4.4 Large-Scale Experiments
4.4.1 Curiosity-driven learning without extrinsic rewards
Los resultados del análisis estadístico para la generación de biogás y gas metano CH4 empleando lodos activados y carbonato de calcio CaCO3 se observan en los diagramas de Pareto (figuras 9 y 10) y el análisis de varianza (tablas 7 y 8 ), respectivamente.
Figura 9: Diagrama de Pareto para la generación de biogás
Como se observa en las figuras 9 y 10, todos los factores considerados en el presente estudio no influyen significativamente en la generación de biogás y gas metano, al emplear lodos activados y carbonato de calcio. Estos resultados se consideran un aporte de la investigación y permiten describir el proceso de generación de biogás, ya que se efectúo corridas experimentales con mayor número de muestras.
El rendimiento de la producción de biogas y gas metano en los pruebas AB se obtuvo alrededor de 0.75 l biogas/kg, esto representa casi dos veces el rendimiento de producción con respecto al tratamiento B.(Fig. 9)
El rendimiento de la producción de biogas y gas metano, en los pruebas AB se obtuvo alrededor de 0.55 l CH4/ kg, esto representa casi dos veces el rendimiento de producción con respecto al tratamiento B.(Fig. 10)
Tabla 7: Análisis de varianza para biogás Fuente Suma de Cuadrados G l Cuadrado Medio Razón- F Valor- P A:Lodos activados 0,3025 1 0,3025 B:Carbonato de calcio 0,0625 1 0,0625 AB 0,5625 1 0,5625 Error total 0,0 0 Total (corr.) 0,9275 3
Fuente: (Elaboración propia)
Tabla 8: Análisis de varianza para gas metano Fuente Suma de Cuadrados G l Cuadrado Medio Razón- F Valor -P A:Lodos activados 0,1225 1 0,1225 B:Carbonato de calcio 0,0625 1 0,0625 AB 0,3025 1 0,3025 Error total 0,0 0 Total (corr.) 0,4875 3
Los resultados indican que prácticamente con la adición del carbonato de calcio no se generan gas metano CH4(l) al generar biogás. Asimismo con cualquiera de las cuatro pruebas esto puede ser muy favorable pues, es carbonato de calcio es un componente que aporta la estabilidad del potencial de hidrogeniones que posee dicha fuente de sustrato.
Figura 11: Grafico de interacciones para los factores, lodo activado y carbonato de calcio en la producción de biogás
Fuente: (Elaboración Propia)
Figura 12: Grafico de interacciones para los factores, lodo activado y carbonato de calcio en la producción de gas metano, CH4
Fuente: (Elaboración Propia)
En base a los resultados obtenidos en el se determinó que al llevar a cabo un proceso de biodigestión anaerobia a una relación de LA de 1.0 y CaCO3 de 0.025 no se presenta una inhibición de la metanogénesis,
Los ANOVA realizados para los datos obtenidos de las 2 variables de respuesta evaluadas para la generación de biogás y gas metano CH4 indicaron que la variable de respuesta que mostró baja variabilidad fue la velocidad de producción de gas metano CH4, ya que los cuadrados medios tabulados en el ANOVA son cercanos a cero (Tabla 7 y 8). Esto se debió a la poca variación en los resultados de los ensayos. No se presentó factores significativos y la concentración de enzima (aunque en el límite de la no significación p=50). El modelo de superficie de respuesta que se generó explicó el 2.02% de la variabilidad de los datos.
Figura 13: Modelo de Superficie de Respuesta de la Concentración de Biogás (l) al Variar la Cantidad de Lodos Activados (kg) y Concentración de Carbonato de Calcio
(mg kg), a una Temperatura Mesofilica. Fuente: (Elaboración propia)
Figura 14: Modelo de Superficie de Respuesta de la Concentración de Gas Metano, CH4
(l) al Variar la Cantidad de Lodos Activados (kg) y Concentración de Carbonato de Calcio (mg kg), a una Temperatura Mesofilica
De acuerdo con el diagrama de Pareto (Fig. 9), la adición de los lodos activados más el carbonato de calcio, CaCO3 fueron los factores que no tienen un efecto significativo sobre la variable de respuesta (p< 0.05). En tanto con la adición de los lodos activados más el carbonato de calcio, CaCO3 no tuvo un efecto importante (p=0.25). Las interacciones entre los factores resultaron ser no significativas. Así mismo según estadística el trayecto de máximo ascenso (o descenso) desde el centro de la región experimental actual, a través del cual la respuesta estimada cambia más rápidamente con un cambio menor en los factores experimentales. Indica buenas características para ejecutar experimentos adicionales si el objetivo es incrementar o decrementar biogas y gas metano (CH4). Actualmente, 7 puntos se han generado cambiando Lodos activados en incrementos de 1,0 kg. Puede especificarse la cantidad de cambio en cualquiera de los factores. El software científico también calcula la estimación en cada uno de los puntos del trayecto, con los cuales pueden compararse los resultados si es que se corren esos ensayos.
Tabla 9: Camino de máximo ascenso para la generación de biogás Predicción para Lodos activados Carbonato de calcio Biogás (kg) (kg) (l) 1,0 0,0162 0,753 2,0 0,0375 1,675 3,0 0,0585936 -0,351553 4,0 0,0830944 -5,35227 5,0 0,107907 -13,3524 6,0 0,13281 -24,3524 7,0 0,15775 -38,3524
Fuente: Elaboración propia
El promedio, estimando para la generación de biogás es 0.753 litros de biogás por kilogramos de lodos activados más 0,0162 kilogramos de CaCO3
El promedio, estimando para la generación de biogás es 1,675 litros de biogás por 2 kilogramos de lodos activados más 0,0375 kilogramos de CaCO3
Tabla 10: Camino de máximo ascenso para la generación de gas metano CH4 Predicción para Lodos activados Carbonato de
calcio Gas metano (kg) (kg) (l) 1,0 0,0162 0.551 2,0 0,0375 1,075 3,0 0,060715 -0,52861 4,0 0,0854965 -4,32866 5,0 0,110413 -10,3287 6,0 0,135369 -18,5287 7,0 0,160342 -28,9286
Fuente: Elaboración propia
El promedio, estimando para la generación de biogás es 0.551 litros de gas metano (CH4) por kilogramos de lodos activados más 0,060 kilogramos de CaCO3
El promedio, estimando para la generación de biogás es 1,075 litros de gas metano (CH4) por 2 kilogramos de lodos activados más 0,0375 kilogramos de CaCO3
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
De los lodos activados del tanque Imhoff de la planta de tratamiento de aguas residuales de la provincia de Lampa – Puno, se tiene que las características de los parámetros fisicoquímicas, el pH promedio varia de 4.89 a 5.03 valor que no se encuentra dentro de los datos reportados por Hernandez (2002), donde cita que el pH varía en un rango de 7.7 a 7.9. Así mismo la contrastación al funcionamiento del proceso de digestión mesofílica (35+,-5ºC) y el carbonato de calcio (CaCO3), se determinó que el carbonato de calcio (CaCO3) estabiliza el potencial de hidrogeniones (pH) entre 5.15 a 7.31, de los lodos activados del tanque Imhoff de la planta de tratamiento de aguas residuales de la provincia de Lampa – Puno, a diferencia de otros estimuladores de generación de gas metano (CH4) como excretas de vacuno según FAO.
A partir de los lodos activados del tanque Imhoff de la planta de tratamiento de aguas residuales de la provincia de Lampa – Puno, el proceso de la biodigestion anaeróbica con carbonato de calcio CaCO3 produce menos volumen de biogás, así como gas metano que la biodigestion anaeróbica normal según otras investigación, estableciéndose una similitud en el día 28 y 30 en que el pH no rompe su estabilidad y descenso la producción del biogás. El volumen de biogás obtenido con una concentración de carbonato de calcio (CaCO3) de 0.0162 es de 0.753 litros por kilogramos de lodos activado, es muy bajo de acuerdo a parámetros establecidos para lodos activado según el manual de biogás por Vernero, 2011 que tienen un índice de 0,37 m3 CH4/ kg SV (WWF, 2003) y en la investigación realizada por Pablo Arévalo Moscoso & Paulina Lituma Vintimilla (2010) con el proyecto de investigación titulada: Digestión de lodos residuales de las lagunas de oxidación de Ucubamba, Cuenca,( Arevalo & Lituma, 2010) obtienen en el proceso termófilo 0,15 m3 CH4 / kg SV y mientras que en el proceso mesofílico obtienen de 0,04 m3 CH4 / kg SV muy por debajo de nuestro valor, ya que en el proyecto de investigación obtenemos una valor aproximado de gas metano (CH4) de 0.55 litros de gas metano por kilogramo de lodos activado, lo mismo que decir 0.0055 m3 de gas metano (CH4).Asimismo Sotomayor, (2014), en su investigación logra adquirir biogás y
fertilizante con lodos residuales y cascarilla de molida de nuez de palmiste, con la adición de la mezcla de promotores de fermentación MP1 (10% p/v carbonato de calcio, CaCO3 y 20 g/L solución de urea), con un tiempo de retención de 25 días y a temperatura constante de 35°C. En estas condiciones se obtuvieron 76 ml de biogás por 100 g de materia orgánica, con un contenido de metano del 59,523%, lo mismo que 0.076 l de biogás y 0.044 l de gas metano por 0.1kg de lodos residual, mientras que en la investigación realizada se obtuvieron 0753 l y 0.55 l de gas metano por 1 kg de lodo residual comparando así que la investigación de Sotomayor, (2014), alcanzo mejor resultado por el carbonato de calcio CaCO3 del 100% de la relación en porcentaje entre el peso del soluto y el volumen de la solución (P/V).
CONCLUSIONES
La generación de gas de metano para uso energético a partir de los lodos activados de la planta de tratamiento de aguas residuales de la Provincia de Lampa - Puno es una elección posible para el
aprovechamiento de estos restos orgánicos que hasta el momento no tienen ningún valor comercial.
Al analizar los parámetros se determinó las características fisicoquímicas de los lodos activados como el potencial de hidrogeno, pH, la conductividad eléctrica, CE y la temperatura. La actividad del sistema para el monitoreo desarrollado cumplió con lo requerido, se logró medir las características aplicadas de temperatura, pH, conductividad eléctrica al proceso, al controlar los actuadores se realizaron las pruebas necesarias como temperatura igual a 37 ºC, potencial de hidrogeniones se mantuvo entre 5.15 – 7.31 (ligeramente alcalino) y la conductividad eléctrica que fue de 3410 a 1520 uS/cm, aptos para el desarrollo de la biodigestion anaeróbica.
La aplicación o adición del carbonato de calcio (CaCO3) es poco recomendable ya que el puro de CaCO3 es de costes elevados. No obstante el carbonato de calcio sirve para la estabilización de las características fisicoquímicas como potencial de hidrogeniones, pH, ya que la generación del gas metano, CH4, (metanogenesis) se desarrollan en pH cercanas al neutro (7) o ligeramente alcalinos, al igual que la temperatura que también sirve como estabilizador.
Aplicando el programa estadístico en la pruebas 1, A, B, AB se logra determinar la buena calidad de gas metano, CH4, por la cantidad porcentual de 62.5 % que este se encuentra en el biogás. Así mismo un promedio de 0.55 litros de gas metano CH4 por kilogramo de lodo activado, lo que indica una buena calidad de gas metano por ser superior al 50% del total de los gases generados, según al manual de biogás, FAO
RECOMENDACIÓNES
Para un mejor funcionamiento del biodigestor, es importante un control diario de los parámetros fisicoquímicos, como el pH para evitar que la mezcla sea muy ácida, menor que 7 ó muy básica, mayor a 7 y de ésta manera conseguir una mayor producción de gas metano
. Es importante controlar de una manera eficiente la temperatura del sustrato una vez cargado el biodigestor, ya que si hay demasiadas fluctuaciones bruscas de temperatura, las bacterias productoras de metano pueden dejar de crecer e incluso morir, lo que podría derivar en pérdidas económicas si se desea originar gas metano, CH4 a gran escala en el ámbito de la planta de tratamiento de aguas residuales.
Se hace necesario, en lo posible, realizar la automatización del sistema de monitoreo del equipo, y de éste modo obtener datos más indispensables, en lo referente a la producción de biogás y gas metano utilizando distintos tipos de biomasa.
Aunque los programas de investigación y desarrollo de las energías alternativas ya tienen un buen tiempo en ejecución alrededor del mundo, es necesario que el país desarrolle sus propias investigaciones ya que se cuenta con muy escasos datos reales en cuanto a la producción de biogás con equipos de laboratorio.
Se hace necesario el diseño de un software y el desarrollo de una mayor cantidad de ensayos con distintos tipos de biomasa, con el propósito de utilizar los resultados del proceso de monitoreo como base de datos para ingresar en el software, y así poder examinar cómo afecta la variación de los valores de los parámetros de trabajo en la generación de biogás.
Para identificar la calidad de gas metano de los lodos activado (LA) del tanque Imhoff de la planta de tratamiento de aguas residuales de la provincia de Lampa – Puno, se recomienda hacer pruebas de rendimiento energético, como en motores, llamas de combustión o un análisis considerando el poder calorífico del gas metano, CH4,.luego determinar si serán adecuados para el ahorro energético que demanda la Planta de tratamiento de aguas residuales de la provincia de Lampa – Puno.
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ANEXOS
1.0 MACRO LOCALIZACIÓN DE LA ÁREA DE INVESTIGACIÓN
MAPA POLÍTICO DE PERU REGIÓN PUNO UBICACIÓN LAMPA
1.1LOCALIZACION DEL TANQUE IMHOFF DE LA PLANTA DETRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE LA PROVINCIA DE LAMPA - PUNO
Foto N° 01. Imagen satelital de la planta de tratamiento de aguas residuales de la provincia de Lampa –Puno (Ámbito de estudio)
Foto Nº 02. Tanque Imhoff de la planta de tratamiento de aguas residuales de la provincia de Lampa – Puno
La Ptar de la provincia de Lampa cuenta con el Tanque Imhoff, con el mismo diseño
y estructura de la cual se detalla en la siguiente fotografía.
Afluente
. Efluente de lodos activados
PTAR – Tanque Imhoff
Válvula de control H=4m
2.0 EXTRACCION DE LOS LODOS ACTIVADOS DEL TANQUE IMHOFF DE LA PTAR DE LAMPA – PUNO
Fotografía Nº 4.1 Extracción de lodos activados
Fotografía Nº 4.2. Galón de capacidad de 12 L para el llenado de la muestra (Lodo activado).Llenado del sustrato (Lodo activado), se extrajo 10kg .
3.0 FOTOS DE EXPERIENCIA
Diseño de los biodigestores, Manómetro para determinar la producción de biogás, Agitación manuales,Salida de biogás y extracción de muestras
Cajón de madera, recubierto con tecnopor y aluminio, Dimensiones: Largo =50cm, Base = 50cm, Ancho = 50cm.
Carbonato de calcio (CaCO3)
Fotografía 2: Diseño de los biodigestores
Fotografía 3:.Diseño para el control de la temperatura
Mescla de lodo activado y carbonato de calcio (CaCo3).
Agregado de la mescla al biodigestor, (B) Inicio de la prueba experimental
Salida del Biogás
Inicio de la prueba de combustión en
Midiendo la cantidad de Biogás, Liquido desplazado por el biogás, Cantidad de las cuatro pruebas experimentales.
Nota: La cantidad de Biogás acumulado en las cuatro botellas de plástico es directamente proporcional a la cantidad de líquido que sale de las botellas por la aguja hipodermica.
Fotografía 5: Inicio de la prueba (1), (A), (B), (AB).
Fotografía 6: Prueba del diseño experimental de (1), (A), (B), (AB).
T = 37ºC (±5)
4.0 INSTRUMENTOS DE LABORATORIO UTILIZADOS
Fotografía 9: Multiparametro Fotografía 8: Termómetro (0 - 100ºC)
Fotografía 10: Medidor de gas metano (CH4) – marca MULTITEC 545
5.1: INSTRUMENTOS DE EVALUACIÓN EN EL PROCESO DE LA PRUEBA EXPERIMENTAL
(Fuente: Elaboración propia) Lugar:
Investigador:
SI NO
Lugar de prueba limpio, desinfectado y sin
corrientes de aire.
Tiene todos los materiales dispuestos para
realizar la prueba de biodigestion anaerobica
Temperatura (ºC) 37 ºC±5 ºC
Potencial de hidrogeniones 6.4 - 7.5
Conductividad electrica 3410 - 15020
El área de biodigestion está independiente al área de la medicion de Biogas por el metodo de la botella de Mariotte
Temperatura del proceso de biodigestion entre
29ºC a 37ºC
Una temperatura óptima para la Biodigestion anaerobica puede ser de 25C, de igual forma el obsevador debe suministrar esta información Recipiente de PVC para la biodigestion, tiene
tapa que ajusta perfectamente, no presenta fugas en la base del recipiente.
Cantidad (UND) 4
Este checklist es ajustable de acuerdo a las
especificaciones mínimas requeridas para que funcione correctamente el método de biodigestion escogido, diseño, etc.
La biodigestion anaerobica del sustrato se da en las condiciones y tiempos requeridos.
28 dias
La medicion del sustrato se realizo con el medidor de gases con configuraracion de gas metano (CH4), marca