UNIVERSIDAD DE GUADALAJARAUNIVERSIDAD DE GUADALAJARACENTRO UNIVERSITARIO DE LOS ALTOSGENERACIN DE ELECTRICIDAD A BASE DEBIOGASSometido como requisito parcial para la obtencin del gradoDe Ingeniero AgroindustrialPorFernando Navarro RodrguezAgosto 2008CAPITULO 1INTRODUCCIONAntecedentes En cuestiones de tratamiento de aguas residuales municipales e industriales Mxico aun tiene mucho camino por recorrer, la organizacin para la cooperacin y el desarrollo econmico (OCDE) sostena que A finales del 2002, solo el 27% de las aguas negras recolectadas por los sistemas de drenaje del pas fueron tratadas.(OCDE, 2003; p. 80). A finales de 2001, la capacidad instalada combinada de las 978 estaciones de tratamiento de aguas residuales municipales era de 1.80 kilmetros cbicos al ao, por debajo de la meta de 2.59km3/ao en el plan Nacional Hidrulico 1995-2000. Algunas grandes plantas de tratamiento han sido planeadas (capacidad diseada de 1.58km3/ao) para la ciudad de Mxico, pero no se ha programado que entren en funcionamiento antes del 2006. Hasta ahora Guadalajara (la segunda ciudad ms grande de Mxico, con 4 millones de habitantes) no cuenta con tratamiento pero ya est planeada la instalacin de una planta.Casi 60% del total de la capacidad de tratamiento instalada est diseada para tratamiento secundario (41% por el mtodo de sedimentos activados y 18% en estanques de estabilizacin, el agua residual la cual puede usarse para el riego agrcola). El resto de las instalaciones emplean una variedad de mtodos, incluyendo el tratamiento primario avanzado (11%) y lagunas aireadas (7%) (OCDE, 2003; P. 80-81).Uno de los mtodos utilizados para el tratamiento de aguas residuales y lodos es el tratamiento anaerobio. El tratamiento anaerobio se utiliza tanto para las aguas residuales como para la digestin de los lodos. Los productos finales de la degradacin anaerobia son gases, principalmente metano (CH4), dixido de carbono (CO2) y pequeas cantidades de sulfuro de hidrgeno (H2S), mercaptano (RSH) hidrogeno (H2). El proceso comprende dos etapas: (1) fermentacin cida y (2) fermentacin metnica (Ramalho, 2003; p. 503).Como se menciona el principal producto de la digestin anaerobia es el gas metano. Por lo general, el gas de los lodos se utiliza en un sistema de calefaccin para mantener el digestor a la temperatura correcta como calentador espacial y tambin para el secado e incineracin de los lodos. Las grandes plantas para el tratamiento de aguas negras utilizan el gas de los lodos para la generacin de energa, utilizando el calor residual de los generadores para calentar los digestores (.) Varias de las grandes plantas para el tratamiento de aguas negras generan su propia energa utilizando motores Diesel modificados de combustible dual, y en las plantas Beckton de Londres, la compresin del aire para la planta de lodos activados se lleva a cabo por medio de sopladores acoplados directamente a turbinas de gas que operan con gas de lodos (Winkler, 2000; p. 321).1.1 OBJETIVOS1.1.1Objetivo GeneralImplementar un reactor para el tratamiento de aguas negras y lodos de la Universidad y utilizar el gas metano que se genere para la generacin de Electricidad la cual se utilizara en la iluminacin de un cuarto en la escuela.1.1.2 Objetivos especficos Contribuir en alguna forma al saneamiento de aguas residuales y ahorro de energa.Realizar el montaje y puesta en marcha del sistema de digestin anaerobia a escala de laboratorio.Realizar ensayos experimentales en el sistema de digestin para obtener los parmetros de operacin del proceso que maximice la eficiencia de depuracin de la materia orgnica.Realizar las adaptaciones necesarias a un motor diesel y un generador especfico para la generacin de electricidad teniendo como combustible el gas metano.1.2 Justificacin Implementar y promover otras opciones para el ahorro de energa y tratamiento de aguas residuales, aprovechar los recursos naturales de desecho con que contamos para su transformacin y generacin de riqueza en la comunidad.Contribuir un poco para contrarrestar el bajo ndice de capacidad de tratamiento de aguas residuales en nuestro pas y contaminacin de nuestros ros.CAPITULO 2REVICIN DE LITERATURA2.1 Definicin del tratamiento de digestin anaerobia El proceso unitario de tratamiento de digestin anaerobia se emplea en todo Edmundo para la depuracin de aguas residuales y fangos procedentes de la Industria, la agricultura y de origen urbano. Recientemente se aplica tambin en el tratamiento de residuos slidos urbanos. Por definicin, la digestin anaerobia es: la utilizacin de microorganismos, en ausencia de oxgeno, para estabilizar la materia orgnica por conversin a metano y otros productos inorgnicos incluyendo dixido de carbono:Materia orgnica + H2O anaerobias CH4 + CO2 +nueva masa +NH3 +H2S + calor (Kiely, 1999; p. 763).2.2 Microbiologa de la digestin anaerobia En las operaciones intermitentes son dos los grupos subsecuentes de bacterias principales que consumen alimentos: 1) los productores de cidos facultativamente anaerbicos, que convierten a los carbohidratos, a las protenas y a las grasas en cidos y alcoholes y 2) los fermentadores anaerbicos del metano, que convierten los cidos y alcoholes en metano y bixido de carbono (GEYER, 1992; p. 639). Inicialmente, la masa de polmeros complejos como protenas, hidratos de carbono, lpidos, grasas y aceites se hidrolizan por la accin de enzimas extracelulares en productos solubles mas sencillos de tamao tan pequeo que les permite atravesar la membrana celular de los microorganismos. Estos compuestos sencillos de aminocidos, azcares, cidos grasos y alcoholes fermentan en cidos grasos de cadena corta que no se encuentran en forma de acetatos se convierten en acetato, hidrgeno y dixido de carbono. La etapa final es la produccin de metano a partir del hidrgeno mediante metangenos hidrogenofilicos y a partir de acetatos mediante metangenos aceticlsticos (Pavlosthatis y Giraldo Gmez, 1991). Gujer Y Zehnder (1983) dividieron el proceso anaerobio en siete subprocesos que se detallan a continuacin:Hidrlisis de materia orgnica particulada complejaFermentacin de los aminocidos y azcaresOxidacin anaerobia de los productos intermediosProduccin de acetato a partir de CO2 y H2Conversin de acetato a metano por medio de los metanognos aceticlsticos (Kiely, 1999; p. 765).2.3 Tipos de digestores Desde hace ms de cien aos se conoce el hecho de que si se dejan los slidos sedimentados de las aguas residuales en un tanque cerrado por un tiempo suficiente, pasan a tener un aspecto lquido y se genera simultneamente un gas que contiene metano. En 1904 Imhoff obtuvo ya la patente del diseo de reactores de digestin anaerobia, conocidos como fosas o tanques Imhoff. La gran mayora de los procesos de digestin de lodos son anaerobios, aunque la digestin aerobia est popularizndose, especialmente para pequeas unidades. Los digestores de lodos anaerobios son normalmente de dos tipos: 1) Digestores de una etapa. 2) Digestores de dos etapas.El lodo bruto se introduce en la zona donde hay digestin activa y se est produciendo gas. Al elevarse el gas arrastra partculas de lodo y otras materias (grasas, aceites,) formando un sobrenadante que se separa del digestor. El lodo digerido se extrae por el fondo del tanque. El proceso de digestin se favorece por la alta temperatura (normalmente entre 24 y 400C), lo que exige que el lodo en digestin se caliente mediante serpentines de vapor dentro del reactor, o por medio de un calentador externo de lodos. El gas se recoge por la parte superior del digestor, y se utiliza normalmente como combustible debido a su alto contenido de metano (Ramalho, 2003; p. 547-548). Los reactores se pueden clasificar en:Reactores de primera generacin, donde el tiempo de retencin hidrulico es igual al tiempo de retencin de slidos, o lo que es lo mismo 0=0 incluyen:Digestor por lotes o discontinuoDigestor de flujo de pistnReactor continuo de mezcla completa RMCReactor anaerobio de contactoLos reactores de segunda generacin, en los que el tiempo de retencin de slidos es mayor que el tiempo de retencin hidrulico. Quiere decir que 0c es mayor que 0. En este tipo se incluyen:filtro anaerobio de flujo ascendente-descendentereactores de lecho fijo con flujo descendente en rgimen estacionarioreactores de lecho fludizadoreactores anaerobios de flujo ascendente con lecho de lodosreactores anaerobios hbridos de lodosPara las diversas configuraciones de reactores existen distintos usos tanto para residuos urbanos, industriales como agrcolas. Para los residuos agrcolas se emplea normalmente un proceso discontinuo o por lotes mientras que en la industria la tendencia gira a reactores con lechos fluidizados o fijos. (Kiely, 1999; p. 767-768).2.4 Tipos de Motores Diesel Motor de inyeccin directaEl motor de inyeccin directa se diferencia de los otros tipos de motores en que su consumo de combustible es poco y en que su puesta en marcha es fcil.Motor con cmara de precombustinEn el motor con cmara de precombustin, el aire es enviado a esta cmara de precombustin durante el tiempo de compresin.Motor con cmara de turbulenciaLa cmara de turbulencia est destinada a evitar los inconvenientes de la inyeccin directa y de la cmara de precombustin.Motor con cmara de reserva de aireLa cmara de aire tiene el mismo objeto que la cmara de precombustin y la cmara de turbulencia. Proporciona una buena mezcla del combustible con el aire, con pequea presin de inyeccin (POURBAIX, ALBERTAL, 1996; P. 14-16). El primer motor de encendido por compresin fue creado por Rudolph Diesel hacia 1892. Segn el ciclo que ha tomado el nombre de su creador, la combustin se realiza a presin constante. Los combustibles son hidrocarburos lquidos de caractersticas inferiores a los carburantes usados en los motores de encendido por chispa y son menos voltiles. Teniendo una densidad mayor se les llama combustibles lquidos pesados. El tipo ms conocido porque es el ms usado para los motores de los autovehculos es el gasoil (gasleo).La alimentacin del combustible se realiza exclusivamente por inyeccin.Los motores EC (encendido por compresin) estn prximos, por importancia y variedad de aplicaciones a los motores ECh (encendido por chispa) pertenecen a su amplia gama los grandes motores Diesel lentos para instalaciones fijas o navales y los motores Diesel rpidos empleados en la locomocin terrestre y en las embarcaciones ligeras.Han de considerarse del tipo EC los motores semi-Diesel, tambin llamados de cabeza incandescente () los motores de encendido por compresin funcionan tanto a 4 como a 2 tiempos. Los motores de 2 tiempos no presentan consumo de combustible superiores a los 4 tiempos, porque el barrido en los cilindros se hace con aire puro y no con mezcla combustible; por esta razn no se producen prdidas de combustible a travs del escape (GIACOSA, 2000; p. 15-16) Los motores de encendido por compresin (EC) pueden a su vez subdividirse:segn el sistema de encendido del combustible, en:motores Diesel:motores semi Diesel:segn la posicin del inyector en:motores a inyeccin en cmara separada:motores a inyeccin directa:segn el sistema de inyeccin de combustible, en:motores a inyeccin neumtica:motores a inyeccin slida:en relacin al rgimen y caractersticas de utilizacin, en:motores lentos:motores rpidos:en relacin al modo de actuar del fluido de trabajo sobre el pistn. En:motores de efecto simple:motores de doble efecto (GIACOSA, 2000; p. 11).2.5 Generar electricidad con un motor Diesel alimentado con gas metano El biogs debe ser extrado y eliminado mediante combustin para reducir su impacto medioambiental y, si lo permite el caudal extrado, puede usarse como fuente de energa. Esta tcnica, suficientemente utilizada en muy diversos lugares es empleada para abastecer elctricamente a instalaciones de muy variada ndole (.) El aprovechamiento energtico del biogs viene determinado por su poder calorfico. El metano tiene un PCI15 de 8900 kcal/Nm3, pero teniendo en cuenta al resto de componentes del biogs, resulta un PCI de aproximado de 4200 kcal/Nm3 medio. En el mercado existen motores especficos para la combustin de este gas.Acoplando un alternador se obtiene energa elctrica. Los equipos modernos queman eficazmente el gas con una proporcin muy baja de aire, reduciendo las emisiones de gases contaminantes. Un ratio habitual de produccin es obtener 1kw/h a partir de 1.2m3 de biogs (Colomer y Gallardo, 2007; p. 274-275).2.6 normas ambientales mexicanas relacionadas con el agua NOM-001-Semarnat-1996Establece los lmites mximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales en aguas y bienes nacionales. Fue publicada en el DOF el da 6 de enero de 1997 y entr en vigor el da siguiente. NOM-002-Semarnat-1996 Establece los lmites mximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales a los sistemas de alcantarillado urbano o municipal. Se publico en el DOF el da 3 de junio de 1998 y entr en vigor al da siguiente. NOM-003-Semarnat-1997Establece los limites mximos permisibles de contaminantes para las aguas residuales tratadas que se reusen en servicios al pblico. Se public en el DOF el da 21 de septiembre de 1998 y entr en vigor al da siguiente. NOM-004-Semarnat-2002Proteccin ambiental.- lodos y bioslidos.- Especificaciones y lmites mximos permisibles de contaminantes para su aprovechamiento y disposicin final. Se public en el DOF el da 15 de agosto de 2003 y entr en vigor al da siguiente (Comisin Nacional del Agua, 2007; p. 132).