Introducción

Los residuos sólidos orgánicos se pueden transformar, por medio de la acción de microorganismos, en una mezcla de gases llamada biogás. Esta mezcla de diferentes gases se produce por la descomposición anaeróbica de materia orgánica, principalmente formada por metano (CH₄). Asimismo, es un combustible ecológico, puesto que, al quemarse, produce monóxido de carbono y agua. Este primero sale a la atmósfera, donde es captado por plantas para producir carbohidratos mediante la fotosíntesis (¹).

Asimismo, la digestión anaeróbica puede desarrollarse en sistemas denominados biodigestores, los cuales se definen como una cámara hermética en que se dispone la materia orgánica en condiciones anóxicas, para que se pueda llevar a cabo la fermentación. Esta última consiste en la descomposición bioquímica de la biomasa (²).

En el proceso de biodigestión las reacciones bioquímicas son llevadas a cabo por distintas familias de microorganismos y se da en cuatro etapas. La primera etapa es la hidrólisis (³). En esta etapa las bacterias formadoras de ácidos hidrolizan las moléculas complejas del material orgánico para producir ácidos grasos y alcohol. En el segundo periodo las bacterias acetogénicas generan acetato e hidrógeno. El tercer grupo de bacterias, denominado homoacetogénicas son las encargadas de convertir un amplio espectro de compuestos orgánicos en ácido acético. En la última etapa, las bacterias metanogénicas, tienen la capacidad de digerir el ácido acético y transformarlo en metano y dióxido de carbono, la base principal del biogás.

El buen funcionamiento de los biodigestores puede verse afectado por la temperatura, el pH, el tiempo de permanencia o retención y el tipo de inóculo que se utilice. Estas variables influirán en el rendimiento de la generación de biogás. El rango de temperatura más utilizado es el mesofílico que va de 20 °C a 35 °C (⁴). Además, el pH debe mantenerse lo más neutro posible, ya que la mayor cantidad de microorganismos se desarrollan mejor bajo estas condiciones (²). En cuanto al tiempo de retención, este factor está relacionado con la temperatura ambiente promedio del lugar. Cuando es alta se puede aplicar un tiempo de permanencia corto en el biodigestor y viceversa (⁵).

Metodología

Generación y composición química de los residuos biodegradables

El estudio de generación se llevó a cabo mediante el pesaje diario de los residuos sólidos biodegradables generados en la soda institucional del Tecnológico de Costa Rica (TEC), durante cinco días.

Para la determinación de la composición química de estos residuos, se tomó una muestra compuesta y se envió al Laboratorio del Instituto Nacional de Innovación y Transferencia en Tecnología Agropecuaria (INTA) y, posteriormente, se procedió al análisis de la información.

Construcción e instalación de los biodigestores

Los cuatro biodigestores se instalaron en el campo de prácticas de la Escuela de Agronegocios del TEC, en la provincia de Cartago, a una altura de 1 395 msnm, donde imperó una temperatura ambiental promedio de 20,4 °C (⁶).

Se construyeron biodigestores, en tanques de una capacidad de 132 L, aproximadamente, con tapa y cincha o cinturón. Además, se hizo una perforación en el centro de cada tapa para colocar una tubería en PVC con una tee en ½”. Ahí se instaló un manómetro de escala 0 - 100 PSI y una llave de paso, en la cual se ligó la manguera que llega a la botella con agua. Por último, para sellar la tapa y evitar la fuga de biogás se agregó silicón transparente.

Carga del biodigestor y evaluación del curso de la reacción

Los biodigestores se cargaron con los residuos sólidos biodegradables del restaurante institucional del TEC. Se construyeron cuatro biodigestores, uno para cada tratamiento. Para el tratamiento que solamente tuvo residuos se agregaron 8,1 kg. En el segundo digestor se colocaron 8,1 kg de los residuos con cinco mL de Índigo^® (un acelerador de la degradación de la materia orgánica), se mezcló bien y se tapó. A la mezcla que se realizó con 400 gramos de pasto se le agregó 4,05 kg de residuos y se homogenizó bien antes de sellar el tanque. Y, por último, a la mezcla que contuvo granza de arroz, se le agregó 4,05 kg de residuos de con 1,5 kg de granza y, se mezcló para homogenizar los productos. Los pesajes se llevaron a cabo con una romana marca Ohaus serie Aviator ^TM 2000.

Todos los biodigestores quedaron con un 80 % de espacio libre con el propósito de que funcionaran como cámara de gases. El biogás generado se trasladó por medio de la manguera a la botella con agua.

Se determinó un monitoreo de, al menos, cuatro veces por semana, donde se observó la cantidad de burbujas generada en la botella instalada con agua. También, se realizaron las mediciones de temperatura con un termómetro infrarrojo, modelo 62 Max +, marca Fluke Las mediciones se llevaron a cabo durante 37 días.

Selección de la mezcla

La metodología usada para la selección de la mezcla con mejor rendimiento se hizo mediante lo observado en el campo durante la experimentación. También se tomó en cuenta aspectos técnicos, económicos y ambientales.

Resultados y discusión

Generación de residuos biodegradables

El promedio de residuos biodegradables fue de 229,16 kg por día. Este podría variar dependiendo del menú que se establezca. Por ejemplo, los días que se preparan vegetales con cascaras, habrá mayor cantidad de residuos no comestibles. Además, se debe contemplar el producto de rechazo detectado antes de ingresar en el proceso.

El cuadro 1 resume los lugares destinados para la medición con su respectivo valor en kg, durante los cinco días de muestreo.

Los residuos de preparación no comestible son los que se generan en mayor cantidad, debido a que los productos que se utilizan, en su mayoría, necesitan pelarlos antes de su cocción.

Ahora bien, en cuanto a los que potencialmente eran comestibles, y definidos como perdida y desperdicio de alimento, se estima que se está dando una generación de un 13% de este tipo de residuos, mismos que están siendo analizados y reducidos a partir de detección de causas, buenas prácticas e inserción de tecnología. Los porcentajes de pérdidas de las tres áreas principales que se miden en un comedor o restaurante fueron las siguientes: el 2% de residuos sólidos biodegradables totales generados, surgieron de descartes en bodegas, el 26% a partir de residuos de preparación comestibles, el 43% a residuos de preparación no comestibles (como cascaras, semillas y otras porciones no comestibles), y un 29% provino de los desperdicios dejados en platos. (⁷). En comparación con datos teóricos compartidos en el marco de la iniciativa global SAVE FOOD, la generación de este tipo de residuos en la institución es menor que a otros estudios, y la composición sobre todo por áreas difiere observando mejores manejos en inventarios que resulta en una perdida mínima en bodegas y cámaras de frío para el caso institucional. Esta información permite realizar una comparación con lo obtenido en el estudio de generación, donde se observó un comportamiento similar a lo descrito anteriormente.

Cuadro 1 Kg de residuos biodegradables generados en el comedor institucional del TEC. 

La figura 1 muestra el comportamiento respecto a la generación durante cada día muestreado.

Figura 1 Kg de residuos sólidos biodegradables generados por cada día de muestreo. 

Se debe considerar que los residuos orgánicos descartados, si no reciben un tratamiento dentro del TEC tienen costos asociados, tanto económicos como ambientales. Esos se dividen en fijos y variables. Los costos fijos, principalmente incluyen: amortización, reposición, limpieza y mantenimiento de los contenedores, amortización de los vehículos recolectores, gastos de personal administrativo, alquiler y uso de instalaciones. Los costos variables más destacados son los gastos en combustible, mantenimiento de los vehículos y gastos de personal de recogida (⁸). Además, del gasto que implica la disposición final en un relleno sanitario o vertedero el cual ronda los US$20/t; junto con el transporte que, generalmente, triplica los costos del vertido (⁹).

Composición química de los residuos

El cuadro 2, resume la composición química de los residuos.

Cuadro 2 Composición química de residuos sólidos biodegradables del comedor institucional del TEC. 

Como se aprecia en el cuadro 2, los residuos analizados tienen presencia de trazas de nutrientes básicos como nitrógeno, fósforo, calcio, potasio, cobre y cinc.

No se reporta la presencia de metales pesados u otros componentes que puedan poner en peligro la producción de biogás o la formación de compuestos que afecten la vida de las personas. Los inhibidores y sus concentraciones son determinantes para obtener buenos resultados en el crecimiento bacteriano; por esto se deben conocer antes de iniciar con el proceso de digestión anaerobia. Estos se exponen en el cuadro 3.

El pH se reportó en seis, lo que se considera adecuado para el proceso de digestión anaerobia que busca obtener la producción de biogás; ya que está muy cercano a lo ideal. Los valores de pH bajos reducen la actividad de los microorganismos metanogénicos, lo que provoca la acumulación de ácido acético e hidrógeno. Asimismo, al aumentar la presión parcial por hidrógeno, las bacterias que degradan el ácido propiónico serán severamente inhibidas. Esto puede causar un exceso de acumulación de ácidos grasos volátiles. Si no se corrige la situación el proceso fallará. Por el contrario, al aumentar el pH, se favorece la formación de amoniaco que en concentraciones elevadas es un inhibidor del crecimiento microbiano. Por ello, la recomendación es que el proceso de digestión anaeróbica se mantenga en el rango neutro (pH de siete) (¹¹).

Dada la naturaleza de los residuos, el contenido de materia orgánica en la muestra fue alto, con un valor de 60,75 %. Dicha condición era esperable por tratarse de residuos biodegradables.

Igualmente, la relación carbono-nitrógeno (C/N) fue de 11,26, lo que se considera muy baja. Esto indica que hay poca presencia de compuestos con carbono, por lo que se podría haber alterado la generación de gas, ya que los microorganismos involucrados en el proceso lo usan como principal fuente de energía. Por ello, el biodigestor que solamente procesó los residuos sin ninguna mezcla, no aportó biogás durante el tiempo de retención. De ahí que la relación C/N es fundamental para que las bacterias se desarrollen adecuadamente. Lo conveniente para que la formación del biogás se dé, es que esta relación se encuentre en una proporción de entre 20 y 30 partes del primer elemento por cada parte del segundo (¹²).

La relación C/N en los residuos generados en las cocinas es de 14:1, por lo que, al hacer la comparación con el valor obtenido de la muestra tomada, se concluye que es un resultado esperado. En el caso de las mezclas realizadas, estas favorecieron la formación de biogás al aumentar la relación C/N. En el caso del pasto transvala usado, la relación es de 81:1 y de la granza de arroz 66:1. Es decir, se dio una mejora en las condiciones dentro del biodigestor.

Evaluación de las mezclas

El cuadro 4 presenta los datos de temperatura reportados para cada biodigestor en los días de observación.

La temperatura mínima de los tratamientos fue de 21,8 °C reportada para el que contuvo únicamente residuos y la máxima fue de 31,6 °C para la mezcla con pasto. En estos dos rangos las bacterias presentes eran mesófilas. En este sentido, se puede entender que la fermentación mesofílica está comprendida por un rango de temperatura de 20 °C a 35 °C y, aproximadamente, de 30 a 40 días de retención (¹⁰). Gráficamente, los cuatro tratamientos tuvieron un comportamiento similar con respecto a las temperaturas registradas en los últimos días de monitoreo, tal y como se puede apreciar en la figura 2.

Figura 2 Temperatura (°C) vs tiempo (día monitoreados) para los tratamientos en experimentación. 

De acuerdo con las observaciones realizadas durante la experimentación, el tratamiento que procesó solamente residuos orgánicos no generó burbujas, lo que refleja la falta de generación de biogás.

Por otro lado, el biodigestor con acelerador de degradación de materia orgánica comenzó a producir biogás al noveno día después de haber iniciado el experimento; e incrementó la cantidad de burbujas visibles hasta llegar al día 24, donde dejaron de ser constantes. Por lo que se puede suponer que su tiempo de retención estaba llegando al máximo.

Asimismo, al usarse Índigo^®, el cual es un líquido concentrado, compuesto por 1,18 % de ingrediente activo (enzimas) y 98,82 % de caldo de cultivo, las bacterias presentes en la digestión anaerobia se desarrollaron de mejor manera y en mayor cantidad. Por lo que se obtuvo, como resultado la formación del biogás. Una vez terminada la experimentación, se procedió a desarmar los biodigestores. En este punto, se observó que el lodo más fermentado fue el tratado con el Índigo^®, además de que se identificó por un olor ácido característico.

El biodigestor con 50 % de residuos más los 400 g de pasto, inició la producción de gas el día 14, y se mantuvo con una intensidad media de burbujeo. Después del día 32 la presencia de burbujas disminuyó considerablemente.

Por último, en los residuos que tuvieron una mezcla con granza de arroz, se observó el inicio de las burbujas en el día 19 y se mantuvo de manera intermitente hasta el día 31, ya que a partir de ese día prácticamente no se observaron más.

Selección de la mezcla con mejor rendimiento

La escogencia de la mezcla que dio mejores resultados, desde el punto de vista técnico, económico y ambiental, se hizo mediante una observación cualitativa, sustentada con el comportamiento observado durante toda la experimentación.

En el cuadro 5 se muestran los aspectos técnicos, económicos y ambientales evaluados para dicha escogencia.

También, es necesario contemplar la trazabilidad de los residuos sólidos biodegradables, desde el punto de origen, que en este caso es el restaurante institucional, hasta su disposición final en el relleno sanitario Los Pinos. Esto si se toma en cuenta que, al seguir la corriente tradicional de la generación y disposición de los residuos sólidos sin valorizar, estos deberían terminar en el mejor de los casos, en un relleno sanitario.

Una vez generado el residuo, la primera etapa en la que hay costos asociados es la recolección. En la actualidad, el TEC mantiene un contrato para dicha labor con una empresa privada. Si el tratamiento de los residuos biodegradables del comedor se llevara a cabo dentro de la institución, los costos evitados serían los relacionados con la mano de obra de recolección, el mantenimiento de los contenedores y de los camiones recolectores (repuestos, cambio de aceite y llantas). Para esto se considera el consumo de combustible por el traslado de los residuos hasta el relleno sanitario Los Pinos, ubicado en Navarro, Paraíso de Cartago, a unos 5 kilómetros del TEC. Asimismo, se contemplan las emisiones al medio ambiente por uso de combustibles fósiles.

La siguiente etapa es la disposición final. Al llegar al relleno cada camión debe pasar por una báscula para la verificación de su tonelaje, con esta información se procede al cobro respectivo de acuerdo al peso de los residuos. En este apartado se toma en cuenta la mano de obra de los empleados del relleno, mantenimiento y combustible de la maquinaria encargada de la construcción de celdas y compactación de los residuos. También, se contemplan los costos para la utilización de geomembranas especializadas y drenajes para llevar los lixiviados a la planta de tratamiento. Una vez allí, se dan procesos físicos, químicos y biológicos para poder descartar los residuos en un cuerpo receptor.

Los residuos que ingresan al relleno son una mezcla de materiales orgánicos e inorgánicos, que, durante el proceso de descomposición, inciden en la generación de metano; el cual se quema en algunos casos. De acuerdo con el Instituto Meteorológico Nacional el factor de emisión es de dos g de CH₄ por cada kg de residuo sólido y un potencial de calentamiento global de metano de 21 (⁶). Tomando en cuenta que la generación promedio de residuos biodegradables del restaurante institucional de 229,16 kg por día, las emisiones que se reducirían en la institución son de 44,7 t de dióxido de carbono equivalente (CO2e) por año.

Cuadro 5 Evaluación técnica, económica y ambiental de cada tratamiento. 

En cuanto a los productos usados para realizar las mezclas, el cuadro 6 detalla el costo económico necesario para el tratamiento de los 8,1 kg de residuos que representan el 20 % de la capacidad del biodigestor. Este parámetro también permitió escoger la mezcla de acuerdo con los costos que implican su uso.

Cuadro 6 Costos económicos de las mezclas usadas en los biodigestores. 

Conclusiones

Al realizar el estudio de generación en el comedor institucional del TEC, se determina que el promedio de residuos sólidos biodegradables es 229,16 kg por día. El análisis del laboratorio respecto a la evaluación química de los residuos reporta que la relación de C/N es baja y es la esperada para este tipo de residuos, que es aproximadamente 14:1. Además, el porcentaje de materia orgánica es superior al 50 %, siendo otro valor esperado en la investigación.

La mezcla que dio mejor resultados durante la experimentación fue la hecha con el Índigo^®. Se inició la generación del biogás en el día nueve y mantuvo durante todo el tiempo de retención en el biodigestor. Asimismo, considerando los costos evitados por su uso, genera un efecto positivo en costos de almacenamiento y acarreo, ya que es un producto concentrado que se dosifica en pequeñas cantidades.

Además, la temperatura durante el proceso de digestión anaeróbica se mantuvo en el rango mesofílico, el cual va de los 20 °C a los 40 °C para los cuatro tratamientos. La experimentación tuvo un valor mínimo de 21,8 °C reportado en el biodigestor que contuvo, únicamente, residuos. La máxima temperatura se dio en la mezcla con pasto la cual fue de 31,6 °C.

En conclusión, tratando localmente los residuos biodegradables mediante la digestión anaerobia, se puede ampliar la vida útil de los rellenos sanitarios, reducir la contaminación por lixiviados infiltrados en mantos acuíferos y cuerpos receptores, disminuir las emisiones de CO₂e, y aprovechar el producto (biogás) como fuente de energía renovable.