Ing. Ileana Pereda Reyes*, Ing. Ramón Chao** y Dr. Deny Oliva Merencio*
* Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER), Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría (CUJAE), Marianao, La Habana, Cuba.
** Instituto de Investigaciones Porcinas. Gaveta Postal No1. Punta Brava 19200. Ciudad de La Habana, Cuba.
e-mail: ipereda@ceter.cujae.edu.cu

Resumen
En el presente trabajo se expone el estudio experimental realizado en un digestor de
15 m3 de capacidad, operando en semicontinuo, para registrar y confirmar el papel de los residuos sólidos mineros (Cola) de la industria cubana de extracción del níquel. El efecto de la adición de Cola sobre este sistema anaerobio fue analizado a través de la evolución de su producción de biogás. Se midió la cantidad de biogás producido antes de comenzar la adición de la Cola, durante la adición de la misma y después de terminar con esta práctica.

Para realizar este estudio se utilizó residual porcino proveniente de una granja de más de cien cerdos. Se adicionó Cola a razón de 5 mg por cada litro de residual alimentado al reactor.

La media histórica de eficiencia en la eliminación de la demanda química de oxígeno es de 72% y pasó a 92% por la adición de la Cola. El incremento en la producción de biogás por día fue de aproximadamente 5 m3, para todo el período de adición de Cola al reactor. Los valores promedio en la producción de biogás diaria de este reactor, en los períodos de no adición de Cola, coinciden con la media de producción.
Palabras clave: Digestión anaerobia, micronutrientes, biogás.

Introducción
En el análisis de la información relativa de la digestión anaerobia se puede constatar que un mejor conocimiento de las bases termodinámicas, microbiológicas y cinéticas del proceso anaerobio facilita el diseño de equipos que pueden competir con otras técnicas alternativas, especialmente en el caso de tratamiento de vertidos de alta carga, como es el caso de los residuos ganaderos [Wheatley et al., 1999, Ryhiner et al., 1993; Jih y Huang, 1994; Farhan et al., 1997; Holst et al., 1997; Lettinga et al., 1997; Pérez et al., 1998].

La digestión anaerobia permite transformar la materia orgánica en dióxido de carbono y metano (biogás), aprovechándose de forma directa o mediante cogeneración. Dicho proceso involucra un conjunto de reacciones que transcurren en serie o serie-paralelo, asociadas al metabolismo de numerosos microorganismos, intermediarios necesarios para transformar la materia orgánica compleja en sustratos simples fermentables por las bacterias metanogénicas.

El tratamiento anaerobio de residuales, por ser un proceso biológico, requiere no sólo de los llamados macronutrientes (N, P, K, S, Ca y Mg), sino también de los denominados micronutrientes (Fe, Ni, Co, Mn, Zn, Mo y Cu) y factores estimulantes al proceso, los cuales en cantidades muy pequeñas (trazas), son esenciales para el óptimo desarrollo de los microorganismos.

La adición de diferentes elementos metálicos con vistas a mejorar el proceso anaerobio, tanto en su arrancada o en momentos de estrés, ha venido incrementándose en los últimos tiempos, existiendo bases teóricas bien fundamentadas para la realización de esta práctica.

En trabajos previos, mencionados anteriormente, se han obtenido una serie de resultados que pueden ser considerados trascendentales para el trabajo que aquí se presenta, los cuales se pueden resumir en que:

• Algunos metales son considerados elementos obligatorios en el proceso anaerobio (Fe, Ni, Co).
• Existe necesidad de agentes estimulantes y catalizadores al proceso de digestión anaerobia.
• Se conoce del efecto positivo que se tiene al emplear Fe en residuales con alto contenido de sulfatos.
• Los procesos anaerobios a escala industrial demoran mucho tiempo para llegar a operar en condiciones estables (de seis meses a un año).
• Para garantizar estimular los procesos anaerobios, tanto a nivel de laboratorio como a escala industrial, se emplean sales comerciales que se deben aplicar de forma limitada.

Cuba dispone de uno de los yacimientos de níquel y cobalto más importante del mundo, respaldado por una alta producción, de la que se generan residuos mineros conocidos como Colas. Estas Colas tienen elevado contenido de algunos metales que resultan imprescindibles para las bacterias productoras de metano, que son los microorganismos más importantes en el proceso anaerobio [Espinosa et al., 1995; Kida et al., 1991 y 2001; Lin et al. 1992 y 1993; Osuna et al., 2003; Pavlostathis, 1991; Sánchez-Hernández, 1994; Speece et al., 1983; Zhang et al., 2003].

En virtud de los resultados obtenidos por Pereda et al. [2006], trabajando con Cola a nivel de laboratorio se decidió estudiar el efecto de la adición de la Cola en un digestor de escala semiindustrial, que estuviera en funcionamiento y cuyo principio de operación permitiera la confirmación de los resultados expuestos en el trabajo mencionado.

Descripción de la instalación
Desde hace varios años el Instituto de Investigaciones Porcinas (IIP), ha desarrollado su propia tecnología anaerobia, basada fundamentalmente en innovaciones a los digestores convencionales chinos de cúpula fija. Estos diseños han sido instalados en varios lugares del país y del Caribe. También se han montado varios de estos reactores en áreas de ese Instituto para el tratamiento de los residuales que se generan en varias granjas de cerdos que se estudian con fines veterinarios.

Para el estudio que se expone en este capítulo del trabajo se escogió un digestor anaerobio que trata el residual proveniente de una de estas naves con un sistema tecnológico de ciclo completo de 10 cerdas reproductoras y toda su descendencia
(100-117 cabezas totales). Este digestor es de cúpula fija de 15 m3 y trabaja con un TRH de 20 días. El biogás se recolecta en una bolsa de polietileno fijada al terreno mediante un sello hidráulico. El efluente procedente del digestor, se deposita en el lecho de secado para la separación de la fracción líquida y sólida y el secado posterior de esta última por medio de la energía solar durante 15 días (Fig. 1).

Fig. 1. Sistema de tratamiento de residual porcino digestor-lecho de secado.
1. Tanque de carga. 2. Digestor de cúpula fija.
3. Tanque de compensación.
4. Lechos de secado.

El lecho de secado está compuesto por divisiones que tienen un área de 5,2 m2 cada una incluyendo 1 m2 de área de filtro, el cual consta de una rejilla de aluminio en su parte inferior para la evacuación del líquido, encima de la cual se colocó una capa de piedra ¾ pulgadas de 25 cm de espesor y a continuación arena lavada con un espesor de 15 cm.

Este digestor se seleccionó debido a que sus condiciones operacionales son similares a las estudiadas a nivel de laboratorio, como son:

• La alimentación del digestor se realizó una vez a la semana.
• La única agitación se produce por la entrada de la alimentación.
• En los períodos entre alimentación funciona como un reactor discontinuo.
• El intervalo de temperatura de trabajo es mesofílico.
• Alto contenido de nitrógeno en el residual a tratar.
• Residual con alta carga contaminante.

Metodología
Para observar el efecto positivo de la adición de la Cola en este digestor se tomó como parámetro de referencia la producción de biogás generada cada 24 h. Se estudió la evolución del biogás producido en 6 TRH consecutivos. Se empleó para la medición un contador de gas acoplado a su sistema de recolección.

La alimentación básica de los cerdos se mantuvo invariable. Se tomaron muestras esporádicamente para la medición de algunos parámetros característicos del residual tanto en el afluente y como en el efluente (SV, DQO y pH).

Se añadió al digestor 5 mg de Cola, por cada litro de alimentación, por ser esta la dosis óptima encontrada para las condiciones de estudio a nivel de laboratorio.

De los 6 TRH estudiados, el primero se corresponde con los primeros 20 días sin la adición de la Cola, y el último TRH se corresponde con el comportamiento del reactor después de detenerle la adición de Cola. Se realizó un seguimiento por 4 TRH consecutivos añadiendo Cola al digestor.

Resultados y discusión
Antecedentes del digestor
Para tener una primera aproximación del efecto positivo de la adición de la Cola y comparar los resultados que se fueron obteniendo fue necesario revisar la «historia» del digestor bajo estudio.

A continuación se muestra la Tabla 1, donde se resumen las características promedio del residual y el comportamiento histórico de los parámetros principales del reactor [Chao et al., 2000].

Efecto de la adición de la Cola
En la tabla 2 se exponen los resultados de la medición de algunos parámetros fundamentales del residual y del comportamiento del proceso anaerobio durante los 4 TRH correspondientes a la adición de la Cola en el reactor bajo estudio.

Como puede observarse, existe un incremento notable en la eficiencia de eliminación, tanto de la demanda química de oxígeno como en los sólidos volátiles contenidos en el sistema.

En la figura 2 se evidencia nítidamente el aumento de la cantidad de biogás producido durante los períodos de TRH en los que se añadió Cola al digestor, con relación a los períodos correspondientes a antes de comenzar dicha adición y después de detener esa práctica.

Fig. 2. Producción de biogás diaria promedio por
bloques de TRH durante el período experimental
(SC- sin adición de Cola, CC- con adición de Cola).

También se aprecia que se llega a obtener, como mínimo, más de 5 m3 adicionales de biogás diario, a partir del suministro de Cola al reactor. Este resultado amplía el espectro de uso de la Cola para sistemas que tratan este tipo de residual. Es posible que una de las causas del incremento ostensible en la producción de biogás, desde la adición de la Cola, radique en un desbalance de micronutrientes en el residual.

Análisis estadístico
Para validar la experimentación realizada en el reactor de cúpula fija de 15 m3 del IIP se recurrió al análisis estadístico para demostrar la confiabilidad de lo obtenido en esta etapa.

Se estudiaron los datos que se habían registrado antes (BLOQUE 1) y después de la adición de la Cola (BLOQUE 6), y se sometieron al análisis estadístico comparativo, medias y desviaciones estándar, para determinar si existían diferencias significativas entre ellos.

El análisis comparativo de las medias se llevó a cabo a través de la t de Student, y la de las desviaciones estándar mediante la F de Fisher, con 95% de confianza para ambas pruebas. Los resultados se pueden observar en la tabla 3; muestran que no hay diferencias significativas entre las medias de cada bloque. Lo mismo ocurre para las desviaciones estándar correspondientes a los bloques analizados (Tabla 3).

Estos resultados indican que se pueden analizar los dos bloques sin adición de Cola
(1 y 6) como un solo bloque para su comparación con los correspondientes al período de adición de Cola.

Posteriormente se realizó el análisis estadístico comparativo entre los bloques sin Cola (BLOQUES 1 y 6) y los bloques con adición de Cola (BLOQUES 2, 3, 4 y 5). Un resumen estadístico de los resultados de esta comparación se muestra en la tabla 4. Para determinar estadísticamente si había diferencias significativas entre las medias y las desviaciones estándar se desarrolló un procedimiento similar.

La comparación entre las medias se realizó con una confianza de 95% y se obtuvo que hubiera diferencias significativas entre los datos recogidos sin la adición de la Cola, BLOQUE 1,6 y los recogidos durante la adición de la Cola, BLOQUE 2, 3, 4 y 5 (Tabla 4).
De forma similar se operó en el estudio comparativo entre las desviaciones estándar con una confianza de 95%, obteniéndose que no había diferencias significativas entre éstas (Tabla 4).

Mediante el análisis estadístico realizado se puede concluir que los resultados de la experimentación desarrollada en el sistema semicontinuo son confiables y representativos. Queda validado estadísticamente que el empleo de la Cola arroja diferencias significativas en el comportamiento del sistema anaerobio estudiado.

Valoración económica
En este apartado se pretende tener un acercamiento a las ventajas económicas del uso de las Colas como suministradoras de nutrientes en el tratamiento anaerobio de residuales. Como el presente trabajo se ciñó al estudio básico del efecto de la adición de Cola al proceso de digestión anaerobia, se debe continuar investigando el tema antes de poder dar un valor definitivo en cuanto al potencial económico que éstas pueden representar a nivel industrial.

Esta aproximación económica se realizará a partir de las dos variantes, hasta ahora identificadas por el alcance limitado y el estado inicial de esta investigación, que introducen un efecto económico positivo por el uso de la Cola en sistemas anaerobios, los cuales son:

1. Sustitución de sales minerales comerciales que suministran nutrientes esenciales a este tipo de sistemas y que son añadidas como práctica mundial.
2. Incremento de la producción de biogás en sistemas anaerobios convencionales que evidencian desbalance de nutrientes, los cuales serían aportados a través de la Cola.
En el caso de la primera variante de efecto económico positivo se tomará como ejemplo la planta de tratamiento de aguas residuales y residuos sólidos de la fábrica FRIWEIKA, dedicada a la fabricación de productos a partir de la papa, ubicada Alemania.
Esta planta trata diariamente 100 toneladas de residual en un reactor tipo UASB de
3 600 m3 de capacidad. En ella se consume diariamente una solución de sales minerales, tributaria de nutrientes, suministrada por una firma británica que no tiene competencia en Alemania, y se añade a razón de 1,5 L/d. El costo de esta solución es de 25€/L.
Se conoce que el consumo de la solución de sales minerales es de 1,5 L/d y que la planta opera los 360d/a, entonces el costo por la compra de dicha solución es de 13 500€/a (~15 300 CUC/a).

En el futuro de Cuba, el tratamiento anaerobio de aguas residuales debe alcanzar una aplicación más amplia a nivel industrial, sobre todo en industrias generadoras de residuales complejos y altamente contaminante. El biogás producido a este nivel debe tener un valor agregado que consiste en la posibilidad de generación de energía eléctrica
a partir de éste. En este punto, la opción de suministrar micronutrientes para el buen balance de los sistemas anaerobios, a través de la Cola, evitaría la compra de soluciones como la que utiliza actualmente la planta de tratamiento anteriormente comentada.
En esta valoración cabe destacar que la sustitución de dichas sales, se realizaría por un polvo homogéneo que actualmente es un residuo de la industria de la extracción del Ni y el Co, cuya utilización implicaría costos mínimos asociados a su recogida y transportación.

La otra arista en la valoración económica radica en la posibilidad del aumento de la producción de biogás en plantas convencionales existentes –como el caso bajo estudio y expuesto en este trabajo–, las cuales fueron diseñadas y construidas para una producción de biogás diaria menor y con un aproximado de 70% en la eliminación de la DQO. Estas plantas podrían lograr, añadiendo Cola para un correcto balance de nutrientes en la alimentación de las mismas, una mayor eficiencia en la eliminación de la DQO
(más de 90%).

Muchas son las aplicaciones de 1 m3 de biogás, tal como se muestra en la figura 3. Desde el punto de vista económico es plausible el aporte que daría a la recuperación de la inversión de una planta de tratamiento anaerobio, de cualquier envergadura, disponer de una cantidad de biogás extra.

Tal como se obtuvo en el caso estudiado, diariamente se generan como mínimo 5 m3 más de biogás de los que históricamente producía el digestor analizado.
Teniendo en cuenta que el valor calórico del biogás (60% de CH4 y 40 de CO2) es de
21,4 MJ/m3, se pueden realizar algunas propuestas de impacto económico sencillo, pero gráfico (Tabla 5).

Si el biodigestor trabaja a razón de 360 d/a, y sólo por el incremento de la producción de biogás por el empleo de la Cola, se pueden obtener efectos económicos del orden de:

• 270 CUC/a sustituyendo el diésel.
• 1 008 CUC/a si se genera electricidad.

Fig. 3. Diferentes aplicaciones de 1 m3 de biogás
(Tomado de Manual para la producción de biogás, Jorge A. Hilbert).

Es conocido que en Cuba existen más de 500 biodigestores convencionales cuyas eficiencias son relativamente bajas si se comparan con reactores de tecnologías más avanzadas. Suponiendo el empleo de la Cola en estos digestores a lo largo de todo el país, se obtendría una contribución económica importante.

Por otra parte, cabe señalar que el empleo de la Cola puede traer otras ventajas aparejadas:
1. Disminución del tiempo de arrancada de reactores de tercera generación que se implementaran en Cuba, principalmente en la industria azucarera.
2. Alta eliminación de la carga contaminante del efluente y disminución de los costos en los procesos de postratamiento.
3. Generación de un valor de uso para la Cola (actualmente material de desecho).

Conclusiones
Se estudió el efecto de la adición de la Cola en sistemas operando en semicontinuo. Después del análisis de los resultados se puede concluir que:

• Al comparar los niveles de eliminación de la DQO en los datos históricos (72-73%) con los obtenidos durante el período de adición de la Cola (94-96%) se puede confirmar el efecto positivo de esta práctica en este tipo de sistema para las condiciones de operación estudiadas.
• El aumento considerable en la producción de biogás en el reactor durante el período de adición de la Cola, corrobora que ésta es capaz de suministrar nutrientes esenciales para el buen desempeño del proceso de digestión anaerobia en general.
• Los resultados obtenidos en este capítulo son estadísticamente confiables y representativos. Se validó que el empleo de la Cola arroja diferencias significativas en el comportamiento del sistema anaerobio estudiado.
• Es posible obtener efectos económicos positivos a partir de la adición de la Cola como sustituta de sales comerciales minerales existentes en el mercado; y por el incremento de la producción de biogás obtenido por el empleo de tales residuos sólidos mineros.