Propuesta de aplicación de Biogás en el Hospital General Provincial

Fue realizado un estudio de factibilidad para la obtención de biogás en el Hospital General Provincial a partir de los residuales (excretas) humanos integrados al proceso de tratamiento de residuales, posibilitó introducir fuentes renovables de energía (biogás ) en la mayor institución médica de la provincia, con 692 camas, 3200 trabajadores, 157 estudiantes, ingresa como promedio mensual 1950 pacientes y atiende de forma general entre 28000 y 32000 pacientes, genera un volumen de 760 m³/día de residuales líquidos a tratar, se logra la producción de 40.0 m³/día, un ahorro de 15600 L. de gas anuales lo que representa $ 4890.50, con la tecnología del biogás se aprovechan los residuales de la planta de tratamiento de la institución, disminuye la contaminación al medio ambiente por vertimiento de residuales líquidos con deficiente tratamiento a la cuenca del Río Zaza y se produce 16425 m³/año de biogás para diferentes usos del la institución.

Palabras claves: biogás, residuales, biodigestor, biodegradable.

Title: "Practicable research for Biogas attainment in the Provincial Hospital."

Abstract.

It was done a practicable research for biogas attainment in the Provincial General Hospital due to human residues (ercrement) and it is integrated to the residue treatment process, it lets us introduce replaceable energy sources (biogas) in the biggest medical institute of this city, whit 692 beds, 3200 workers, 157 students, olso we enter as middle monthly average 1950 patients and we assist generally between 28000, 32000 patients, it gives us a volumen of 760 m³ in liquid residues for treatment we can achieve a production of 45.0 m³ every day and economize 15600 L gas every year what it represents $ 4890.50 MN, with this biogas technology it´s beneficial because of the treatment residue plan in this institution. It will lower envionmental pollution due to dropping liquid residues with an inadequate treatment into the Zaza River deep ralley. It is produced biogas in about 16425 m³ every year for diferent uses in the institution.

Key word: Biogas, residuals, biodigest, biodegradable.

Introducción

El biogás se puede generar tanto de forma natural- y en este sentido el gas natural no es más que un tipo de biogás surgido por el mismo proceso a partir de residuos orgánicos que quedaron enterrados- o de forma artificial, en dispositivos diseñados para eliminar la contaminación de origen orgánico y producir energía. En teoría, una tecnología adecuada puede aprovechar cualquier residuo orgánico para crear biogás y los usos que pueden dársele son los mismos que cuando se utiliza gas natural porque, en definitiva, no es más que otra forma de biogás.

El proceso de biodigestión se da porque existe un grupo de microorganismos bacterianos anaeróbicos en los excrementos que al actuar en el material orgánico produce una mezcla de gases (con alto contenido de metano) al cual se le llama biogás. El biogás es un excelente combustible y el resultado de este proceso genera ciertos residuos con un alto grado de concentración de nutrientes el cual puede ser utilizado como fertilizante y puede utilizarse fresco, ya que por el tratamiento anaeróbico los malos olores son eliminados (1)

El país tiene un potencial en este renglón de 152 mil toneladas de combustible convencional por año, el cual proviene de unos 78 millones de metros cúbicos al año de vertimientos de desperdicios orgánicos. Estos datos evidencian que el trabajo realizado para desarrollar la producción de biogás ha sido solo incipiente y que se deben tomar medidas encaminadas a lograr instalaciones en los lugares donde se necesite, además de hacerlo de forma eficiente, participativa y sustentable (1)

Biogás-energía: Esta es la relación más común en que aparece referido el concepto de la palabra biogás, ya que por definición expresa la idea de que es un gas de origen biológico, o sea, producto de la actividad de microorganismos vivos. Esta mezcla gaseosa está compuesta fundamentalmente por metano y dióxido de carbono, con predominio del primero, que confiere el carácter de gas combustible, con una importante gama de aplicaciones en la actividad humana. Sin embargo, el hecho de que el biogás sea un gas combustible y que tenga un considerable efecto como portador energético, no significa que automáticamente todo el biogás que se produzca se pueda aprovechar para este fin. (2)

Las Ventajas de la aplicación del biogás están dadas por la diversidad de usos (alumbrado, cocción de alimentos, producción de energía eléctrica, transporte automotor y otros). Produce biofertilizante rico en nitrógeno, fósforo y potasio, capaz de competir con los fertilizantes químicos, que son más caros y dañan el medio ambiente. Elimina los desechos orgánicos, por ejemplo, la excreta animal, contaminante del medio ambiente y fuente de enfermedades para el hombre y los animales.

Mediante la aplicación de las fuentes renovables de energía específicamente el biogás en el Hospital General Provincial se obtendrá un ahorro de gas licuado, disminución de los costos hospitalarios y reducción de la contaminación al medio ambiente.

Desarrollo

El biogás se obtiene al descomponerse la materia orgánica debido a la acción de cuatro tipos de bacterias, en ausencia de oxígeno: las hidrolíticas, que producen ácido acético, compuestos monocarbonados, ácidos grasos orgánicos y otros compuestos policarbonados; las acetogénicas, productoras de hidrógeno; las homoacetogénicas, que pueden convertir una cantidad considerable de compuestos multicarbonados o monocarbonados en ácido acético; y las metanogénicas, productoras del gas metano, principal componente del biogás, con una proporción de 40 a 70 % de metano (CH4), de 30 a 60 % de dióxido de carbono (CO2), de 0 a 1 % de hidrógeno (H2) y de 0 a 3 % de gas sulfhídrico (H2S). (3)

Existen dos clasificaciones generales para las plantas de producción de biogás en cuanto a su capacidad: las instalaciones industriales y las de pequeña capacidad o minidigestores. Los minidigestores pueden operar de diferentes maneras: por lote, semicontinuo y continuo.(4)

Con la posibilidad real de eliminar vectores y amenazas a la salud humana, entre muchos otros beneficios, que solo se obtendrían mediante inversiones dirigidas a cada amenaza en específico, es difícil pensar que no puedan existir plantas de biogás en todos los sitios donde sea posible su utilización. (5)

El potencial de biogás en las condiciones actuales proviene de unos 58 millones de metros cúbicos de vertimientos biodegradables o no que constituyen hoy en día, en su conjunto, una de las principales fuentes de contaminación del país, fundamentalmente concentrados en las fábricas de azúcar, destilerías de alcohol, despulpadoras de café y granjas porcinas (6)

Adicionalmente al beneficio energético la producción de biogás, el tratamiento a los vertimientos tiene un efecto inmediato en la descontaminación y aporta una producción adicional de biofertilizantes ricos en potasio y activo como mejorador de los suelos (7)

En Cuba, los primeros intentos desarrollados se realizaron a inicios de la década de los ochenta del pasado siglo, mediante la instalación de cientos de pequeños digestores de excreta en vaquerías, para posibilitar su alumbrado en aquellos sitios donde no se contaba con fluido eléctrico. En esos mismos años, se construyeron los primeros digestores para comedores obreros, que empleaban cachaza como materia orgánica, con lo cual se demostró la viabilidad de este proceso para las condiciones del país.

El Hospital General Provincial constituye el caso de estudio y es la institución provincial que brinda servicios médicos a la población espirituana un promedio de 28000 pacientes mensuales, cuenta con 692 camas y laboran en la mismas 3200 trabajadores y 157 estudiantes, además es alto consumidor de portadores energéticos incluido el agua y desecha diariamente 760 metros cúbicos de residuales líquidos a la planta de tratamiento de residuales existiendo potencialidades para el uso de estos en la producción de biogás con el cual se eliminaría el consumo de gas licuado de dicha institución proveniente de la refinería y se emplearía luego del análisis y dictamen del Centro Provincial de Higiene y Epidemiología el biogás para la cocción de alimentos y en estudios y análisis complementarios que se realizan en laboratorios y anatomía patológica, incinerador entre otras actividades.

Metodología empleada para el cálculo

Para el desarrollo de este trabajo se realizaron los siguientes pasos: según bibliografía (8)

• 1. Determinación del volumen de excretas humanas a emplear.

• 2. Determinación del volumen de biogás producido.

• 3. Determinación del tiempo de retención de la biomasa: Tiempo necesario para la descomposición de sus elementos principales y permite calcular el volumen de trabajo del biodigestor bajo la acción de las bacterias mesofílicas, se estima que un reactor normal a 30 grados Celsius el tiempo requerido para biodegradar la materia prima alimentada es de 20 días.

• 4. Determinación del agua necesaria para el proceso: según bibliografía la relación para el caso que nos ocupa es de 1: 2 y 2:3

• 5. Cálculo de la biomasa disponible.

• 6. Cálculo del volumen diario de biomasa.

• 7. Determinación del volumen de digestión de la biomasa.

• 8. Determinación del volumen de almacenamiento del gas: Capacidad requerida en el biodigestor para la acumulación de la biomasa

• 9. Determinación del volumen del biodigestor.

Breve descripción del proceso y variantes propuestas para el Hospital

El trabajo está encaminado para a partir del aprovechamiento de los residuales líquidos producir biogás y utilizarlo en algunas de estas áreas de trabajo que lo emplean, para ello se accionara sobre el proceso de tratamiento de residuales el cual debe procesar diariamente entre 730 y 760 m³ de residuales en una planta única de su tipo en el país compuesta por:

• 2 tanques sépticos depósitos donde ocurre la retención, sedimentación y digestión de los lodos conservándose el agua residual en reposo de 1 a 3 días.

• 2 sifones dosificadores los cuales realizan la función de sifa invertida y al llegar el líquido al nivel impulsa el contenido del registro hacia la siguiente etapa en los filtros biológicos.

• 2 filtros biológicos cuya función es que a la salida del líquido a presión en forma de spray por los orificios de las tuberías que vienen del sifón caen al lecho de material orgánico, carbón etc. y son filtrados y recogidos, estos líquidos pasan a la etapa final de salida donde debe ocurrir la cloración.

• Etapa final de cloración: se debe clorar los residuales antes de ser vertidos

• Vertimiento al conducto de salida o cañada.

Esta planta de tratamiento de residuales fue diseñada con dos módulos iguales uno de los cuales se emplearía cuando el otro por cualquier motivo tuviera que salir de reparación o mantenimiento comunicado a través de un bypas.

Este proceso de tratamiento de residuales presenta dificultades ya que muchos de sus componentes no funcionan en estos momentos, específicamente los filtros biológicos y la etapa final de cloración por tanto el vertimiento no se realiza con el tratamiento adecuado con las consiguientes afectaciones de contaminación al medio ambiente.

Anexo diagrama del proceso de tratamiento de residuales con las modificaciones y la ubicación preliminar del biodigestor.

Descripción del proceso con las modificaciones propuestas en el estudio de factibilidad al tratamiento de residuales y la introducción del sistema de biogás:

Se estudiaron dos variantes que permitirán realizar el saneamiento del Hospital Provincial Clínico Quirúrgico Docente Camilo Cienfuegos, mediante tratamiento físico, biológico y químico, en la primera variante se utiliza gran parte del sistema existente, compuesto por 2 tanques sépticos, 4 sifones dosificadores, 4 filtros biológicos, una caseta de cloración, registros y colectores que se encuentran en muy mal estado, además incluye una cámara de rejas, un sedimentador secundario y un lecho de secado, la segunda variante también utiliza parte del sistema ya existente como un tanque séptico, los 4 filtros biológicos, registros y colectores, se diseña una cámara de rejas, un Reactor biológico, un sedimentador secundario y un lecho de secado.

Se decidió emplear la primera variante que es la de aprovechar el sistema ya instalado en el Hospital Provincial con la introducción de algunas modificaciones.

Gasto Promedio = 4,33 L/s

Gasto Máximo = 13 L./s.

Variante I

El residual es conducido hasta el lugar del tratamiento mediante un colector principal, al llegar a la planta, se propone una cámara de reja la cual es la encargada de retener los sólidos de mayor tamaño, se propone también mantener las dos salidas de la cámara de repartición ya existente e instalarlas directamente a los dos tanques sépticos ya construidos, permitiendo esto eliminar 6 registros así como las dos cámaras que alimentan a los tanques sépticos de este, el residual pasa a los sifones dosificadores y de aquí a los filtros percoladores, ambos ya construidos, luego pasa a dos sedimentador secundario propuestos llegando el efluente a un registro ya existente para la previa desinfección con hipoclorito de sodio (NaOCl), el agua tratada es vertida a una cañada cerca del lugar y los lodos pasan a un lecho de secado también propuesto. (9)

Para poder utilizar los dispositivos ya construidos se hace necesaria la limpieza y mantenimiento de ellos, para así obtener las dimensiones reales y poder calcular la carga hidráulica de los filtros percoladores, comprobando si está dentro del rango establecido. Además es necesario cambiar las tuberías metálicas por tuberías plásticas.

Valoración económica de la propuesta para la primera variante:

• 1. Sedimentador secundario $ 4 535

2. Lecho de secado $ 24 083

El valor total en moneda nacional es de $ 28618

El valor total en moneda libremente convertible es de $ 448.86

PRI=G/I=28618/13141.44=2.2 años

Con este trabajo no se producen daños significativos al medio ambiente, las afectaciones que se presentan son durante la construcción del mismo y serán mitigadas una vez concluida la obra. Se contratará con el CITMA la solicitud de licencia ambiental y en los casos necesarios se realizará el estudio de impacto ambiental. El sistema de tratamiento depura los residuales y los vierte al medio dentro de las normas establecidas. (9)

La introducción del biogás se produce aprovechando las modificaciones propuestas ya que podemos utilizar el sedimentador secundario y el lecho de secados.

La instalación preliminar del biodigestor seria en el área comprendida después del sedimentador.

Resultados

El volumen de agua residuales diario es de 760 m³ representando 760000 litros/día, la institución cuenta con 692 camas (capacidad total), el total de trabajadores 3200, total de estudiantes 157, considerando como promedio volumen de excretas por personas de 0.3 kg./día y una asistencia de 3000 habitantes /día se genera 900 kg./excreta día o sea 900 litros /día.

Se propone con estos resultados la siguiente variante para el biodigestor:

• Teniendo en cuenta que el residual es biodegradable y que los productos químicos empleados (hipoclorito de sodio) en su mayoría no inhiben el proceso de biodegradación ya que el mismo elimina las células de los microorganismos al absorber estos el cloro y cuando cae la carga orgánica al sistema ya no lleva el cloro, se propone como componente inicial del sistema de tratamiento utilizar un tanque de sedimentación para acumular mayor cantidad de sólidos.

• Para esta mezcla o residuo pasará al biodigestor, a partir de los cálculos realizados del volumen de residual homogenizado (espesado) que tendrá un V= 2.7 m³/día se propone un biodigestor de 50m³.

• Las tecnologías posibles a emplear: de materiales de construcción GVB, de PVC

• El volumen de biogás posible a obtener es de 45 m³/día = 16425 m³/año.

Otro aspecto en el que puede utilizarse esta propuesta seria para el incinerador en la quema de desechos sólidos, el cual utiliza 50 litros de diesel por cada quema realizada, representando al mes 2500 litros.

Especificaciones y recomendaciones para la propuesta de modificación del sistema de tratamiento de residuales.

• 1. Hacer una evaluación de la calidad de agua residual que entra a la planta.

• 2. Limpiar todas las instalaciones del sistema de tratamiento.

• 3. Para completar el sistema propuesto en la variante se hace necesario prescindir de más área de la que está disponible.

• 4. Hacer un levantamiento topográfico de todo el sistema que incluirá las cotas de invertida, cotas de terreno, diámetro de las tuberías, incluyendo el registro final de la descarga del efluente.

• 5. Insertar una cámara de rejas en caso que no exista a la salida de los residuales del Hospital, que permita la remoción de los sólidos gruesos del agua residual cruda.

• 6. Insertar una trampa de grasa en caso que no esté incluida en la cocina.

• 7. Deben cuidarse durante la ejecución la observación de las normas y regulaciones sobre protección e higiene del trabajo vigente a fin de evitar accidentes de trabajo.

• 8. Queda terminantemente prohibido la incorporación del drenaje pluvial al sistema de tratamiento de residuales.

• 9. En la etapa de ejecución se debe contactar con el proyectista para participar en soluciones técnicas a pie de obra en caso que sea necesario.

• 10. Se debe garantizar el suministro de hipoclorito de sodio para lograr la desinfección.

• 11. Los respiraderos del filtro biológico deben estar limpios de basuras.

• 12. El sistema debe estar completamente cercado.

Conclusiones

1. Se determinaron los residuales disponibles dando como resultado 900 kg. excreta/día.

• 2. Se determinó el volumen de producción de biogás siendo de 45.0 m³/ día para lo cual se propuso un biodigestor de 50 m³.

• 3. Se propone un sistema con 1 sedimentador secundario para acumular mayor cantidad de sólidos, una cámara de rejas, un lecho de secado y un biodigestor de 50.0 m³.

• 4. Se logra disminuir uno de los problemas principales de contaminación del medio ambiente por vertimiento de residuales líquidos a la cuenca del río Zaza.

• 5. Se puede montar un sistema con las características y requerimientos antes expuestos que garantice de forma sistemática el abasto de gas para los fines deseados y además produce beneficios técnico económicos como:

• Un ahorro de 15600 litros de gas anuales lo que representa $ 13141.44

• Introducción de la tecnología del biogás para aprovechar los residuales de la planta de tratamiento de la institución.

• Se producen 16425 m3 al año de biogás, equivalente a: 10.3 ton/año TEP.

• 6. Se proponen modificaciones a la planta de tratamiento de residuales con el aprovechamiento de la instalación actual con un mínimo de recursos y el valor total en moneda nacional es de $ 28618 y el valor total en moneda libremente convertible es de $ 448.86 que se recupera en los ahorros de la aplicación del biogás.

• 7. El uso de biodigestores para el tratamiento anaerobio de los residuales resulta una vía eficaz para disminuir la contaminación ambiental y aprovechar el biogás obtenido como combustible, lo que contribuye al uso racional de los portadores energéticos en la institución.

Recomendaciones

• 1. Profundizar en el análisis de esta variante para su inclusión en el proyecto de reparación capital del sistema de tratamiento de residuales de la institución propuesto para el año 2010

• 2. Proponer la continuidad de este trabajo para lograr la aplicación de la propuesta del sistema de biogás en el Hospital General Provincial.

• 3. Proponer a los especialistas del Centro provincial de Higiene y Epidemiología la valoración de la posibilidad de aplicación de este gas generado en actividades de cocina en la institución.

Bibliografía

• 1. Fonte Hernández A. (2005) "Confluencias de cuatro términos y aplicaciones del biogás en el municipio camagüeyano de Minas." Centro Meteorológico de Camagüey. Miembro.

• 2. Biogás. Produce energía ecológica y elimina residuos orgánicos http://www.consumer.es/web/es/medio_ambiente/energia_y_ciencia/2005/03/23/67028.php

• 3. Corporación Iberoamericana CYTED (ciencia y tecnología para el desarrollo.) (2006)."La integración de procesos en la producción de biocombustibles en condiciones energéticamente sustentables y ambientalmente compatibles."

• 4. Hermida García O., Lisbet López González "Diseño y evaluación de un biodigestor para obtener gas metano y biofertilizante a partir de la fermentación de cachaza y residuos agropecuarios." Centro Universitario Sancti Spíritus.

• 5. Guardado Chacón, J.A.; Jorge Luis Cartada Ferrera (2008) "Las plantas de biogás y los huracanes." Revista Energía y tú. Cuba solar ISSN 1028-9955 p.15

• 6. Berríz Pérez, Luis. (2008) "Un fanático de la energía solar: Una anécdota del desarrollo energético sostenible." Revista Energía y Tú. Cuba Solar No. 46 p.41

• 7. Torres Martínez J. (2008): "Energética sustentable: tercera transición, necesidad, oportunidad y vectores de un nuevo sistema energético mundial." Revista Energía y Tu CUBASOLAR No. 41 p.22-23

• 8. Savran, V. (2005) Una solución energético – ambiental para reducción de contaminantes agropecuarios, como contribución al manejo integrado de la cuenca Zaza. Tesis presentada en opción al titulo académico de Master en Gestión Ambiental y Protección de los Recursos Naturales. Universidad Camilo Cienfuegos. Matanzas.

• 9. Cuellar Yamilka. (2000) "Estudio de factibilidad de inversiones para la remodelación del sistema de tratamiento de residuales del Hospital General Provincial." Departamento de proyectos Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos Sancti Spíritus.

Anexo

DIAGRAMA No.2 PLANTA DE TRATAMIENTO DE RESIDUALES DEL HOSPITAL GENERAL PROVINCIAL CON LA INTRODUCCION DEL BIODIGESTOR

Autor:

Ing. Maria Caridad Gray Cazañas

(Maestrante Hospital General Provincial)

Ing. Jesús González Pérez

(Maestrante Empresa Avícola Provincial)

MSc Valia Savran.

(Dirección de Planificación Física Provincial.)

Colaborador:

Ing. Tomás Martínez Baracaldo

(Energético Hospital General Provincial)

Auspicia: Hospital General Provincial "Camilo Cienfuegos."Año 2010.