in a stirred reactor”, Waste management, 27(5): 595-603, 2007, ISSN: 0956-053X.; Ampudia, 2011AMPUDIA, M.M.J.: Investigación de la condiciones óptimas y de la cinética del proceso de biodigestión anaerobia de desechos orgánicos agroindustriales y estiercol vacuno, Universidad San Francisco de Quito, Tesis de grado en Ingeniería Química, Quito, Ecuador, publisher: Quito: USFQ, 2011, 2011.; Yu et al., 2013YU, L.; WENSEL, P.C.; MA, J.; CHEN, S.: “Mathematical modeling in anaerobic digestion (AD)”, J Bioremed Biodeg S, 4(2), 2013, DOI: http://dx.doi.org/10.4172/2155-6199.S4-003.; Valladares, 2017VALLADARES, C.F.: Modelamiento del proceso de digestión anaeróbica de estiércol vacuno y cáscara de cacao, Universidad de Piura. Facultad de Ingeniería. Programa Académico de Ingeniería Mecánico-Eléctrica, Tesis en Ingeniería Mecánico-Eléctrica, Piura, Perú, publisher: Universidad de Piura, 2017.; López y Ruíz, 2014LÓPEZ, A.A.M.; RUÍZ, R.C.: Evaluación de la producción de biogás a partir del buchón de agua mediante codigestión anaerobia con estiércol bovino, Universidad EAFIT, Escuela de Ingeniería, Departamento de Ingeniería de Procesos, Tesis (en opción al título de Ingeniería de Procesos ), Medellín, Colombia, publisher: Universidad EAFIT, 2014.; Orjuela, 2015ORJUELA, C.G.C.: Producción de biogás mediante la fermentación anaerobia de los residuos orgánicos de la cadena de restaurantes Wok, Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química, Tesis Ingeniería Química, Bogotá D.C., Colombia, publisher: Uniandes, 2015.). Figures 1 and 2 summarize the enzymatic biochemical reactions developed in the BA.

FIGURE 1.  Early stages of anaerobic biodigestion.
FIGURE 2.  Methanogenic pathways in anaerobic biodigestion.

Yu et al. (2013)YU, L.; WENSEL, P.C.; MA, J.; CHEN, S.: “Mathematical modeling in anaerobic digestion (AD)”, J Bioremed Biodeg S, 4(2), 2013, DOI: http://dx.doi.org/10.4172/2155-6199.S4-003. cite an alternate integral model for the generation and anaerobic pathways that degrade organic matter with associated interactions, previously developed in 1999, this simulates the co-digestion of complex wastes that have different characteristics and compositions through the main pathways. The model features enzymatic hydrolysis of undissolved carbohydrates and proteins and involves eight types of bacteria: glucose-fermenting acidogens, lipolytic bacteria, fatty acid degrading acetogens, amino acid-degrading acidogens, propionate-degrading acidogens, butyrate-degrading acidogens, valerate degradants acetogens and aceticlastic methanogens. In the case of carbohydrates, the proposed stoichiometric chemical equations for the three stages of anaerobic biodigestion are:

As shown in the equations above, the insoluble carbohydrates present in the MO of the substrate are enzymatically hydrolyzed to soluble carbohydrates (CHOS) and inert carbohydrates; subsequently, the CHOS react with ammonia, coming from protein deamination and in the presence of acidogenic bacteria, to produce organic acids: acetic (C2), propionic (C3) and butyric (C4), carbon dioxide, water and biomass residual C5H7NO2, which will constitute the so-called biosol, after this acetogenesis develops.

According to the above equations, acetogenesis indicates two pathways: propionic, through which propionic acid reacts with water and ammonia, producing biosol, acetic acid, hydrogen and carbon dioxide and then, there is butyric, where butyric acid reacts with water, ammonia and carbon dioxide, generating biosol, acetic acid and gaseous hydrogen.

Finally, methanogenic bacteria are responsible for producing the enzymatic biochemical reactions of methanogenesis, according to the following equations:

According to these chemical expressions, two pathways are observed through which methanogenesis develops. The first corresponds to hydrogenotrophy, in which gaseous hydrogen reacts with ammonia and carbon dioxide, generating methane gas and water, while by the acetoclastic route, the input biomolecules are: acetic acid and ammonia which, when reacting, produce biosol, methane, water and carbon dioxide.

This research analyzed the biophysicochemical effects of organic matter from pig and bovine excreta, acting as tributaries in membrane biodigesters, on anaerobic fermentation processes and characteristics of biogas and biosol (effluents), in four farms in Sumapaz Province, Colombia.

MATERIALS AND METHODS

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Experiment Location

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The installation of the biodigesters was carried out in four farms (Table 1) near Fusagasugá Municipality Cundinamarca, Colombia, with conditions of altitude: 1600 meters above sea level, average temperature: 19.1ºC, average relative humidity of 80%, annual rainfall of 140mm; the municipality is located 59 km to the southwest of Bogotá. For the execution of the research project, four properties were previously selected, as already indicated, from a total of 21 agricultural production systems surveyed and characterized. The chosen productions had the willingness of their owners, easy to moderate access to the facilities, as well as the generation of enough amount of organic matter suitable for anaerobic fermentation processes in energy production. The intervention process on the selected systems was divided into four phases: adaptation, installation, operation and data/sampling, in the field, which will be described later.

TABLE 1.  Selected production systems-Fusagasugá Municipality, Cundinamarca, Colombia
Farm name Sidewalk Municipality Productive purpose Abbreviation
La Meseta Bermejal Fusagasugá Dairy cattle LMS
Santa Bárbara Jordán Bajo Fusagasugá Pig farming STB
El Mirador Guayabal Fusagasugá Pig farming/crops EMD
La Saucita Tierra Negra Fusagasugá Pig farming LST

Experimental Stage

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According to Figure 3, once the first phase was executed, the biodigestion-geomembrane system was installed (Figure 4) in the indicated properties, later, data were recorded in the field (Temperature (ºC), humidity relative (%), pH, biogas outlet pressure (kPa)) and sampling (excreta and biols), which was carried out at time intervals of two weeks (15 days) for 90 days, for a total of 6 samples (Figure 5). Likewise, biogas production was evaluated in a hydropneumatic tank, by means of the water displacement method in a test tube, and the concentration of gases (CH4, CO2, H2S and NH3) was measured using a digital multiparameter gas analyzer A-ALT5X-ALK;

FIGURE 3.  Stages developed to carry out biophysicochemical analysis of influents and effluents from biodigesters.
FIGURE 4.  Membrane biodigesters evaluated in the experiment.
FIGURE 5.  Field and laboratory data collection.

Raw Material: Excreta and Sampled Biols

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The pig and bovine excreta used in this experimental study were collected in the four farms described in Table 1. This biomass is a highly desirable substrate for anaerobic digestion due to its greater biodegradability and biogas/methane yield, due to the amount of material organic they possess. Furthermore, nutrient content analysis showed that the samples contained well-balanced nutrients for anaerobic microorganisms Appels et al. (2011)APPELS, L.; LAUWERS, J.; DEGRÈVE, J.; HELSEN, L.; LIEVENS, B.; WILLEMS, K.; VAN IMPE, J.; DEWIL, R.: “Anaerobic digestion in global bio-energy production: potential and research challenges”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15(9): 4295-4301, 2011, ISSN: 1364-0321. in Styrofoam cellars with ice and transported to the nutrition laboratories of Cundinamarca University, at Fusagasugá Campus, where they were stored in a refrigerator at 4ºC, for subsequent biophysicochemical analysis

Biophysicochemical Analysis of Excreta and Biols

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Total solids (TS) and volatile solids (SV), chemical oxygen demand (COD) of the substrate and digestate were determined according to the standard method (APHA, 1992). Total dissolved solids-TDS, electrical conductivity (EC) and pH in affluent, digestate and biols, were determined using a Hanna Instruments multiparameter meter (2019). Organic carbon (CO) was determined by the modified Walkey Black spectrophotometric method according to García & Ballesteros (2005)GARCÍA, G.J.; BALLESTEROS, G.M.I.: “Evaluación de parámetros de calidad para la determinación de carbono orgánico en suelos”, Revista colombiana de Química, 34(2): 201-209, 2005, ISSN: 0120-2804., while N-NO3 and P-PO4 were found in a Hanna Instruments multiparametric photometer - HI 83399. The composition of CH4 , CO2, H2S and NH3 in the biogas was measured using a digital multiparameter gas analyzer A-ALT5X-ALK. Biogas (Vac) and methane (μCH4) production values ​​were analyzed using modified Gompertz and Moned kinetic mathematical models (Nopharatana et al., 2007NOPHARATANA, A.; PULLAMMANAPPALLIL, P.C.; CLARKE, W.P.: “Kinetics and dynamic modelling of batch anaerobic digestion of municipal solid waste in a stirred reactor”, Waste management, 27(5): 595-603, 2007, ISSN: 0956-053X.; Pommier et al., 2007POMMIER, S.; CHENU, D.; ACOSTA, M.M.; LEFEBVRE, X.: “A logistic model for the prediction of the influence of water on the solid waste methanization in landfills”, Biotechnology and bioengineering, 97(3): 473-482, 2007, ISSN: 0006-3592.; Deepanraj et al., 2015DEEPANRAJ, B.; SIVASUBRAMANIAN, V.; JAYARAJ, S.: “Kinetic study on the effect of temperature on biogas production using a lab scale batch reactor”, Ecotoxicology and Environmental Safety, 121: 100-104, 2015, ISSN: 0147-6513, DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ecoenv.2015.04.051.).

RESULTS AND DISCUSSION

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Physicochemical Analysis of Raw Material

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The analysis of pig excreta indicated that they have a pH between 8.36 and 8.53, electrical conductivity in the range of 1.04 mS/cm to 1.85 mS/cm; total dissolved solids in the range of 0.98% to 1.33%; dissolved oxygen (3.16 g/dL-6.10 g/dL); humidity (52.54%-70.45%); organic carbon in the range of 1.89% to 2.57%; total nitrogen in the range of 1.97% to 2.98%; phosphorus (0.57ppm -0.75ppm); potassium (0.11%-0.13%) and chemical oxygen demand (55.65g/L-62.76g/L). These results are in the ranges reported by Gutierrez & Ochoa (2019)GUTIERREZ, N.L.C.; OCHOA, N.L.D.: Determinación del potencial energético para la obtención de biogás, a partir de la co-digestión anaerobia del co-sustrato cascarilla de arroz con excretas porcinas, Universidad Santo Tomás, Facultad de Ingeniería Ambiental, Tesis Ingeniería Ambiental, Villavicencio, Colombia, publisher: Universidad Santo Tomás, 2019., who determined the energy potential for biogas production, from the anaerobic co-digestion of rice husk co-substrate with pig excreta.

The analysis of bovine excreta showed pH between 7.70 and 7.6, electrical conductivity in the range of 1.33 mS/cm to 1.76 mS/cm; total solids in the range of 15.33% to 17.04%; dissolved oxygen (3.31 g/dL-4.00 g/dL); humidity (52.54%-70.45%); organic carbon in the range of 1.84% to 2.01%; total nitrogen in the range of: 1.77% to 1.98%; phosphorus (0.32ppm -0.92ppm), potassium (0.52%-1.05%) and chemical oxygen demand (51.76g/L-60.97g/L). The values ​​obtained in this experiment are similar to those reported by Ampudia (2011)AMPUDIA, M.M.J.: Investigación de la condiciones óptimas y de la cinética del proceso de biodigestión anaerobia de desechos orgánicos agroindustriales y estiercol vacuno, Universidad San Francisco de Quito, Tesis de grado en Ingeniería Química, Quito, Ecuador, publisher: Quito: USFQ, 2011, 2011. in an experiment that investigated the anaerobic biodigestion of agro-industrial organic waste and cattle manure.

Behavior of Temperature-T(ºC)

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The temperature averages of all the farms for each day sampled did not exhibit wide differences, nor a clear trend in relation to the days, as shown in Figure 6, the temperature at 45 days was 25.26 ± 1.26 °C being lower than that presented at 60 days with a value of 25.51 ± 1.43 °C. The highest average temperature was reached at 30 days with a value of 25.66 ± 1.51°C and the lowest at 45 days with 25.26 ± 1.26°C. The temperature variations did not present great differences, being the coefficient of variation below 10% and La Meseta property the one that presented the lowest average temperature during the entire experimental phase with 25.20 °C followed by Santa Bárbara with 25.47 °C. Although some variability was observed between the averages, the analysis of variance determined that no statistical differences were detected (P>0.050) between the biodigesters for the variable temperature.

FIGURE 6.  Behavior of temperature over time for the properties studied.

Relative Humidity-RH(%)

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Analyzing the graph of Figure 7, it is found that the relative humidity values of the biodigesters originating from Meseta and Saucita showed similar behavior with percentages in the range of 50 to 55, while Santa Bárbara marked a slight downward trend with data between 55 % and 60%, being higher than LMT and LST. In opposition to this, the biodigester of Mirador property indicated a tendency to increase RH from 30 days, with values that ranged from 55% to 65%.

Biophysicochemical Quality of the Biols Obtained in the Four Biodigesters Evaluated

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Table 2 presents physicochemical values and concentration of nitrogen, phosphates, available phosphorus and potassium in the liquid fertilizers-biols studied.

TABLE 2.  Physicochemical indicators of liquid fertilizers-biols, from the four biodigesters evaluated
Property pH CE
(dS /m)		 TDS (%) N (ppm) PO4(3-) (ppm) P(ppm) K (ppm)
LST 7.79 19.73 1.01 2300 51.90 16.70 1440
LMS 7.52 13.40 0.64 3100 59.03 19.40 970
STB 7.61 12.85 0.65 2100 49.20 15.80 530
EMD 7.55 19.05 0.75 1500 78.30 25.00 540

When the results shown in Table 2 are analyzed, comparing them with the soil analysis interpretation table of the Agustín Codazzi-IGAC geographic institute (2017), it is deduced that the biols obtained in these four biodigesters are slightly alkaline (Pantoja Cleves & Méndez Dúarte, 2017PANTOJA CLEVES, C.J.D.; MÉNDEZ DÚARTE, C.L.E.: Propuesta basada en el funcionamiento del almacén de equipos geodésicos y topográficos para la transición e implementación de un laboratorio de geodesia y topografía en el Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC), Inst. Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC), Colombia, 2017.). Regarding electrical conductivity, the LST and EMD biodigesters generated S3-type biols with high salinity, which is limiting for tolerant crops, while LMS and STB biols classified as S2 with medium salinity, also limiting for moderately tolerant crops. These values ​​correspond to the percentages of total dissolved solids, since increasing EC also increases TDS, a similar effect occurs when EC decreases, causing a decline in dissolved solids in biols from LMS and STB.

Regarding the total nitrogen described in Table 2, it was observed that the LMS biodigester showed a biol with a high concentration of this bioelement, in contrast, EMD indicated biol with a low concentration of N, while the LST and STB biodigesters generated similar residual biomass, with medium concentration. The amount of phosphorus analyzed indicated that the biodigesters of the farms LST, LMS and STB, produced biols with a medium concentration of P, in contrast EMD showed a high concentration of this important indicator of fertilizer. In relation to the potassium content, it was highlighted that the LST biol revealed a very high concentration of K, LMS generated biol with a high concentration and the STB and EMD biodigesters originated liquid manure with medium potassium concentration. Electrical conductivity and nitrogen content of the biols evaluated in this research resulted in higher values ​​than those reported by Acosta (2019)ACOSTA, V.R.: Características físicas, químicas, microbiológicas y efectividad agronómica del abono líquido Biol obtenido por digestión anaerobia de estiércol de animales con rastrojo, Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo, Tesis de grado para optar al título de magister en ciencias ambientales, Lambayaque, Perú, publisher: Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo, 2019. in a study that evaluated physical, chemical, microbiological characteristics and agronomic effectiveness of the liquid biol fertilizer obtained by anaerobic digestion of pig manure. In contrast, when comparing the concentration (ppm) of phosphate, phosphorus and potassium in the biols, it was found that what was determined by Acosta (2019)ACOSTA, V.R.: Características físicas, químicas, microbiológicas y efectividad agronómica del abono líquido Biol obtenido por digestión anaerobia de estiércol de animales con rastrojo, Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo, Tesis de grado para optar al título de magister en ciencias ambientales, Lambayaque, Perú, publisher: Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo, 2019. yielded higher values.

Behavior of the Electrical Conductivity (CE) of the Biols Obtained in the Effluents from Sumapaz Biodigesters

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The electrical conductivity corresponds to a physicochemical variable related to the capacity of the solutions to transport and allow the flow of electrons generating electric current, therefore, the more electrolytic the solutions, the more conduction potential there will be, such property depends on the concentration and mobility of electrolytes, such as minerals (cations), salts (anions), dissociated acids and bases, which produce electron flows in aqueous solution.

Then, CE is strongly influenced by temperature, total dissolved solids (TDS), pH and concentration of salts and minerals that are present in the evaluated sample.

FIGURE 7.  Behavior of the electrical conductivity of the biols obtained from the effluents of the four biodigesters evaluated.

What is described in Figure 7, indicates that the electrical conductivity of the biols sampled in the 6 seasons, showed a marked decrease in the 4 properties evaluated, being more noticeable in Santa Bárbara and Mirador. In contrast, Meseta and Saucita behaved in a similar way, in such a way that in this last farm the maximum EC values ​​occurred at 30 days (24.50 mS/cm) and 45 days (25.90 mS/cm), respectively. When the graph is observed in detail, it can be seen that at the beginning of the sampling (15 days) the values ​​were similar, however, at 45 days Santa Bárbara increased the EC (25.90 mS/cm), while Santa Bárbara (17.83 mS /cm) and Meseta (15.83 mS/cm) obtained relatively intermediate values ​​on this same sampling date. The final EC values, revised at 90 days, corresponded in ascending order as follows: Sta Bárbara (0.67 mS/cm), Mirador (2.65 mS/cm), Meseta (4.85 mS/cm) and Saucita (11.51 mS/cm).

Behavior of the pH of Biols Obtained in Effluents from Sumapaz Biodigesters

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Taking into account that pH is a physicochemical variable related to the potential of mobilized hydrogen ions in a solution, allowing to define its acidity or basicity by virtue of the water dissociation constant (kW), the biols were examined potentiometrically to characterize this property, finding the behavior shown in Figure 8.

FIGURE 8.  Behavior of pH of biols obtained from the effluents of the four biodigesters evaluated.

Observing the behavior of the pH of the biols in the six (6) sampling dates shown in Figure 8, the following can be analyzed: Santa Bárbara showed values in the range from neutral to strongly alkaline, Meseta was in the range from neutral to slightly alkaline, while Saucita and Mirador biols presented slightly alkaline pH at all sampling times. It is important to highlight the variability of the pH in the biols obtained from Santa Bárbara farm, since the values indicate a strong decrease from 8.75 to 6.75 in 75 days, ending at 7.49.

Based on the previous values, the pH averages were determined for the biols generated by the biodigesters of each property, obtaining that they are liquid fertilizers of a slightly alkaline type.

Figure 9 shows average values of electrical conductivity and pH of the biols sampled in each farm.

FIGURE 9.  Average pH and EC values of biols obtained from biodigester effluents, Sumapaz region.

According to Figure 9, it can be deduced that the average EC of the biols from Saucita (18.36 mS/cm) exhibited the highest value, followed by Meseta (11.98), Santa Bárbara (10.82) and Mirador (7.08) with the EC lower, therefore, the Saucite biols presented high salinity, which can be limiting for tolerant crops. Biols from Santa Bárbara and Meseta have medium salinity that makes them limiting for moderately tolerant crops and Mirador generated biols with low salinity. In relation to the average pH, it is highlighted that the values correspond to slightly alkaline biols, as noted in previous paragraphs.

Behavior of Total Dissolved Solids (TDS) in the Evaluated Biols, obtained at Sumapaz

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Total dissolved solids correspond to the mass (g, mg) of solids (minerals, organic and inorganic salts) that are present in a given volume of biol (1L or 100mL), thus its units can be expressed as gTDS/ 100mL, equivalent to %TDS or mg TDS/L, which is the same as ppm TDS.

FIGURE 10.  Average TDS values in biols obtained from biodigesters effluents in Sumapaz region.

Figure 10 shows the behavior of the TDS values of biols obtained in effluents from Sumapaz biodigesters, in the seasons sampled.

The TDS of the biols sampled in the 6 seasons, showed a marked decrease in the 4 properties evaluated, being more noticeable in Santa Bárbara and Meseta. In contrast, Mirador and Saucita obtained TDS values higher than the others, in such a way that in the last mentioned properties, the maximum TDS data occurred at 45 days (0.98% and 1.48%), respectively. When the graphs are observed in detail, it can be seen that at the beginning of the sampling (15 days) the values were similar in Mirador, Meseta and Santa Bárbara, however, in Saucita it was notoriously higher (1.27%); the final TDS values, revised at 90 days, corresponded in ascending order as follows: Meseta (0.24%), Mirador (0.30%), Santa Bárbara (0.34%) and Saucita (0.56%). The average TDS for the biols obtained in the biodigesters of each property are indicated in Figure 11.

FIGURE 11.  Average TDS values in biols obtained from biodigester effluents, Sumapaz region.

According to Figure 11, it can be deduced that the average TDS of the biols from Saucita (1.00%) exhibited the highest value, followed by Mirador (0.75%), Santa Bárbara (0.65%) and Meseta (0.64%) with lower TDS. Therefore, Saucite biols presented high salinity, which can be limiting for tolerant crops, while biols from Santa Bárbara and Meseta have medium salinity that makes them limiting for moderately tolerant crops.

FIGURE 12.  Methane gas concentration values evaluated in Santa Bárbara and La Meseta properties.

Concentration of Methane Gas in the Biogas Produced in the Evaluated Biodigesters

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Graph in Figure 12 shows the kinetics of methane gas in two evaluated properties, in such a way that Sta. Bárbara exhibits the highest concentration at the beginning of the measurement, generating a maximum value of 97.3 at 15 s, with a marked decrease until 33.5 in 50 s to then rise to 66.8 in 60 s and finish with a value of 45.2 at 70 s. In contrast, Meseta showed maximum values of 56.6; 60.1 and 61.9 in times of 5 s, 20 s and 40 s, respectively, with undulating behavior. Later, methane gas marks a parabolic trend with a minimum point of 21.5 in 85 s, consequently, there is a better production of methane gas in Santa Barbara farm.

Figure 13 shows comparative graphs of the kinetic behavior of methane gas in the biodigesters located on Saucita and Mirador farms.

FIGURE 13.  Methane gas concentration values evaluated in Saucita and Mirador biodigesters.

Figure 13 shows that despite the fact that methane gas in Saucita behaved in a sustained manner with a polynomial trend, marking a maximum value of 64.6 at 30 s and a limit value of 35.3 in two min, the farm on Mirador, presented higher concentrations of methane gas in the range of 80.7 to 95.7, with marked decreases in a wave form to minimum values with a range of 19.5 to 33.8.

When the average concentration of methane gas in each farm is taken, the graph indicated in Figure 14 is obtained.

FIGURE 14.  Average methane gas concentration in the biodigesters evaluated in Fusagasugá.

The average values presented in Figure 15 indicate that the biodigesters installed in Santa Bárbara and Mirador properties generated higher concentration and quality of methane gas, in such a way that the behavior was as follows: Mirador surpassed Santa Bárbara in 13.49, the same that to Meseta and Saucita in 34.37 and 36.9 respectively, then the biogas produced by the biodigesters implemented in these properties, was of higher quality in the viewpoint, followed by Santa Bárbara, Meseta and Saucita, determined this by the concentration of methane gas.

CONCLUSIONS

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  • The substrates evaluated as raw material to supply the biodigesters showed appreciable differences in their composition, in such a way that, pig excreta showed higher alkalinity than bovine manure, likewise, nutrients such as CO, NT, P and K presented higher values in pig excreta, which makes them more attractive for anaerobic biodigestion.

  • Variables such as temperature, pH and relative humidity, significantly affected the enzymatic biochemical reactions in the anaerobic biodigestion stages of the four biodigesters evaluated, which was evidenced in high concentrations of methane gas, specifically in Mirador and Santa Bárbara farms.

  • The biophysicochemical indicators determined in liquid fertilizers-biols, obtained from the anaerobic biodigestion of the four biodigesters studied in the municipality of Fusagasugá, showed slightly alkaline pH values, high EC and TDS, moderately concentrated available nitrogen and potassium contents and phosphorus values ​​slightly lower than those reported in other similar works, which allows them to be recommended for use as liquid biofertilizers in moderately tolerant crops.

  • The kinetic behavior of physicochemical variables such as EC, TDS and pH showed downward trends over time, with logarithmic or exponential modeling, which is suggested to be analyzed in detail.

  • The biogas produced in Mirador and Santa Bárbara biodigesters presented the highest concentration of methane gas, significantly exceeding (P<0.050) the CH4 obtained in Meseta and Saucita, which can be explained by the type of substrate used (pig and bovine manure) and the weather conditions of the farms studied.

REFERENCES

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Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias Vol. 31, No. 3, July-September, 2022, ISSN: 2071-0054
 
ARTÍCULO ORIGINAL

Estudio biofisicoquímico de biodigestores alimentados con excretas porcinas y bovinas en la provincia Sumapaz, Colombia

 

iDJairo Enrique Granados-Moreno*✉:jegranados@cundinamarca.edu.co

iDDiego Andrés Abril-Herrera

iDAndrés Mogollón-Reina


Universidad de Cundinamarca, Facultad de Ciencias Agropecuarias, Fusagasugá, Cundinamarca, Colombia.

 

*Autor para correspondencia: Jairo Enrique Granados Moreno, e-mail: jegranados@cundinamarca.edu.co

RESUMEN

En los últimos años se ha implementado la construcción de sistemas de biodigestión, consiguiendo resultados efectivos en materia económica, energética y ambiental, donde se han incrementado la producción anual de biogás en niveles significativos con el propósito de producir energía eléctrica y calorífica (Steyer et al., 2006). El objetivo evaluar el comportamiento de 4 biodigestores abastecidos con excretas bovinas y porcinas y la calidad biofisicoquímica de sus bioles, en el municipio de Fusagasugá Cundinamarca Se realizaron cinco momentos de análisis de variables en campo (T, HR, pH) y muestreos de afluentes, efluentes provenientes de cuatro biodigestores, ubicados en sistemas productivos (3 porcinos y 1 bovino) del municipio de Fusagasugá, para ser transportados al laboratorio de nutrición de la universidad de Cundinamarca, donde por medio de técnicas analíticas instrumentales como potenciometría, gravimetría, medición multiparamétrica, titulación y espectrofotometría, se evaluaron variables: pH, sólidos totales disueltos (TDS), conductividad eléctrica (CE), nitrógeno, fósforo y potasio. Los indicadores biofisicoquímicos determinados en abonos líquidos-bioles, mostraron valores de pH ligeramente alcalinos, CE y TDS altos, contenidos de nitrógeno disponible y potasio medianamente concentrados y valores de Fósforo ligeramente inferiores a lo reportado en otros trabajos similares, lo cual permite recomendarlos para su uso como biofertilizantes líquidos en cultivos moderadamente tolerantes. El biogas producido en los biodigestores Mirador y Santa Bárbara, presentaron la mayor concentración de gas metano, superando de forma significativa (P<0.050) al CH4 obtenido en Meseta y Saucita, lo cual se puede explicar por el tipo de sustrato utilizado (estiércol porcino y bovino) y las condiciones climatológicas de los predios estudiados.

Palabras clave: 
Biodigestión anaeróbica, biofertilizante, biomasa

INTRODUCCIÓN

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La alta demanda en el consumo energético global y la dependencia de fuentes de energía no renovable, así como los problemas ambientales asociados, exigen la búsqueda de nuevas tecnologías y fuentes energéticas (Deepanraj et al., 2015DEEPANRAJ, B.; SIVASUBRAMANIAN, V.; JAYARAJ, S.: “Kinetic study on the effect of temperature on biogas production using a lab scale batch reactor”, Ecotoxicology and Environmental Safety, 121: 100-104, 2015, ISSN: 0147-6513, DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ecoenv.2015.04.051.). La generación de residuos alimentarios equivale a un tercio de la producción para el consumo humano en el mundo, siendo aproximadamente de 1300 MMt/año Zapata (2019)ZAPATA, E.I.V.: Valorización de residuo alimentario como fuente potencial de producción de biogás y ácidos grasos volátiles, Universidad Técnica Federico Santa María, Departamento de Ingeniería Química y Ambiental, Tesis para optar al título de Ingeniero Civil Químico, Santiago de Chile, Chile, 2019.; en los últimos años se ha implementado la construcción de sistemas de biodigestión consiguiendo resultados efectivos en materia económica, energética y ambiental, puesto que han incrementado la producción anual de biogás en niveles significativos con el propósito de producir energía eléctrica y calorífica (Appels et al., 2011APPELS, L.; LAUWERS, J.; DEGRÈVE, J.; HELSEN, L.; LIEVENS, B.; WILLEMS, K.; VAN IMPE, J.; DEWIL, R.: “Anaerobic digestion in global bio-energy production: potential and research challenges”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15(9): 4295-4301, 2011, ISSN: 1364-0321.). La alternativa de energía limpia para actividades pecuarias como el biogás, generado por la biodigestión anaeróbica de desechos orgánicos, proporciona una alternativa energética de bajo costo, aumenta ingresos a los productores, descentraliza la adquisición de energía y reduce emisiones de gases con efecto invernadero, maximizando el uso de los recursos para contribuir en ahorro de producción a futuro.

Colombia es un país con alto potencial agropecuario con alta producción de biomasa orgánica, la cual puede ser aprovechada en la generación de energía alternativa. La cantidad de excretas producidas en los sistemas pecuarios puede sobrepasar los 80 millones de toneladas/año y se estima que puedan alcanzar un potencial energético de aproximadamente 71.000 TJ/año. En sistemas tecnificados el adecuado aprovechamiento de la biomasa residual podría generar 864 GWh/año equivalente al 1,3 %, de la demanda nacional energética.

La energía eléctrica en Colombia depende, fundamentalmente, de hidroeléctricas (70 %) y termoeléctricas (29,3 %), desaprovechando otras fuentes de energías renovables como la biomasa residual pecuaria, entre otras (López y Ruíz, 2014LÓPEZ, A.A.M.; RUÍZ, R.C.: Evaluación de la producción de biogás a partir del buchón de agua mediante codigestión anaerobia con estiércol bovino, Universidad EAFIT, Escuela de Ingeniería, Departamento de Ingeniería de Procesos, Tesis (en opción al título de Ingeniería de Procesos ), Medellín, Colombia, publisher: Universidad EAFIT, 2014.). Según Esquivel et al. (2020)ESQUIVEL, M.A.; MERINO, M.; RESTREPO, J.; NARVÁEZ, A.; POLO, C.; PLATA, J.; PUENTES, V.: “La pesca y la acuicultura en Colombia”, Autoridad Nacional de Acuicultura y Pesca, 2014. la dirección de Cadenas Pecuarias, Pesqueras y Acuícolas entidad adscrita al Ministerio de Agricultura y desarrollo rural, desde el 2019, el crecimiento de los sistemas productivos porcícolas ha sido del 8.8 % en Colombia, lo cual indica un aumento en materia orgánica (excretas). Dicha biomasa, en la mayoría de los casos, no recibe manejo adecuado en instalaciones agropecuarias Medina (2013)MEDINA, V.A.M.: Evaluación de la calidad de biol de segunda generación de estiércol del ovino producido a través de biodigestores, Inst. Universidad Nacional Agraria La Molina, Lima (Peru)., 2013., generando contaminación principalmente en fuentes hídricas cercanas a los sistemas productivos y facilitando la propagación de diferentes vectores y patógenos en ambientes óptimos que propician los cuerpos de agua con vertimientos (Cerdán, 2020CERDÁN, M.J.M.A.: Potencial de producción de ácidos grasos volátiles en lodos de Ptar, residuos urbanos y agroindustriales: enfoque hacia una economía circular, Universidad Agraria la Molina, Tesis para optar el grado de Magister Scientiae en ciencias ambientales, Lima, Perú, publisher: Universidad Nacional Agraria La Molina, 2020.).

Los biodigestores surgen como una tecnología alterna en el campo agrícola y pecuario, para tratamiento y fermentación anaeróbica de materia orgánica presente en residuos alimenticios, desechos vegetales y estiércol de animales, susceptibles a desarrollar tal transformación; en general, los biodigestores se consideran como contenedores herméticos y adiabáticos, diseñados con materiales que permitan el desarrollo de la biodigestión anaeróbica (BDA) por parte de poblaciones microbianas encargadas de desdoblar la materia orgánica mediante cuatro etapas fundamentales: Hidrólisis de polímeros como proteínas, carbohidratos y grasas, hasta biomoléculas elementales como péptidos, aminoácidos, glucosa y ácidos grasos entre otras, luego se produce la acidogénesis de estas biomoléculas, cuyos productos son principalmente ácidos orgánicos tales como ácidos grasos volátiles (propiónico, butírico, isobutírico y valérico); las bacterias acetogénicas desarrollan la tercera etapa de la BDA, denominada: acetogénesis, con la consecuente producción de ácido acético ó etanoico (CH3COOH), hidrógeno gaseoso (H2) y gas carbónico (CO2); finalmente ocurre la metanogénesis, dada por bacterias metanogénicas, en cuya fase se produce el metano (CH4) por vías: acetoclástica (desdoblamiento del ácido acético) e hidrógenotrófica (reacción entre H2 y CO2) (Deepanraj et al., 2015DEEPANRAJ, B.; SIVASUBRAMANIAN, V.; JAYARAJ, S.: “Kinetic study on the effect of temperature on biogas production using a lab scale batch reactor”, Ecotoxicology and Environmental Safety, 121: 100-104, 2015, ISSN: 0147-6513, DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ecoenv.2015.04.051.; Nopharatana et al., 2007NOPHARATANA, A.; PULLAMMANAPPALLIL, P.C.; CLARKE, W.P.: “Kinetics and dynamic modelling of batch anaerobic digestion of municipal solid waste in a stirred reactor”, Waste management, 27(5): 595-603, 2007, ISSN: 0956-053X.; Ampudia, 2011AMPUDIA, M.M.J.: Investigación de la condiciones óptimas y de la cinética del proceso de biodigestión anaerobia de desechos orgánicos agroindustriales y estiercol vacuno, Universidad San Francisco de Quito, Tesis de grado en Ingeniería Química, Quito, Ecuador, publisher: Quito: USFQ, 2011, 2011.; Yu et al., 2013YU, L.; WENSEL, P.C.; MA, J.; CHEN, S.: “Mathematical modeling in anaerobic digestion (AD)”, J Bioremed Biodeg S, 4(2), 2013, DOI: http://dx.doi.org/10.4172/2155-6199.S4-003.; Valladares, 2017VALLADARES, C.F.: Modelamiento del proceso de digestión anaeróbica de estiércol vacuno y cáscara de cacao, Universidad de Piura. Facultad de Ingeniería. Programa Académico de Ingeniería Mecánico-Eléctrica, Tesis en Ingeniería Mecánico-Eléctrica, Piura, Perú, publisher: Universidad de Piura, 2017.; López y Ruíz, 2014LÓPEZ, A.A.M.; RUÍZ, R.C.: Evaluación de la producción de biogás a partir del buchón de agua mediante codigestión anaerobia con estiércol bovino, Universidad EAFIT, Escuela de Ingeniería, Departamento de Ingeniería de Procesos, Tesis (en opción al título de Ingeniería de Procesos ), Medellín, Colombia, publisher: Universidad EAFIT, 2014.; Orjuela, 2015ORJUELA, C.G.C.: Producción de biogás mediante la fermentación anaerobia de los residuos orgánicos de la cadena de restaurantes Wok, Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química, Tesis Ingeniería Química, Bogotá D.C., Colombia, publisher: Uniandes, 2015.). Las Figuras 1 y 2, resumen las reacciones bioquímicas enzimáticas desarrolladas en la BA.

FIGURA 1.  Primeras etapas de la biodigestión anaeróbica.
FIGURA 2.  Vías metanogénicas en la biodigestión anaeróbica.

Yu et al. (2013)YU, L.; WENSEL, P.C.; MA, J.; CHEN, S.: “Mathematical modeling in anaerobic digestion (AD)”, J Bioremed Biodeg S, 4(2), 2013, DOI: http://dx.doi.org/10.4172/2155-6199.S4-003., citan un modelo integral alterno para generación y vías anaeróbicas degradativas de la materia orgánica con interacciones asociadas, previamente desarrollado en 1999, esto simula la codigestión de desechos complejos que tienen diferentes características y composiciones a través de las vías principales; el modelo cuenta con la hidrólisis enzimática de carbohidratos no disueltos y proteínas e involucra ocho tipos de bacterias: acidógenos fermentadores de glucosa, bacterias lipolíticas, degradantes de ácidos grasos acetógenos, acidógenos que degradan aminoácidos, acidógenos que degradan propionato, acidógenos que degradan butirato, acetógenos degradantes de valerato y metanógenos aceticlásticos. En el caso de los carbohidratos, las ecuaciones químicas estequiométricas propuestas para las tres etapas de la biodigestión anaeróbica son:

Según lo mostrado en las ecuaciones de arriba, los carbohidratos insolubles presentes en la MO, del sustrato, son hidrolizados enzimáticamente hasta carbohidratos solubles (CHOS) y carbohidratos inertes; posteriormente, los CHOS reaccionan con el amoníaco, proveniente de la desaminación proteíca y en presencia de las baterías acidogénicas, hasta producir ácidos orgánicos: acético (C2), propiónico (C3) y butírico(C4), dióxido de carbono, agua y la biomasa residual: C5H7NO2, que constituirá el denominado: biosol, posterior a esto se desarrolla la acetogénesis.

Acorde a las ecuaciones anteriores, la acetogénesis señala dos vías: la propiónica, mediante la cual, el ácido propiónico reacciona con agua y amoníaco, produciendo biosol, ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono y luego se tiene la butírica, donde el ácido butírico reacciona con agua, amoníaco y dióxido de carbono, generando biosol, ácido acético e hidrógeno gasesoso

Finalmente, las bacterias metanogénicas son las encargadas de producir las reacciones bioquímicas enzimáticas de la metanogénesis, de acuerdo a las siguientes ecuaciones:

De acuerdo a estas expresiones químicas, se observan dos vías mediante las cuales se desarrolla la metanogénesis, la primera corresponde a la hidrogenotrófica, en la cual, el hidrógeno gaseoso, reacciona con amoníaco y dióxido de carbono, generando gas metano y agua, mientras que por la ruta acetoclástica, las biomoléculas de entrada son: ácido acético y amoníaco quienes al reaccionar producen: biosol, metano, agua y dióxido de carbono

La presente investigación analizó efectos biofisicoquímicos de materia orgánica proveniente de excretas porcinas y bovinas, actuando como afluentes en biodigestores de membrana, sobre procesos de fermentación anaeróbica y características de biogas y biosol (efluentes), en cuatro predios de la provincia de Sumapaz, Colombia

MATERIALES Y MÉTODOS

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Localización del experimento

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La instalación de los biodigestores se realizó en cuatro predios (Tabla 1) cercanos al municipio de Fusagasugá, Cundinamarca, Colombia, con condiciones de: altura: 1600 msnm, temperatura promedio: 19,1ºC, humedad relativa promedio de 80%, precipitación anual de 140 mm; el municipio se encuentra ubicado a 59 km al suroccidente de Bogotá; para la ejecución del proyecto de investigación, previamente fueron seleccionados como ya se indicó, cuatro predios de un total de 21 sistemas productivos agropecuarios encuestados y caracterizados. Las producciones elegidas contaron con la disposición de sus propietarios, fácil a moderado acceso a las instalaciones, así como generación de suficiente cantidad de materia orgánica adecuada para procesos fermentativos anaeróbicos en la producción de energía. El proceso de intervención sobre los sistemas seleccionados se dividió en cuatro fases: adecuación, instalación, funcionamiento y toma de datos/muestras, en campo, lo cual será descrito más adelante.

TABLA 1.  Sistemas productivos seleccionados-Municipio de Fusagasugá, Cundinamarca, Colombia
Nombre del predio Vereda Municipio Fin productivo Abreviatura
La Meseta Bermejal Fusagasugá Bovinos leche LMS
Santa Bárbara Jordán Bajo Fusagasugá Porcicultura STB
El Mirador Guayabal Fusagasugá Porcicultura/cultivos EMD
La Saucita Tierra Negra Fusagasugá Porcicultura LST

Etapa experimental

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De acuerdo a la Figura 3, Una vez ejecutada primera fase, se procedió a la instalación del sistema de biodigestión-geomembrana (Figura 4) en los predios señalados, posteriormente, se procedió al registro de datos en campo (Temperatura (ºC), humedad relativa (%), pH, presión de salida del biogás (kPa) ) y toma de muestras (excretas y bioles), lo que se realizó en intervalos de tiempo de dos semanas (15 días) durante 90 días, para un total de 6 muestreos (Figura 5 ); asi mismo, se evaluó producción de biogás en cubeta hidroneumática, por método de desplazamiento de agua en probeta y la concentración de gases: CH4, CO2, H2S y NH3, se midió utilizando analizador digital multiparamétrico de gases A-ALT5X-ALK;

FIGURA 3.  Etapas desarrolladas para efectuar análisis biofisicoquímico de afluentes y efluentes provenientes de biodigestores.
FIGURA 4.  Biodigestores de membrana evaluados en el experimento.
FIGURA 5.  Recolección de datos en campo y laboratorio.

Materia prima: excretas y bioles muestreados

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Las excretas porcinas y bovinas utilizadas en este estudio experimental se recolectaron en los cuatro predios descritos en la Tabla 1, esta biomasa es un sustrato muy deseable para la digestión anaeróbica debido a su mayor biodegradabilidad y rendimiento de biogás/metano, por la cantidad de materia orgánica que poseen. Además, el análisis del contenido de nutrientes mostró que las muestras contenían nutrientes bien equilibrados para los microorganismos anaeróbicos (Appels et al., 2011APPELS, L.; LAUWERS, J.; DEGRÈVE, J.; HELSEN, L.; LIEVENS, B.; WILLEMS, K.; VAN IMPE, J.; DEWIL, R.: “Anaerobic digestion in global bio-energy production: potential and research challenges”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15(9): 4295-4301, 2011, ISSN: 1364-0321.). Las excretas y bioles se mezclaron y empacaron en botellas de plásticos de 1 L esterilizados con anterioridad, luego se depositaron en cavas de icopor con hielo y fueron transportadas a los laboratorios de nutrición de la Universidad de Cundinamarca, sede Fusagasugá, donde se refrigeraron en nevera a 4ºC, para su posterior análisis biofisicoquímico

Análisis biofisicoquímico de excretas y bioles

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Sólidos totales (ST) y sólidos volátiles (SV), demanda química de oxígeno (DQO) del sustrato y digestato se determinaron según el método estándar (APHA, 1992); sólidos disueltos totales-TDS, conductividad eléctrica (CE) y pH en afluente, digestato y bioles, se determinaron usando un medidor multiparamétrico Hanna instruments (2019); Carbono orgánico (CO), se determinó mediante método espectrofotométrico modificado de Walkey Black según García y Ballesteros (2005)GARCÍA, G.J.; BALLESTEROS, G.M.I.: “Evaluación de parámetros de calidad para la determinación de carbono orgánico en suelos”, Revista colombiana de Química, 34(2): 201-209, 2005, ISSN: 0120-2804., mientras que N-NO3 y P-PO4,se hallaron en fotómetro multiparamétrico de Hanna Instruments - HI 83399. La composición de: CH4, CO2, H2S y NH3 en el biogás se midió utilizando analizador digital multiparamétrico de gases A-ALT5X-ALK; Los valores de producción de biogas (Vac) y metano (μ CH4 ), se analizaron mediante modelos matemáticos cinéticos de Gompertz modificado y Moned (Nopharatana et al., 2007NOPHARATANA, A.; PULLAMMANAPPALLIL, P.C.; CLARKE, W.P.: “Kinetics and dynamic modelling of batch anaerobic digestion of municipal solid waste in a stirred reactor”, Waste management, 27(5): 595-603, 2007, ISSN: 0956-053X.; Pommier et al., 2007POMMIER, S.; CHENU, D.; ACOSTA, M.M.; LEFEBVRE, X.: “A logistic model for the prediction of the influence of water on the solid waste methanization in landfills”, Biotechnology and bioengineering, 97(3): 473-482, 2007, ISSN: 0006-3592.; Deepanraj et al., 2015DEEPANRAJ, B.; SIVASUBRAMANIAN, V.; JAYARAJ, S.: “Kinetic study on the effect of temperature on biogas production using a lab scale batch reactor”, Ecotoxicology and Environmental Safety, 121: 100-104, 2015, ISSN: 0147-6513, DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ecoenv.2015.04.051.).

RESULTADOS Y DISCUSION

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Análisis fisicoquímico de materia prima

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El análisis de las excretas porcinas indicó que poseen pH entre 8.36 y 8.53, conductividad eléctrica en rango de 1,04 mS/cm a 1,85 mS/cm; sólidos totales disueltos en intervalo de 0.98% a 1,33%; oxígeno diisuelto (3.16 g/dL-6.10 g/dL); humedad(52.54%-70.45%); carbono orgánico en rango de 1.89% hasta 2.57%; Nitrógeno total en intervalo de: 1,97% hasta, 2.98%; Fósforo (0.57ppm -0.75ppm) y potasio (0.11%-0.13%) y demanda química de oxígeno (55,65g/L-62.76g/L); estos resultados están en los rangos informados por Gutierrez y Ochoa (2019)GUTIERREZ, N.L.C.; OCHOA, N.L.D.: Determinación del potencial energético para la obtención de biogás, a partir de la co-digestión anaerobia del co-sustrato cascarilla de arroz con excretas porcinas, Universidad Santo Tomás, Facultad de Ingeniería Ambiental, Tesis Ingeniería Ambiental, Villavicencio, Colombia, publisher: Universidad Santo Tomás, 2019., quienes determinaron el potencial energético para producción de biogás, a partir de la co-digestión anaerobia del co-sustrato cascarilla de arroz con excretas porcinas

El análisis de excreta bovinas mostró pH entre 7.70 y 7.6, conductividad eléctrica en rango de 1,33 mS/cm a 1,76 mS/cm; sólidos totales en intervalo de 15.33% a 17,04%; oxígeno disuelto (3.31 g/dL-4.00 g/dL); humedad (52.54%-70.45%); carbono orgánico en rango de 1.84% hasta 2.01%; Nitrógeno total en intervalo de: 1,77% hasta, 1.98%; Fósforo (0.32ppm -0.92ppm) , potasio (0.52%-1.05%) y demanda química de oxígeno (51,76g/L-60.97g/L); los valores obtenidos en este experimento son similares a lo reportado por Ampudia (2011)AMPUDIA, M.M.J.: Investigación de la condiciones óptimas y de la cinética del proceso de biodigestión anaerobia de desechos orgánicos agroindustriales y estiercol vacuno, Universidad San Francisco de Quito, Tesis de grado en Ingeniería Química, Quito, Ecuador, publisher: Quito: USFQ, 2011, 2011. en un experimento que investigó la biodigestión anaeróbica de desechos orgánicos agroindustriales y estiércol vacuno

Comportamiento de la Temperatura-T(ºC)

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Los promedios de temperatura de todos los predios por cada día muestreado no exhibieron diferencias amplias, ni una tendencia clara con relación a los días, tal como se muestra en la Figura 6, la temperatura a los 45 días estuvo en 25.26 ± 1.26°C siendo más baja que la presentada a los 60 días con un valor de 25.51 ± 1.43 °C. la temperatura promedio más alta se alcanzó a los 30 días con un valor de 25.66 ± 1.51°C y la más baja a los 45 días con 25.26 ± 1.26°C. Teniendo en cuenta que las variaciones de temperatura no presentaron grandes diferencias, siendo el predio La Meseta el que presentó la más baja temperatura promedio, por otra parte, el coeficiente de variación estuvo por debajo del 10%. El predio la Meseta fué el que presentó la menor temperatura promedio durante toda la fase experimental con 25.20 °C seguido por Santa Bárbara con 25.47 °C, aunque se observó cierta variabilidad entre los promedios, el análisis de varianza determinó que no se detectaron diferencias estadísticas (P>0.050) entre los biodigestores para la variable temperatura.

FIGURA 6.  Comportamiento de la temperatura en el tiempo para los predios estudiados

Calidad biofisicoquímica de los bioles obtenidos en los cuatro biodigestores evaluados

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La Tabla 2, presenta valores fisicoquímicos y concentración de nitrógeno, fosfatos, fósforo disponible y potasio en los abonos líquidos-bioles estudiado

TABLA 2.  Indicadores fisicoquímicos de los abonos líquidos-bioles, provenientes de los cuatro biodigestores evaluados
Predio pH CE (dS /m) TDS (%) N (ppm) PO4(3-) (ppm) P(ppm) K (ppm)
LST 7.79 19.73 1.01 2300 51.90 16.70 1440
LMS 7.52 13.40 0.64 3100 59.03 19.40 970
STB 7.61 12.85 0.65 2100 49.20 15.80 530
EMD 7.55 19.05 0.75 1500 78.30 25.00 540

Cuando se analizan los resultados mostrados en la Tabla 2, comparando con el cuadro de interpretación de análisis suelos del instituto geográfico Agustín Codazzi-IGAC se deduce que los bioles obtenidos en estos cuatro biodigestores son ligeramente alcalinos (Pantoja Cleves y Méndez Dúarte, 2017PANTOJA CLEVES, C.J.D.; MÉNDEZ DÚARTE, C.L.E.: Propuesta basada en el funcionamiento del almacén de equipos geodésicos y topográficos para la transición e implementación de un laboratorio de geodesia y topografía en el Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC), Inst. Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC), Colombia, 2017.). En lo referente a conductividad eléctrica, los biodigestores de LST y EMD generaron bioles tipo S3 con alta salinidad lo cual es limitante para cultivos tolerantes, mientras que bioles de LMS y STB, clasificaron como S2 con mediana salinidad, también limitantes para cultivos medianamente tolerantes; estos valores se corresponden con los porcentajes de sólidos totales disueltos, dado que al incrementar CE también aumenta TDS, efecto similar ocurre cuando desciende CE, causando decaimiento en los sólidos disueltos en bioles provenientes de LMS y STB;

Respecto al nitrógeno total descrito en la Tabla 2, se observó que el biodigestor de LMS mostró un biol con alta concentración de este biolemento, en contraste, EMD indicó biol con baja concentración de N, mientras que los biodigestores LST y STB generaron biomasa residual similar con mediana concentración. La cantidad de fósforo analizada señaló que los biodigestores de los predios: LST, LMS y STB, produjeron bioles con mediana concentración de P, en contraste EMD mostró alta concentración de este importante indicador de fertilización; en relación al contenido de Potasio, se destacó que el biol de LST reveló una muy alta concentración de K, LMS generó biol con alta concentración y los biodigestores STB y EMD originaron abono líquido con mediana concentración de potasio. Conductividad eléctrica y contenido de nitrógeno de los bioles evaluados en esta investigación, resultaron con valores superiores a los reportados por Acosta, R(2019)ACOSTA, V.R.: Características físicas, químicas, microbiológicas y efectividad agronómica del abono líquido Biol obtenido por digestión anaerobia de estiércol de animales con rastrojo, Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo, Tesis de grado para optar al título de magister en ciencias ambientales, Lambayaque, Perú, publisher: Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo, 2019. en un trabajo que evaluó características físicas, químicas, microbiológicas y efectividad agronómica del abono líquido biol obtenido por digestión anaerobia de estiércol porcino; en contraste, al comparar la concentración (ppm) de Fosfato, Fósforo y potasio en los bioles, se encontró que lo determinado por Acosta (2019)ACOSTA, V.R.: Características físicas, químicas, microbiológicas y efectividad agronómica del abono líquido Biol obtenido por digestión anaerobia de estiércol de animales con rastrojo, Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo, Tesis de grado para optar al título de magister en ciencias ambientales, Lambayaque, Perú, publisher: Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo, 2019. arrojó valores superiores

Comportamiento de la conductividad eléctrica (CE) de los bioles obtenidos en los efluentes de biodigestores del Sumapaz

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La conductividad eléctrica corresponde a una variable fisicoquímica relacionada con la capacidad que tienen las soluciones para transportar y permitir el flujo de electrones generando corriente eléctrica, por lo tanto, entre más electrolíticas sean las soluciones existirá más potencial de conducción, tal propiedad depende de la concentración y movilidad de electrolitos, como minerales (cationes), sales (aniones), ácidos y bases disociadas, las cuales producen flujos de electrones en solución acuosa.

Luego, CE está influenciada fuertemente por temperatura, sólidos totales disueltos (TDS), pH y concentración de sales y minerales que están presentes en la muestra evaluada (Figura 7).

FIGURA 7.  Comportamiento de la conductividad eléctrica de los bioles obtenidos a partir de efluentes de los cuatro biodigestores evaluados.

Lo descrito en la Figura 7, indica que la conductividad eléctrica de los bioles muestreados en las 6 épocas, mostró un marcado descenso en los 4 predios evaluados resultando más notorio en Santa Bárbara y mirador, en contraste, meseta y Saucita se comportaron de forma similar, de tal forma que en este último predio los valores máximos de CE, ocurrieron a los 30 días (24.50 mS/cm) y 45 días (25.90 mS/cm), respectivamente; cuando se observa en detalle la gráfica, se aprecia que al inicio del muestreo (15 días) los valores fueron similares, sin embargo, a los 45 días Santa bárbara incrementó la CE (25.90 mS/cm), mientras que Santa Bárbara (17.83 mS/cm) y meseta (15.83 mS/cm) obtuvieron valores relativamente intermedios en esta misma fecha de muestreo; los valores de CE finales, revisados a los 90 días correspondió en orden ascendente así: Sta Bárbara(0.67 mS/cm), Mirador (2.65 mS/cm), Meseta (4.85 mS/cm) y Saucita (11.51 mS/cm)

Comportamiento del pH de bioles obtenidos en efluentes de biodigestores del Sumapaz

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Teniendo en cuenta que pH es una variable fisicoquímica relacionada con el potencial de hidrogeniones movilizados en una solución, permitiendo definir la acidez ó basicidad de la misma en virtud de la constante de disociación del agua: kW, los bioles fueron examinados potenciométricamente para caracterizar esta propiedad, encontrándose el comportamiento mostrado en la Figura 8

FIGURA 8.  Comportamiento del pH de los bioles obtenidos a partir de efluentes de los cuatro biodigestores evaluados.

Al observar el comportamiento del pH de los bioles en las seis (6) fechas de muestreo expuestas en la Figura 8, se puede analizar lo siguiente: Santa Bárbara mostró valores en rango desde neutro hasta fuertemente alcalino, Meseta estuvo en intervalo de neutro a ligeramente alcalino, mientras que los bioles de Saucita y Mirador, presentaron en todas las épocas de muestreo, pH ligeramente alcalino; es importante destacar la variabilidad del pH en los bioles obtenidos de la finca Santa Bárbara, puesto que los valores indican un fuerte descenso desde 8.75 hasta 6.75 en 75 días, finalizando en 7.49

Con base en los anteriores valores se determinaron los promedios de pH para los bioles generados por los biodigestores de cada predio, obteniéndose que son abonos líquidos de tipo ligeramente alcalino

La Figura 9, muestra valores promedios de conductividad eléctrica y pH de los bioles muestreados en cada finca.

FIGURA 9.  Valores promedio de pH y CE de los bioles obtenidos a partir de efluentes de biodigestores, región del Sumapaz.

Acorde a la Figura 9, se puede deducir que la CE promedio de los bioles provenientes de Saucita (18.36 mS/cm) exhibió el mayor valor, seguido por Meseta (11.98 ), Santa Bárbara (10.82) y Mirador (7.08) con la CE más baja, por lo tanto, los bioles de saucita presentaron salinidad alta, lo cual puede ser limitante para cultivos tolerantes, mientras que bioles de Santa Bárbara y Meseta poseen salinidad media que los hace limitantes para cultivos moderadamente tolerantes y Mirador generó bioles con salinidad baja; con relación al pH promedio se destaca que los valores corresponden a bioles ligeramente alcalino, como se advirtió en párrafos anteriores.

Comportamiento Sólidos Totales disueltos (TDS) en los bioles evaluados, provenientes del Sumapaz

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Los sólidos totales disueltos corresponden a la masa (g, mg) de sólidos (minerales, sales orgánicas e inorgánicas) que están presentes en un volumen determinado del biol (1L ó 100 mL), de esta forma sus unidades se pueden expresar como: gTDS/100 mL, equivalente a %TDS ó mg TDS/L, que es lo mismo que ppm TDS.

La Figura 10 muestra el comportamiento de los valores TDS de bioles obtenidos en efluentes de biodigestores del Sumapaz, en las épocas muestreadas

FIGURA 10.  Comportamiento del TDS de los bioles obtenidos a partir de efluentes de biodigestores, región del Sumapaz.

El TDS de los bioles muestreados en las 6 épocas, mostró un marcado descenso en los 4 predios evaluados resultando más notorio en Santa Bárbara y Meseta, en contraste, Mirador y Saucita obtuvieron valores de TDS, superiores a los demás, de tal forma que en esto últimos predios mencionados el dato máximo de TDS, ocurrió a los 45días (0.98% y 1.48%) respectivamente; cuando se observan en detalle las gráficas, se aprecia que al inicio del muestreo (15 días) los valores fueron similares Mirador, Meseta y Santa Bárbara, sin embargo, en Saucita fue notoriamente superior (1.27%); los valores de TDS finales, revisados a los 90 días correspondió en orden ascendente así: Meseta (0.24%), Mirador (0.30%), Santa Bárbara (0.34%) y Saucita (0.56%): Los promedios de TDS para los bioles obtenidos en los biodigestores de cada predio se indican en la Figura 11.

FIGURA 11.  Valores promedio de TDS en los bioles obtenidos a partir de efluentes de biodigestores, región del Sumapaz.

De acuerdo a la Figura 11, se puede deducir que la TDS promedio de los bioles provenientes de Saucita (1.00%) exhibió el mayor valor, seguido por Mirador (0.75%), Santa Bárbara (0.65%) y Meseta (0.64%) con TDS más bajo, por lo tanto, los bioles de saucita presentaron salinidad alta, lo cual puede ser limitante para cultivos tolerantes, mientras que bioles de Santa Bárbara y Meseta poseen salinidad media que los hace limitantes para cultivos moderadamente tolerantes (Figura 13)

Concentración de gas metano en el biogás producido en los biodigestores evaluados

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En la Figura 12, se muestran gráficas comparativas del comportamiento cinético del gas metano en los biodigestores ubicados en las fincas La Saucita y El Mirador.

FIGURA 12.  Valores de concentración de gas metano evaluados en los biodigestores de La Saucita y El Mirador.

La Figura 12, muestra que a pesar de que el gas metano en la Saucita se comportó de forma sostenida con tendencia polinómica, marcando valor máximo de 64,6 a los 30 s y un valor límite de 35,3 en dos min, la finca El Mirador, presentó mayores concentraciones de gas metano en rango de 80,7 hasta 95,7, con descensos marcados en forma ondulatoria hasta valores mínimos con rango desde 19,5 hasta 33,8.

FIGURA 13.  Valores de concentración de gas metano evaluados en los predios Santa Bárbara y la Meseta.

Cuando se saca el promedio de concentración de gas metano en cada finca, se obtiene la gráfica indicada en el Figura 14.

FIGURA 14.  Concentración promedio del gas metano en los biodigestores evaluados en Fusagasugá

Los promedios presentados en la Figura 14, señalan que los biodigestores instalados en los predios Santa Bárbara y El Mirador generaron mayor concentración y calidad de gas metano, de tal forma que el comportamiento fue como sigue: mirador superó a Santa Bárbara en 13.49, lo mismo que a meseta y Saucita en 34.37 y 36.9 respectivamente, luego el biogás producido por los biodigestores implementados en estos predios, resultó de mayor calidad en el mirador, seguido por Santa Bárbara, La Meseta y La Saucita, determinado esto por la concentración del gas metano

CONCLUSIONES

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  • Los sustratos evaluados como materia prima para abastecer los biodigestores mostraron diferencias apreciables en su composición, de tal forma que las excretas porcinas mostraron mayor alcalinidad que el estiércol bovino, así mismo, nutrientes como CO, NT, P y K. presentaron valores más altos en la excreta porcina, lo cual las hace más atractivas para la biodigestión anaeróbica

  • Variables como Temperatura, pH y humedad relativa, afectaron significativamente las reacciones bioquímicas enzimáticas en las etapas de la biodigestión anaeróbica de los cuatro biodigestores evaluados, lo cual se evidenció en concentraciones altas de gas metano, específicamente en predios Mirador y Santa Bárbara

  • Los indicadores biofisicoquímicos determinados en abonos líquidos-bioles, obtenidos a partir de la biodigestión anaeróbica de los cuatro biodigestores estudiados en el municipio de Fusagasugá, mostraron valores de pH ligeramente alcalinos, CE y TDS altos, contenidos de nitrógeno disponible y potasio medianamente concentrados y valores de Fósforo ligeramente inferiores a lo reportado en otros trabajos similares, lo cual permite recomendarlos para su uso como biofertilizantes líquidos en cultivos moderadamente tolerantes

  • El comportamiento cinético de variables fisicoquímicas como CE, TDS y pH mostraron tendencias al descenso en el tiempo, con modelamiento logarítmico ó exponencial, que se sugiere analizar en detalle

  • El biogás producido en los biodigestores Mirador y Santa Bárbara, presentaron la mayor concentración de gas metano, superando de forma significativa (P<0.050) al CH4 obtenido en Meseta y Saucita, lo cual se puede explicar por el tipo de sustrato utilizado (estiércol porcino y bovino) y las condiciones climatológicas de los predios estudiados.