dimensionamiento diseno y construccion planta biogas

7/26/2019 Dimensionamiento Diseno y Construccion Planta Biogas

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DIMENSIONAMIENTO, DISEOY CONSTRUCCIN DE BIODIGESTORES YPLANTAS DE BIOGS

M NU L PRCTICO

DE DISEO


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PROLOGO

Hace ms de 100 aos, la biomasa de origen animal o vegetal era la fuente de energa ms

importante para la humanidad y en ella se basaba la produccin industrial. Con el uso masivo

de combustibles fsiles el aprovechamiento energtico de la biomasa fue disminuyendo

progresivamente y en la actualidad presenta en el mundo un reparto muy desigual como fuente

de energa. Mientras que en los pases desarrollados ubicados en Amrica del Norte y enEuropa, la energa renovable y el aprovechamiento de los desechos agropecuarios esta en

boga, en muchos pases en vas de desarrollo esta fuente de energa provoca, en muchos

casos, problemas medioambientales como la contaminacin y deforestacin.

Una de las maneras de contrarrestar el calentamiento global y trasformar este residuo

contaminante en un recurso valioso, es su aprovechamiento controlado en biodigestores para la

produccin y captacin de biogs, su aprovechamiento energtico y la produccin de

fertilizante orgnico. El aprovechamiento de la biomasa es de importancia para sustituir las

tradicionales fuentes energticas no renovables, escasas y costosas, convirtiendo la explotacin

agropecuaria en una actividad econmica ms rentable y menos contaminante.

En este libro se tratan todos los fundamentos tcnicos de la digestin anaerbica, elaprovechamiento de desechos agroindustriales, tambin considerando los desechos que seproducen en Latino Amrica, como las vinazas, efluentes de extractoras de aceite de palmaafricana, gallinaza, estircol de cerdo y ganado, forrajes, etc.

Se exponen ampliamente las bases del dimensionamiento de biodigestores y plantas de biogsy se presentan los criterios de diseo, esquemas, diagramas y ejemplos reales para el diseode biodigestores y sus estructuras auxiliares como tanques de mezcla y entrada, sistemas debombeo, tuberas de captacin de biogs, sistemas de purificacin de H2S, vlvulas deseguridad, sistemas de generacin de energa elctrica y calor, anlisis financiero, rentabilidad,etc.

Este libro se basa en mas de 20 aos de experiencia en el dimensionamiento y diseo de

plantas de biogs para la produccin de energa elctrica y calorfica y fertilizante orgnico. Seha escrito mayormente para el diseo de digestores semi industriales e industriales, pero debidoa la amplitud y detalles de los conceptos tcnicos expuestos, se lo puede utilizar tambin para eldimensionamiento de digestores domsticos.

El libro trata tambin la construccin de biodigestores utilizando materiales de construccin muy

utilizados en Latino Amrica, como geomembrana, hormign, ladrillo, etc.


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Capitulo 1 APROVECHAMIENTO DE LA BIOMASA

Capitulo 2 LA DIGESTIN ANAERBICA

Capitulo 3 BIOMASA Y PRODUCCION DE BIOGS

Capitulo 4 CLASIFICACIN DE LOS BIODIGESTORES

Capitulo 5 ACONDICIONAMIENTO Y APROVECHAMIENTO DEL BIOGS

Capitulo 6 DIMENSIONAMIENTO DE BIODIGESTORES

Capitulo 7 DISEO DE BIODIGESTORES Y ESTRUCTURAS AUXILIARES

Capitulo 8 OPERACIN Y MANTENIMIENTO DE BIODIGESTORES

Capitulo 9 APROVECHAMIENTO DE BIOABONO

Capitulo 10 ANALISIS FINANCIERO Y RENTABILIDAD

Capitulo 11 BIO DIGESTORES Y EL PROTOCOLO DE KYOTO

Capitulo 12 APLICACIN DEL SOFTWARE BIODIGESTOR

CONTENIDO


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3Dimensionamiento y diseo de biodigestores y plantas debiogs Dipl. Ing. Gabriel Moncayo Romero

EDICIN:Aqualimpia Beratende IngenieureAUTOR:Dipl. Ing. Sanitario Ambiental Ing. Civil Gabriel Moncayo RomeroDISEO GRFICO:Ing. Gunther ZimmermanILUSTRACIONES: GeoCad - Diseo grficoISBN:978-9942-01-719-2

INDICE

Version 1: 06/2008


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INDICE

CAPITULO 1: APROVECHAMIENTO DE LA BIOMASA1.1 Histor ia de la aplicacin del biogs................................................. 391.2 Los biodigestores en el siglo 21 ...................................................... 421.3 Benefic ios que aportan los biodigestores ...................................... 45

CAPITULO 2: LA DIGESTIN ANAERBICA

2.1 Caracter isticas del proceso.............................................................. 532.2 Principales factores que influencian la produccin del ............... 61

biogs ................................................................................................ 612.2.1 Ausencia de oxigeno ....................................................................... 622.2.2 Tipo y calidad de biomasa .............................................................. 632.2.3 Almacenamiento ............................................................................... 672.2.4 Preparacin de la biomasa .............................................................. 672.2.5 Clasificacin, eliminacin de materia extraa ............................... 682.2.6 Higienizacin ..................................................................................... 682.2.7 Troceado, tr il lado de la biomasa ..................................................... 692.2.8 Mezcla y homogenizacin ............................................................... 702.2.9 Al imentacin del digestor ................................................................ 712.2.10 Masa seca (MS) ................................................................................ 712.2.11 Masa volt il (MV).............................................................................. 73

2.2.12 Carga orgnica volumtr ica (COV) ................................................ 742.2.13 Temperatura del proceso ................................................................ 762.2.14 Tiempos de retencin hidrulica (TRH) ......................................... 832.2.15 Acidez ............................................................................................... 882.2.16 Alcalinidad ........................................................................................ 90


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2.2.17 Porcentaje de de degradacin ........................................................ 912.2.18 Nutr ientes ......................................................................................... 932.2.19 Agitacin - mezclado ....................................................................... 932.3 Factores que inhiben la produccin de biogs ............................. 952.3.1 Nitrgeno amoniacal ........................................................................ 98

2.3.2 cidos grasos volti les .................................................................. 1012.3.3 cidos grasos de cadena larga ..................................................... 1022.3.4 Compuestos azufrados en los sis temas anaerobios .................. 1022.3.5 Cationes y metales pesados .......................................................... 1042.3.6 Desinfectantes y antibit icos ........................................................ 1072.3.7 Sulfatos ............................................................................................ 110

CAPITULO 3: BIOMASA Y PRODUCCIN DE BIOGS

3.1 Desechos agropecuarios ................................................................ 130

3.1.1 Estirco l de cerdo ........................................................................... 1413.1.2 Estirco l de ganado ........................................................................ 1543.1.3 Gallinaza o poll inaza ....................................................................... 1603.2 Desechos agroindustriales............................................................. 1703.2.1 Desechos de agroindustr ia de proceso de hor talizas ................. 1733.2.2 Desechos de procesadoras de lcteos ......................................... 1753.2.3 Desechos de industria aceitera y grasas, proceso de................. 181

semi llas............................................................................................ 1813.2.4 Desechos de benefic ios de caf .................................................... 1823.2.5 Desechos de industria pesquera ................................................... 1823.2.6 Aprovechamiento de efluentes y desechos producidos en ........ 183

procesadoras de carnes y mataderos ........................................... 183

3.2.7 Aprovechamiento de vinazas en biodigestores............................ 1923.2.8 Aprovechamiento de efluentes producidos en extractoras......... 202

de aceite de palma africana ............................................................ 2023.2.9 Aprovechamiento de desechos de ingenios azucareros ............ 2043.2.10 Desechos de procesadoras de pollos ........................................... 206


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3.2.11 Desechos de procesadoras de frutas........................................... 2063.3 Cult ivos energticos ....................................................................... 2093.3.1 Maz y forrajes .................................................................................. 2133.3.2 Topinambur ...................................................................................... 2163.3.3 Pasto sudan ..................................................................................... 218

3.3.4 Planta piloto para cul tivos energticos......................................... 2203.4 Importancia de la co-digestin ....................................................... 2233.4.1 Produccin de biogs y co-digestin ............................................ 2323.5 Caracterst icas que definen a la biomasa .................................... 2353.5.1 Contenido de masa seca (MS)........................................................ 2353.5.2 Contenido de masa volti l (MV) ..................................................... 2363.5.3 Demanda qumica de oxigeno DQO............................................... 2373.5.4 Demanda bioqumica de oxigeno DBO5 ........................................ 2373.5.5 Relacin carbono nitrgeno (C:N) .............................................. 2383.5.6 Biodegradabil idad de desechos orgnicos .................................. 2413.6 Produccin de biogs ..................................................................... 2423.6.1 Clcu lo de la produccin de biogs en base a la......................... 250

concentracin de DQO.................................................................... 2503.6.2 Ejemplo de clculo de la produccin de biogs para el .............. 254aprovechamiento de aguas residuales en un biodigestor .......... 254

3.7 Calidad del biogs ........................................................................... 2643.8 Produccin de lodos ....................................................................... 264

CAPITULO 4: CLASICICACIN DE LOS BIODIGESTORES

4.1 Digestores carga en batch.............................................................. 2684.2 Digestores de regimen semicontinuo ........................................... 269

4.3 De regimen continuo ....................................................................... 2694.4 Completamente mezclados ............................................................ 2714.5 Digestores de dos etapas ............................................................... 2724.6 Digestin seca ................................................................................. 274


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CAPITULO 5: ACONDICIONAMIENTO Y APROVECHAMIENTO DEBIOGS

5.1 Caractersticas del biogs .............................................................. 2765.2 Propiedades de los gases .............................................................. 2815.3 Acondicionamiento del biogs ...................................................... 2855.4 Puri ficacin de biogs .................................................................... 2865.4.1 Agresividad del H2S......................................................................... 2885.4.2 Reduccin de CO2 ........................................................................... 2915.4.3 Problemas que causa el alto contenido de H2S............................ 2925.5 Sistemas de purif icacin H2S......................................................... 2965.5.1 Seleccin del proceso ms adecuado........................................... 2975.5.2 Purificacin biolg ica del biogs remocin de H2S................ 2995.5.3 Filt ros biolgicos ............................................................................. 3085.5.4 Filt ros biolavadores ........................................................................ 318

5.5.5 Filt ros de carbn activado .............................................................. 3215.5.6 Filtro de limallas o esponjas de hierro .......................................... 3295.6 Reducc in de humedad .................................................................. 3385.7 Aprovechamiento energtico del biogs ...................................... 3425.7.1 Generacin de energa elctrica .................................................... 3495.7.2 Produccin de energa elctrica en generadores......................... 3525.7.3 Aprovechamiento de biogs en calderas...................................... 3535.8 Recuperacin de calor de los generadores ................................. 3565.9 Aprovechamiento de biogs en transporte publico..................... 358

CAPITULO 6: DIMENSIONAMIENTO DE BIODIGESTORES

6.1 Tipo y disponibil idad de biomasa.................................................. 3636.2 Caractersticas fsico-qumicas...................................................... 3666.3 Temperatura de la biomasa y del medio ambiente ...................... 367


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6.4 Seleccin del tiempo de retencin hidrulica (TRH).................... 3696.5 Ubicacin geogrfica - Latitud, longitud y altitud ........................ 3756.6 Energa requerida ............................................................................ 3766.7 Carga orgnica volumtr ica (COV)............................................... 3776.8 Dimensionamiento planta de biogs ............................................. 380

6.8.1 Tanques de alimentacin................................................................ 3806.8.2 Sistema de alimentacin................................................................. 3826.8.3 Dimensionamiento del digestor ..................................................... 3826.8.4 Tanques de descarga ...................................................................... 3856.8.5 Lecho de secado de lodos.............................................................. 3866.8.6 Tuberas de captacin de biogs .................................................. 3876.8.7 Sistemas de purificacin de biogs ............................................. 3886.8.8 Tanques de almacenamiento de biogs........................................ 3886.8.9 Generacin de energa elctrica y/o calorfica ............................. 3936.8.10 Dimensionamiento de antorchas ................................................... 3986.9 Preparacin de estudios de factibil idad y diseos ...................... 3996.10 Seleccin de materiales de construcc in ..................................... 400

6.11 Ejemplos de plantas de biogas ...................................................... 402

CAPITULO 7: DISEO DE BIODIGESTORES Y ESTRUCTURASAUXILIARES

7.1 Biodigestores................................................................................... 4227.1.1 Ubicacin de los digestores ........................................................... 4287.1.2 Digestores de hormign ................................................................. 4327.1.2 Digestores de hormign ................................................................. 4337.1.3 Recomendaciones para las construcciones de hormign .......... 439

7.1.4 Digestores de geomebrana HDPE ................................................. 4427.1.5 Digestores de acero ........................................................................ 4697.2 Cubiertas de EPDM ......................................................................... 4707.3 Aislamiento de los digestores........................................................ 4807.4 Calefaccin de los digestores ........................................................ 484


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7.5 Descarte de lodos y bioabono ....................................................... 4897.6 Tanques de alimentacin................................................................ 4947.7 Equipamiento para la alimentacin de biomasa .......................... 4987.8 Sistemas de bombeo....................................................................... 5067.9 Tuberas de captacin y conduccin de biogs........................... 508

7.10 Agitadores ........................................................................................ 5137.10.1 Agitadores vert icales ...................................................................... 5167.10.2 Agi tadores verticales con motor sumergido ............................... 5197.10.3 Agi tadores horizontales.................................................................. 5227.10.4 Agitadores incl inados ..................................................................... 5267.11 Tanque de descarga ........................................................................ 5277.12 Lecho de secado de lodos.............................................................. 5297.13 Tuberas de conduccin ................................................................. 5397.14 Sistema de control del proceso ..................................................... 5437.15 Antorchas para quema del biogs ................................................. 5537.15 Antorchas para quema del biogs ................................................. 5537.16 Sistema corta llamas ....................................................................... 556

7.17 Almacenamiento de biogs ............................................................ 5597.18 Tramo de calibracin de biogs..................................................... 5657.19 Eliminacin de condensados y vlvulas de control de ............... 568

sobre presin................................................................................... 5687.20 Sopladores ....................................................................................... 5717.21 Sistemas de generacin de energa elctrica ............................... 5737.21.1 Aprovechamiento en motores y generadores .............................. 5747.21.2 Eficiencia de motores y unidades de cogeneracin .................... 5777.21.3 Aprovechamiento en motores diesel ............................................ 5807.21.4 Adecuacin de motores de gasol ina para que ............................. 581

funcionen con biogs .................................................................... 5817.21.5 Aprovechamiento en microturbinas .............................................. 582

7.21.6 Sistemas de cogeneracin ............................................................. 5827.21.7 Casa de mquinas ........................................................................... 5847.21.8 Circuito de salida de los gases de escape.................................... 5897.21.9 Sistemas de seguridad para los generadores .............................. 590

7.22 alimentacin a la red pblica de energa elctrica ....................... 591


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7.22.1 Tarifas de conexin y costos de generacin................................ 5917.22.2 La interconexin a la red publica.................................................. 5957.23 Sistemas de seguridad ................................................................... 5967.24 Zonas de seguridad......................................................................... 602

CAPITULO 8: OPERACIN Y MANTENIMIENTO DEBIODIGESTORES

8.1 Puesta en marcha ............................................................................ 6108.2 Operacin ......................................................................................... 6148.3 Mantenimiento ................................................................................. 6178.4 Higiene y salud en la operacin de digestores............................. 6228.5 Reglas de seguridad ....................................................................... 6238.6 Remediacin de problemas ............................................................ 626

CAPITULO 9: APROVECHAMIENTO DE BIOABONO

CAPITULO 10: ANALISIS FINANCIERO Y RENTABILIDAD

10.1 Costos de inversin para la planta de biogs .............................. 64610.2 Depreciacion de las instalaciones ................................................. 64910.3 Costos de Operacin y Mantenimiento (CO&M)........................... 65010.4 Ingresos por la generacion de energia electrica .......................... 65310.5 Ingresos por MDL ............................................................................ 654

10.6 Ingresos por venta de bioabono .................................................... 65610.7 Costos de produccin de energia electrica .................................. 65710.8 Costos Capitales (aKK) ................................................................... 65710.9 Gastos de Produccin (aB) ............................................................ 65810.10 Costos Mano de Obra ..................................................................... 659


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10.11 Costos Biomasa (aKB).................................................................... 66010.12 Analis is costo beneficio ................................................................. 66010.13 Costos de construccin ................................................................. 661

CAPITULO 11: LOS BIODIGESTORES Y EL PROTOCOLO DEKYOTO

11.1 Proyectos MDL ................................................................................ 66611.2 Cmo funciona el MDL? ............................................................... 66911.3 Porque califican los biodigestores como proyectos MDL? ........ 66911.4 Mercado de emisiones .................................................................... 67011.5 Negociacin de los CERs ............................................................... 67211.6 El trmite de los proyectos MDL.................................................... 67211.7 Cmo es el ciclo de un proyecto en el marco de las Medidas

para el (MDL)..................................................................................... 67511.8 Los costos de transaccin de un proyecto MDL.......................... 676

CAPITULO 12: UTILIZACIN DE SOFTWARE: PROGRAMABIODIGESTOR


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LISTADOS DE TABLAS, FOTOS Y FIGURAS


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Listado de tablas

N Descripcin Pgina1 Ventajas de la digestin anaerbica 59

2

Valores mnimos de parmetros fsicos y qumicos necesarios para la digestinanaerbica

623 Anlisis masa seca proyecto en Chile 724 Contenido de agua diferentes sustratos 73

5Temperatura ptima mxima, parmetros cinticos de crecimiento de diferentescultivos metano genticos acetoclsticos (Van Lier 1993) 78

6 Degradacin de la biomasa en relacin de temperatura de procesos de TRH 92

7Rangos de concentracin de nutrientes, necesarios para el correcto crecimientode bacterias anaerobias. 93

8Concentracin mnima de elementos, necesaria para la metanognesis yfactores ambientales. 98

9 Concentracin inhibidora de amonios como N (mgl) 10010 Efecto de la concentracin de algunos cationes (14) 101

11 Concentracin lmite de cationes en sistemas anaerobios 10512 Concentracin de inhibicin y toxicidad de metales pesados 10613 Concentracin inhibidora de metales pesados en procesos anaerbicos 10614 Toxicidad de antibiticos en la produccin de biogs 10815 Produccin de biogs estircoles, cerdo ganado y gallinaza 13116 Resultados de anlisis FQ en estircol de animales 13217 Caractersticas fsico qumicas promedio de estircol de animales 13218 Contenido de metales pesados 13319 Produccin de biogs y nutrientes valores referenciales 13320 Produccin de biogs excrementos de animales 13421 Produccin anual de estircol (Kg./PVA.a) y % de MS-MV y N 135

22 Produccin anual (Kg./.PVA/a) y porcentajes 13623 Estircol y heces por animal y por da y produccin de biogs 13624 Caractersticas fsico qumicas de excrementos animales 137

25Produccin de estircol biogs para diferentes tipo de animal - base peso deanimal 137


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26Produccin de nitrgeno y estircol de varios tipos de animales por plaza deanimal 139

27 Produccin de heces y orinas de cerdos 14028 Composicin tpica de los purines porcinos frescos y digeridos anaerbicamente 14329 Cerdos produccin de excretas segn el estado del animal 143

30 Ejemplo de produccin hmeda total (heces y orina)/da para varios tipos decerdos 14531 Composicin de totales 145

32Rendimientos de purines de cerdo aprovechados en biodigestores, temperaturaen el digestor 35C TRH 20 das 146

33 Contenidos de nutrientes estircol de cerdo 14734 Porcentajes de MS, MV y produccin de biogs de purn de cerdo 148

35Anlisis fsico qumico de afluentes a las lagunas de oxidacin y cargascontaminantes 150

36 Produccin de biogs y energa elctrica 15137 Produccin de estircol y nutrientes ganado vacuno 157

38 Produccin de biogs excrementos de animales 159

39 Porcentajes de MS, MV y produccin de biogs, vacuno 15940 Composicin promedio de la gallinaza 162

41 Relacin C/N gallinaza y % de degradacin 163

42 Gallinaza - Contenido de metales pesados 164

43 Porcentajes de MS, MV y produccin de biogs, gallinaza 164

44 Produccin de biogs pollos y gallinas 165

45 Consumo balanceado (ao 2005 2006) 167

46 Anlisis fsico qumico gallinaza 168

47 Contenido de MS, MV, nutrientes y biogs de varios sustratos 171

48 Carga de los residuos lquidos de diversos procesos de la industria de hortalizas 174

49 Prdidas de producto generadas en industriales lcteas modernas 177

50

Prdidas de productos generados en industrias lcteas bajo condicionesestndares, expresadas como porcentaje del volumen de leche grasa o sueroprocesado 178

51 Resultados de un anlisis fsico qu179mico a desechos lecheros 179

52 Rendimiento digestor a flujo de 3/d 180


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53 Contenido de contaminantes aguas de industria aceitera 181

54 Caracterizacin de los RILES de la industria pesquera 183

55 Concentraciones de contaminantes en residuos lquidos de fbricas de cecinas 184

56 Concentracin de contaminantes en las aguas residuales en procesadora 184

57 Anlisis fsico qumico de desechos en matadero A 184

58 Resultados de anlisis fsico qumico de desechos en matadero B 185

59Resultados medidos en anlisis fsico qumicos de mataderos y fbricas decenizas 186

60 Parmetros caractersticos de aguas de mataderos 187

61 Caractersticas fsico qumicas de los desechos 188

62 Produccin de biogs 189

63 Caractersticas del rmen y produccin de biogs 191

64 Generacin mensual de residuos el matadero 192

65Caractersticas fsico - qumicas de los lotes de vinazas obtenidos a partir deazcar mascabado y melazas 192

66 Anlisis fsico qumico de afluentes y efluentes de un biodigestor 199

67 Caracterizacin de efluentes de la produccin de alcohol 20068 Caractersticas de aguas residuales de produccin de azcar y alcohol 204

69 Caractersticas fsico qumicas diferentes sustratos industria azucarera 205

70 Calidad de agua residual en la produccin de levadura 205

71 Demanda de agua y DBO procesadoras de pollos 206

72 Carga de los residuos lquidos de diversos procesos de la industria de frutas 207

73 Desechos de mercados, frutas 208

74 Produccin de biogs de cultivos energticos 209

75 Contenido de protenas y nitrgeno de cultivos energticos 210

76 Produccin de biogs de varios cultivos energticos 211

77 Contenido de MS, MV produccin de biogs 21478 Contenido de metales forrajes 215

79 Maz, contenido de masa seca y voltil dependiendo de la poca de cosecha 216

80 Produccin de biogs 235

81 Relacin C/N varios tipos de desechos agroindustriales 240


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82 Relacin C/N varios tipos de estircol 241

83 Produccin de biogs de varios tipos de biomasas 243

84 Componentes del biogs y produccin de diferentes tipos de biomasa 244

85 Produccin de biogs diferentes tipos de biomasa 246

86

Produccin de biogs y metano de varios sustratos a un TRH de 20 das y una

temperatura de 30C 24787 Produccin de biogs y gas metano de diferentes co-sustratos 248

88 Estimacin de la produccin de metano aprovechando aguas residuales 254

89 Coeficiente de distribucin de varios componentes de biogs 256

90 Estimacin de la composicin del biogs 263

91 Composicin del biogs 277

92 Equivalencias energticas 1m3 de biogs 277

93 Caractersticas del biogs y comparacin con otros gases 278

94 Contenido de CH4 y CO2 279

95 Caractersticas de los componentes del biogs 280

96 Requerimientos mnimos del biogs para su aprovechamiento energtico 28697 Componentes contaminantes del biogs 288

98 Otras versiones 293

99 Concentraciones de H2S y daos a la salud 295

100 Caractersticas de los carbones activados 324

101 Parmetros de diseo de un absorbedor de carbn activado 328

102 Parmetros necesarios para anlisis fsico qumico 344

103 Contaminantes contenidos en el biogs 348

104 Ejemplo de requerimientos de energa elctrica digestores 353

105 Caractersticas calderas de biogs 354

106 Parmetros para conversin 354

107 Equivalencias energticas 355108 TRH en relacin de temperatura del digestor 371

109 Produccin de biogs para diferentes tipos de biomasa en relacin a TRH 373

110 Degradacin de biomasa en relacin de temperatura de proceso TRH 374

111 Clculo de la cov para una mezcla de sustrato para digestor v=2000m3 378


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112Ejemplo de dimensionamiento de volumen requerido para almacenamiento debiogs 389

113 Ejemplo de clculo produccin de energa elctrica biodigestor 395

114 Ejemplo de dimensionamiento como se efecta en Alemania en base a VAE 397

115 Criterios de seleccin tipo de biodigestor 400

116 Especificaciones mnimas geomembrana de HDPE 453117 Especificaciones tcnicas membrana EPDM de cubierta biodigestores 475

118 Especificaciones de aislantes trmicos 483

119 Tanques de mezcla y homogenizacin - alimentacin 494

120 Especificaciones tcnicas del sistema de antorchas 555

121Especificaciones para la construccin de tanques de almacenamiento de biogsde EPDM 563

122 Especificaciones para tanques de almacenamiento de biogs 564

123 Caractersticas de motores 574

124 Precio pagado por energas renovables 594

125 Zonas de seguridad 603

126 Letreros de seguridad 606127 Remediacin de problema 627

128 Mal funcionamiento y remediacin 629

129 Fertilizante orgnico contenidos de nutrientes 635

130 Produccin de N, P, K en varios tipos de excrementos animales 635

131Efecto del uso de efluentes de biodigestores sobre el rendimiento en lascosechas de varios cultivos 639

132 Contenido de fertilizantes de bioabono 642

133 Porcentajes de depreciacin de instalaciones 649

134 Porcentajes por mantenimiento y reparaciones 651

135 Costos de obras civiles y equipo electromecnico 662

136 Gases con efecto invernadero 665

137 Fases del proyecto 672

138 Costos de transaccin proyectos MDL 676


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Listado de fotos

N Descripcin Pgina1 Aprovechamiento de desechos de restaurantes en Hamburgo - Alemania 362 Calentamiento Global 383 Planta de biogs "Nawaro BioEnergie AG" 42

4 Planta de biogs en Nicaragua 445 Tewe (Alemania) Tanques de higienizacin de desechos de restaurantes 696 Trilladoras Strautmann (Alemania) 707 Restos de verduras para ser aprovechados en un biodigestor en Chile 1198 Aprovechamiento de verduras en digestor en Alemania 1199 Forraje de pasto aprovechado en digestores en Alemania 120

10 Estircol de ganado en repblica Dominicana 12211 Gallinaza se vierte al medio ambiente - Ecuador 12312 Desechos domiciliarios urbanos y produccin de Biogs en Ambato/Ecuador 12413 Contaminacin 12814 Separador de slidos en granja porcina 152

15 Separador de slidos industriales 15316 Feedlot y establos. 15617 Criadero de pollos en piso y en jaulas 16818 Pollos de engorde en piso 16919 Desechos orgnicos en fbrica de conservas en el Per 17320 Desechos de industria lechera 17621 Biodigestor en Dinamarca para produccin de biogs 18022 Produccin de desechos 18723 Composicin y recoleccin artesanal del rmen 19124 Produccin de vinazas en ingenio azucarero Cartavio Per 19425 Descarga de vinazas en laguna de oxidacin 192

26 Maz forrajero 13527 Topinambur 21728 pasto sudan 21929 Planta Piloto Chile 22230 Planta Piloto construccin de agitador - Ecuador 223


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31 Entre piso de maderas para depsito de azufre elemental 29932 Compresores para suministro de oxigeno 30033 vigas para depsito de azufre elemental 30034 Filtros biolgicos remocin H25 30935 Filtros biolavadores 319

36 Filtros de carbn activado 32137 Filtros de carbn activado, Q biogs = 2x500m3/h 322

38 Filtros de limallas de hierro 330

39 Fotos biofiltros 337

40 Reductores de humedad y condensados 338

41 Generadores Guascor para Biogs 350

42 Gasolinera de biogs en Alemania 358

43 Confinamiento de cerdos sobre piso 364

44 Sicos para almacenamiento de forrajes de maz 365

45 Vinazas producidas en el ingenio azucarero Cartavio - Per 368

46 Lecho de secado de lodos 38747 Tanques de almacenamiento biogs 393

48 Planta de biogs Senftenberg - Alemania 407

49 Planta de biogs Juneda 408

50 Planta de biogs Kogel - Alemania 410

51 Interior de un digestor 413

52 Planta de biogs Grundorf - Alemania 414

53 Recoleccin de diferentes tipos de biomasa 416

54 Planta de biogs en zona rural 417

55 Construccin de drenajes para biodigestor 418

56 Planta de biogs Seftenberg/Alemania 422

57 Ojo de buey o ventanilla de inspeccin 42458 Planta de biogs 425

59 Lagunas de oxidacin vinazas. Ingenio azucarero Cartavio - Per 426

60 Planta de biogs diseada y construida por ENTEC GMBH 427

61 Canal de recoleccin de estircol de ganado y de cerdo 429


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62 Construccin de taludes digestor Latacunga/Ecuador 432

63 Digestores de hormign armado construidos en Alemania 434

64 Construccin de digestores en Alemania 437

65 Construccin de cimentacin de digestores de hormign 438

66 Construccin de digestores de hormign 438

67 Tanques de hormign armado en Alemania 439

68 Planta de biogs en Finlandia Estructuras de hormign armado 441

69 Digestor de geomembrana EPDM 442

70 Lagunas para almacenamiento de agua construidas en el Ecuador 444

71 Colocacin de geomembrana y tuberas de alimentacin 445

72 Tuberas de alimentacin captacin de biogs 445

73 Colocacin de la geomembrana 446

74 Sellado de geomembrana. Emin Per 447

75 Colocacin de la geomembrana 448

76 Colocacin de la cubierta 449

77 Colocacin de la geomembrana y cubierta en digestores de gran tamao 45178 Cubierta no inflada por presin de biogs-succin de lodos 452

79 Canal sello hidrulico para amarre de la membrana de cubierta 459

80 Tuberas de captacin de biogs 460

81 Captacin de biogs 460

82 Colocacin de geomembrana 464

83 Digestor de geomembrana construido en Brasil, cubierta EPDM 469

84 Digestores de acero inoxidable. Luetke - Alemania 470

85 Digestores con cubierta de EPDM 471

86Base de madera para depsito de azufre elemental y soporte de lamembrana 474

87 Colocacin de la membrana de EPDM 47788 Biodigestores con cpula de EPDM 479

89 Aislamiento de digestor de acero 481

90 Instalacin de sistemas de calefaccin 485

91 Sistemas de calefaccin 486


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92 Descarte de biol 490

93 Descarga de fondo en biodigestores de acero 490

94 Tanques de alimentacin 495

95 Sistema de agitacin para tanque de homogenizacin 496

96 Sistema de mezcla 497

97 Alimentacin por gravedad. Plataforma para llegada de tractores o tolvas 500

98 Sistemas de alimentacin con bombas de tornillo sin fin 501

99 Alternativa para alimentacin 502

100 Ejemplos de alimentacin 502101 Alimentacin por medio de tornillo sin fin 503

102 Tanque de alimentacin digestor alemn 504

103 Sistemas de alimentacin - tornillo sin fin 505

104 Bombas alimentacin digestores 506

105 Valvuleria, bombas y accesorios 507

106 Bomba de acero. Tewe, Alemania 508

107 Accesorios, vlvulas de cierre neumticas y manuales. Tewe, Alemania 508108 Instalacin de tuberas biogs 509

109 Vlvulas de sobre presin 511

110 Tuberas de captacin de biogs 512

111 Agitadores verticales 516

112 Sistema vertical de agitacin digestores cubierta hormign 517

113 Sistema vertical de agitacin digestores cubierta EPDM 518

114 Agitadores 520

115 Motores externos agitadores 521

116 Motor Externo Agitador 522

117 Agitador horizontal 523

118 Agitadores verticales construidos en Alemania 524

119 Agitadores inclinados 527

120 Lechos de secado de lodos 531

121 Lecho de secado de lodos para digestor pequeo (500m3) 532


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122 Lecho de secado de lodos para planta de biogs de 5000m3 533

123 Lecho de secados de lodos en pases tropicales 537

124 Lodos granulados en lecho de secado 537

125 Tuberas y vlvulas 540

126 Llave para toma de muestras de sustrato - pararrayos 546

127 Medidor de temperatura ubicado en la pared esterior de digestor 549

128 Sistemas de control 551

129 Antorchas para quema de biogs 553

130 Foto de antorcha 554

131 Vlvula corta llama para ser instalada en lnea 558

132 Tanques de almacenamiento de biogs 559

133Tanques de EPDM para almacenamiento de biogs, bajo cobertura sencillapara proteccin climtica 559

134 Tanques de almacenamiento de biogs de doble membrana 560

135Alternativa de almacenamiento de biogs en bolsa de EPDM ubicada junto adigestor 560

136 Almacenamiento de biogs membrana EPDM de doble capa 562137 Construccin de tanque de biogs 563

138 Tramo de calibracin 565

139 Filtro de condensados, grava y cermica 567

140 Tramo de calibracin Mefisto - Alemania 568

141 Sopladores planta de biogs 572

142 Unidades de generacin de 170 y 330 Kw. 576

143 Sala de mquinas planta de biogs Alemania 585

144 Casa de mquinas 587

145 Antes y despus de la fertilizacin de bioabono 638

146 vehculos para aplicacin de bioabono lquido en Alemania 639


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Listado de figuras

N Descripcin Pgina1 Aprovechamiento de desechos orgnicos 492 Esquena de degradacin anaerbica de desechos orgnicos 533 Diagrama descomposicin anaerbica 54

4 Ciclo anaerbico 555 Esquena simplificado proceso anaerbico 576 Variacin del pH con cambio de biomasa 66

7 Influencia de la COV en la produccin de biogs 758 Produccin de metano en relacin al TRH 779 Rango ptimo tiempo de retencin 8110 Relacin produccin de biogs - MV 8211 Tiempo de retencin - temperatura 8412 Produccin de biogs tipos de biomasa 8513 Produccin de biogs - TRH 86

14 Degradacin materia orgnica 9715 Formacin de sulfatos 11016 Influencia del pH en la produccin de H2S 11217 Ciclo de biomas 11718 Divisin de la biomasa 11819 Constitucin de la biomasa 13020 Tipos de explotacin porcina 142

21Esquema de planta de biogs y planta depuradora para efluentes granjaporcina 149

22 Porcentajes de desechos por tipo de animal 18923 Produccin de biogs en relacin al pH - vinazas 19724 Velocidad de produccin de biogs en relacin al pH vinazas 198

25 Produccin de biogs de naranjas 208

26Produccin de metano en relacin a la MV de diferentes cultivosenergticos 211

27Produccin de metano diferentes cultivos energticos en relacin a unahectrea 212


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28 Produccin de biogs de Cebada, Centeno y Triticale 21229 Produccin de metano diferentes cultivos energticos 21530 Plano de planta piloto para cultivos energticos 22131 Componentes de la biomasa 22632 Alternativas de co-digestin 227

33 Co-digestin naranjas -estircol 23034 Produccin de biogs de protenas, grasas e hidratos de carbono 23335 Produccin de biogs de diferentes tipos de biomasa 23436 Estircol de ganado, gallinaza, paja produccin de biogs 245

37Representacin esquemtica del equilibrio de los diferentes componentesde biogs entre las fases gaseosa y lquida 257

38 Ejemplo esquemtico de la produccin de lodos 265

39 Proceso de produccin de biogs 267

40 Digestor carga en batch 269

41Esquema de los digestores ms utilizados para la generacin energaelctrica 271

42 Digestores sistema CSTR 27243 Sistema dos etapas hidrlisis - digestor 273

44 Diagrama de degradacin de la materia orgnica 287

45 Diagrama de proceso de biofiltracin exterior 302

46 Inyeccin mnima de oxgeno en dependencia del contenido de H2S 304

47Inyeccin mnima de oxgeno en dependencia del volumen de biogspara 2000pmm de H2S 305

48Inyeccin de aire % en dependencia del volumen de biogs 150m 3/h y endependencia del contenido ppm de H2S 306

49Diagrama de biofiltracin con alimentacin externa de nutrientes yhumedad 310

50 Diagrama de proceso biolgico de reduccin de H2S 312

51 Superficies para depsito de azufre elemental 314

52 Filtro biolgico con prehumidificador 316

53 Esquema constructivo de filtro biolgico 317

54 Filtro biolavador 319


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55 Alternativa de filtros lavadores 320

56 Filtros en serie o paralelo 325

57 Filtro de remocin de H2S 331

58 Alternativa de filtro de limallas de hierro 336

59 Eliminacin de condensados 341

60 Sistema de aprovechamiento de color 356

61 Diagrama aprovechamiento biomasa 360

62 DImensionamiento digestor 362

63Produccin de biogs de estircol fresco de ganado vacuno dependiendodel TRH 370

64 Relacin COV, MV, TRH 371

65 Influencia del TRH en la produccin de Biogs 372

66 Mapa ubicacin zonas climticas 375

67 Relacin COV, MS, TRH 379

68 Flujograma para dimensionamiento de digestores 383

69 Curva produccin de biogs - consumo 39170 Aspectos mnimos analizar en los estudios d factibilidad 392

71Planta de biogs, diseo en hormign armado para aprovechar desechosorgnicos de mercados (60 t/d) 399

72 Esquema de planta de biogs 415

73 Esquema etapas para el diseo de plantas de biogs 419

74 Esquema de planta de biogs 425

75Implantacin de planta de biogs integrada a laguna de oxidacinexistente 426

76Esquema idealizado de una topografa de terreno para construccin dedigestor 428

77 Planta de biogs Latacunga/Ecuador 431

78 Propuesta para digestor sobre tierra en hormign armado 43579 Diagrama de flujo de esta instalacin 435

80 Diseo d digestor de hormign, zona rural 436

81 Tanque de alimentacin 437

82 Diagrama de implantacin de digestor tipo geomembrana 443


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83 Esquema de digestor de geomembrana sobre plataforma 455

84 Corte transversal digestor plataforma sobre nivel suelo 2m de alto 455

85 Tanque de alimentacin 456

86 Estructura de descarga 457

87 Tubera de rebose. 458

88 Detalle amarre de cubierta en sello hidrulico 461

89 Canal de amarre membrana 462

90 Otra alternativa para muro de retencin digestor de geomembrana 465

91 Esquemas para instalacin de agitador 466

92 Soportes para tuberas de calefaccin 468

93Esquema de ubicacin de columnas que sujetan las tuberas decalefaccin 468

94Diagrama para clculo de los rompimientos de energa para sistema decalefaccin 488

95 Alternativas para descarga de biol-biocarbono 491

96-97

Esquema del pozo de bombas ubicado exteriormente a un costado del

digestor 49398 Tanque de mezcla 497

99 Esquema de ubicacin tanques de alimentacin 499

100 Ejemplos de alimentacin 499

101 Esquemas de sistemas de agitacin 514

102 Principio de agitador utilizado con mucha frecuencia en Europa 515

103 Ubicacin de agitador en digestor de geomembrana 526

104 Esquema ubicacin tanque de descarga 528

105 Diagrama de ubicacin de lecho de secado de lodos 530

106-109 Planta y cortes de lecho de secado de lodos 534

110 Lecho de secado de lodos con fondo geomembrana 538

111 T para limpieza de tuberas 539

112 Diagrama para control de procesos de planta de biogs 547

113 Esquema para control de proceso en digestor 550

114 Tres unidades corta llama en proyecto planta de biogs 557


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115 Esquema corta llamas que puede construirse en acero inoxidable 558

116 Esquemas de tanques de almacenamiento de biogs 561

117 Muestra de unidades corta llamas 569

118 Pozo de eliminacin de condensados 570

119 Vlvula para control de presin 571

120 Esquema CHP 583

121 Sistema de seguridad y control planta de biogs 597

122 Sistema de seguridad planta de biogs 598

123 Diagrama sencillo de sistema de seguridad biodigestor 599

124 Vlvulas de presin 600

125 Zonas de seguridad 603

126 Zonas de seguridad digestores de geomembrana 604

127 Factores clave para la validacin 675

128-136 Pantallas programas biodigestor 683


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Lista abreviaturas

Abreviatura DescripcinaB Gastos de Produccin

AGCL Acidos Grasos de Cadena LargaAGV cidos Grasos VoltilesaKB Costos BiomasaaKK Costos CapitalesANSI American National Standard InstituteASMEASTM American Society for testing and materials

ATAWWA American Water Works Association

AyG cidos GrasosB Gesp Tasa especfica de produccin de biogs

BG Produccin de BiogsBHP British Horse PowerBPM Bacterias Productoras de MetanoBRS Bacterias Reductoras de SulfatoBSR Bacterias Sulfato Reductoras

BTU/d Brirish Thermal Units por daC Carbono

C:N Relacion Carbono - NitrgenoCa(OH)2 Cal hidratada

CaO Cal virgen

Cd CadmioCDM Clean Development Mechanism

CE (mS/cm) Conductividad elctricaCERs Certtificados emisiones reducidasCH4 Gas MetanoCHP Combined Heat and PowerCHV Carga Hidrulica volumtrica

Cl Carga de Lodos


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cm Centmetros

CO&M Costos de Operain y Mantenimiento

CO2 Dixido de carbn

COT Carbono Orgnico Total

COV Carga Orgnica Volumtrica

Cr(III) Cromo trivalenteCr(VI) Cromo Sexavalente

DQO

CSTR Continously stirred tank reactor

Cu Cobre

d da

DBO Demanda Bioqumica de Oxgeno

DBO

DBO kg/tDemanda bioqumica de oxgeno kilogramos portoneladas

DBOs Demanda Bioqumica de OxgenoDN

DQO/SO4 Demanda Qumica de Oxgeno / Sulfatos

EPDM Etileno, Propileno, Dieno, Monmero

FeO Minxido de hierro

g/kg Gramos por kilogramo

g/kg SSV gramos por kilogramos solidos voltil

g/l Gramos por litro

g/l DQO Gramos por litro de DQO

GAC Granular Acivated Carbon

GEI Gases de Efecto Invernadero

GER Generadores de Energa RenovablesGHG Green House Gas

GLP Gas Licuado Petrleo

H Hidrgeno

H2O Agua


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H2S Sulfuro de Hidrgeno

HCL cido hidroclordico

HDPE Geomembrana de alta densidad

HFC Hidrofluorcarbonos

HIC Hidrogen Induced Cracking

IPCC Panel Intergubernamental de Cambio Climtico

ISO International Standard Organization

K Potasio

K2O Oxido de Potasio

kg Kilogramos

kg N/plaza Kilogramos de nitrgeno por plaza

kg/m3.d Kilogramo por metro cbico por da

kgMv/m3 Kilogramo de masa voltil por metro cbico

kw Kilowatio

kWh Kilowatios por hora

l/kg.d Litros por kilogramo por dam3 Metros Cbicos

m3/d Metro cbico por da

m3/kg Metro cbico por kilogramo

m3/m3*d Metro cbico por metro cbico por da

m3/t Metros cbicos por toneladas

m3/t MH Metros Cbicos por Toneladas Masa Hmeda

m3/t* Metros cbicos por toneladas

MDL Mecanismo de Desrrollo Limpio

metano/kg DQOmetano por kilogramo de demanda qumica deoxgeno

mg Miligramos

Mg Mangnesio

mg/kg Miligramos por kilogramos

mg/l miligramos por litro


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MJ Mega Joule

Mn Manganeso

MS Masa Seca

MV Masa Voltil

Mw Megawatios

N Nitrgeno

N2O xido Nitroso

Na Sodio

Na2CO3 carbonato de sodio

NaHCO3 Bicarbonato de sodio

NaOH Hidrxido de sodio

NDPE High Density Polietileno

NH3 Amoniaco

NH4 Amonio

NH4Hco3 Bicarbonato de amonio

Ni NquelNm3/kg Volumen normado de biogs por kilogramos

NMOCConcentraciones mnimas de compuestos orgnicosno metnicos

N-NH4 Nitrrgeno - Amonio

O2 Oxgeno

ONU Organizacin de Naciones Unidas

OTS Organik Trocken Substanz

P Fsforo

P2O5 Fosfatos

Pa Pascal

Pb PlomoPC Personal Computer

PCI Poder calorfico Inferior

PE Polietileno

PFC Perfluorcarbonos


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pH Potencial Hidrgeno (Acidz)

POME Palm Oil Mill Efluent

ppm Pasta por millon

RPM Revoluciones por minuto

S Azufre

SFG Hexafluoruro de azufre

SO4 Sulfatos

SOHIC Stress Oriented Hidrogen Induced Cracking

SS Slidos Suspendidos

SSC sulfide Stress Crackimg

SST kg/tSlidos Suspendidos totales por kilogramos y portoneladas

ST Slidos Totales

STV(mg/l) Saldos Totales Voltiles por miligramos por litros

t/m3 Tonelada por metro cbico

TBG Tasa de Produccin de BiogsTC Temperatura en grados centgrados

TPN Temperatura y presin normal

TPN Temperatura y presin normal

TRD Tiempo de Retencin Das

TRH Tiempo de Retencion Promedio

TRH Tiempo de Retenin Hidrulica

TTZ Centro de Transferencia Tecnolgica

UAE Unidad Animal Equivalente

UASB Upflow Anarobic Sludge Blanket

UE Union europea

UGM Unidad de Ganado MayorUNFCCC Convenio Marco sobre Cambio Climtico de la ONU

V-H Vacuno Hembras

V-M Vacuno Macho

V-P Vacas Paridas


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Biodigestores construidos en BrasilMembrana de cubierta EPDM.Fabricada por Firestone.Distribuidor autorizado AquaLimpia B.I.

aqua@aqualimpia,com


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CAPITULO

APROVECHAMIENTODE LA BIOMASA


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1Aprovechamiento de labiomasa

Los altos costos de generacin de energa elctrica utilizando combustiblesconvencionales derivados de materiales fsiles, los costos crecientes delabastecimiento de petrleo, la contaminacin ambiental por su uso, sumado alcosto que involucra su obtencin y su carcter finito, cuya extincin estprevista para este siglo, generan la necesidad de desarrollar proyectos queutilicen energas renovables, para la generacin de energa elctrica y decalor.

Foto 1: Aprovechamiento de desechos de restaurantes en Hamburgo-Alemania

Diseo y construccin ENTEC GMBH, Austria Grupo Aqualimpia

dimensionamiento diseno y construccion planta biogas

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