Biogás en Cajamarca: Un Enfoque Integral para la Gestión
de Residuos Sólidos y el Desarrollo Sostenible
Juan Eduardo Suarez Rivadeneira*, Wilfredo Ruiz Camacho**. Italo Maldonado
Ramírez***, José Celso Carranza Paredes****, Merly Alva Benites *****.
Resumen
El artículo de investigación en Cajamarca, analiza la gestión integral de residuos sólidos
tras la aprobación del "Plan de Valorización de Residuos Orgánicos e Inorgánicos 2022".
Estudia las fases de descomposición de residuos orgánicos considerando la edad del
vertedero, características del residuo, presencia de oxígeno y temperatura. Se proponen
el "Modelo EPA" y el "Modelo Mexicano de Biogás 2.0" para evaluar el potencial de
biogás en los residuos sólidos, destacando la importancia de la elección de métodos
adecuados. Se establece una conexión con un estudio en Iquitos, Perú, resaltando la
gestión de residuos sólidos en el bosque húmedo tropical, sugiriendo la generación de
compost y destacando el metano (CH4) como componente principal del biogás, con
oportunidades para la industria de la energía. Se recomienda utilizar instrumentos de
medición precisos considerando limitaciones económicas y explorar otros modelos
matemáticos para evaluar proyecciones a medio o largo plazo.
Palabras clave: Biogás, residuos sólidos, estimación, modelo EPA.
Biogas in Cajamarca: A Comprehensive Approach to Solid Waste
Management and Sustainable Development
Abstract
The research article in Cajamarca, examines the comprehensive management of solid
waste following the approval of the "Organic and Inorganic Waste Valorization Plan
2022". It studies the decomposition phases of organic waste considering landfill age,
waste characteristics, oxygen presence, and temperature. The "EPA Model" and the
"Mexican Biogas 2.0 Model" are proposed to evaluate the biogas potential in solid waste,
emphasizing the importance of selecting appropriate methods. A connection is
established with a study in Iquitos, Peru, highlighting solid waste management in the
tropical rainforest, suggesting compost generation, and emphasizing methane (CH4) as
the primary component of biogas, with opportunities for the energy industry. It is
recommended to use precise measurement instruments considering economic limitations
and explore other mathematical models to evaluate medium or long-term projections.Key
words: Biogas, solid waste, estimation, integrated management, decomposition,
environmental factors, EPA model.
Keywords: Biogas, solid waste, estimation, EPA model.
*Facultad de Ingeniería de Sistemas y Mecánica Eléctrica Universidad Nacional Toribio Rodríguez de
Mendoza de Amazonas. ORCID: https://orcid.org/0009-0006-0597-6370
**Facultad de Ingeniería de Sistemas y Mecánica Eléctrica Universidad Nacional Toribio Rodríguez de
Mendoza de Amazonas. ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1917-3625
***Facultad de Ingeniería de Sistemas y Mecánica Eléctrica Universidad Nacional Toribio Rodríguez de
Mendoza de Amazonas. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3147-3519
****Facultad de Ciencias de la Salud de la Universidad Nacional Toribio Rodríguez de Mendoza. ORCID:
https://orcid.org/0000-0002-7601-5474
*****Subgerencia de Gestión Integral de Residuos Sólidos. Municipalidad Provincial de Jaén, Cajamarca,
Perú. ORCID: https://orcid.org/0009-0000-4459-7134
Introducción
Este trabajo de investigación aborda el tema crucial de la gestión de residuos sólidos
y la estimación del potencial de generación de biogás en la ciudad de Jaén, ubicada en la
región de Cajamarca, durante el año 2023.
Se hace referencia al "Plan de Valorización de Residuos Orgánicos e Inorgánicos
2022" (Municipalidad Provincial de Jaén, 2022), aprobado en 2022 por la Municipalidad
Provincial de Jaén. El objetivo principal de este plan es fomentar la reducción de la
generación de residuos sólidos y convertir los residuos generados en insumos para otros
procesos productivos a través del reciclaje, promoviendo así la economía circular.
Es evidente que una gestión inadecuada de los residuos sólidos ha tenido
consecuencias ambientales negativas, agravadas por el crecimiento demográfico, los
procesos industriales y las prácticas de consumo. En este contexto, a nivel mundial se
están llevando a cabo investigaciones y metodologías para estimar el potencial de biogás
generado a partir de residuos sólidos como una fuente de energía alternativa técnicamente
y económicamente viable.
El objetivo de este estudio es determinar el potencial energético de los residuos
sólidos para la generación de biogás, con el fin de optimizar su uso. Para lograr este
propósito, se utilizaron dos metodologías reconocidas y estudios previos, específicamente
el "MODELO EPA" y el "MODELO MEXICANO DE BIOGÁS 2.0". Estas
metodologías fueron seleccionadas con el fin de establecer un marco adecuado para
nuestra investigación y determinar con precisión el potencial de biogás de los residuos
sólidos en la ciudad de Jaén.
1. Antecedentes
El estudio realizado por (Guerra, 2008) se centra en la gestión de residuos sólidos
en ciudades de selva tropical, específicamente en Iquitos, Perú. La investigación destaca
la importancia de la gestión de residuos sólidos para reducir la contaminación y mejorar
las condiciones de vida y trabajo de la población. Se analizaron las condiciones y
resultados de la degradación de residuos sólidos en Iquitos para comprender su
contribución al stock de recursos en la selva tropical.
Los resultados revelaron que el suelo del vertedero que recibía los residuos sólidos
carece de nutrientes, pero se identificaron diversas formas de tratar estos residuos para
generar compost y aumentar la cantidad de materia prima. Además, se observó la
generación de biogás, especialmente metano (CH4), durante la degradación de residuos
sólidos. El cálculo del volumen de metano se realizó según el esquema mexicano, y se
destacó el potencial del metano como recurso para la industria energética en la zona.
El estudio propone un proceso para la producción de compost a partir de residuos
sólidos, lo que podría mejorar la gestión de estos residuos. También sugiere la
implementación de acciones para aprovechar el biogás producido en el vertedero. En
resumen, existen opciones y procesos recomendados para generar compost a partir de
residuos sólidos, lo que beneficia la productividad, el empleo y la preservación ambiental
en el Amazonas (Guerra, 2008).
2. Metodología
2.1. Proceso de descomposición de residuos orgánicos
El proceso de descomposición de residuos orgánicos, según (Camargo y Vélez,
2009), es un proceso complejo con varias fases influenciadas por factores ambientales
como la edad del vertedero, las características de los residuos, la presencia de oxígeno y
la temperatura. En este proceso se pueden distinguir cinco etapas.
La primera etapa, llamada "Aeróbica", comienza inmediatamente después de la
disposición de los residuos sólidos en el vertedero, donde las sustancias biodegradables
se descomponen fácilmente en presencia de oxígeno, generando agua, dióxido de carbono
(CO2) y materia parcialmente descompuesta, con una temperatura que oscila entre 35 y
40 °C.
En la segunda etapa, conocida como "Aeróbica con Desarrollo de Condiciones
Anaeróbicas", tiene lugar el proceso de fermentación, con la participación de organismos
facultativos que generan ácidos orgánicos y reducen el pH, creando condiciones propicias
para la generación de CO2 y la liberación de metales en el agua.
La tercera etapa, llamada "Anaeróbica", resulta de la acción de organismos que
generan metano (CH4), con una disminución significativa en la producción de CO2 bajo
condiciones apropiadas.
En la cuarta etapa, (la etapa "Metanogénica Estable"), hay una alta generación de
metano (CH4), con un rango de porcentaje entre el 40% y el 60% en volumen.
Finalmente, la quinta etapa, conocida como "Estabilización", se caracteriza por una
disminución en la generación de CH4, con la introducción de aire atmosférico que
favorece las condiciones aeróbicas en el sistema.
Imagen 1: Composición de manera más óptima del biogás en una celda de un
vertedero.
Nota: Imagen obtenida de Vélez & Camargo (2009).
Las etapas del proceso de descomposición de residuos orgánicos tienen un impacto
directo en la composición del biogás, y la duración de cada etapa está influenciada por
las condiciones climáticas y los factores operativos en el vertedero.
Las dos primeras etapas, que se refieren a la descomposición inicial, pueden durar
desde varias semanas hasta dos años o más. La alta compactación, las altas temperaturas
ambientales y la disposición de residuos en capas delgadas y celdas pequeñas son factores
que favorecen la biodegradación y minimizan el tiempo entre estas etapas.
Las etapas 3 y 4, relacionadas con la generación de metano, suelen durar
aproximadamente 5 años. La operabilidad del vertedero y la cantidad de humedad en los
residuos sólidos influyen en esta etapa. Una mayor humedad acelera las reacciones
biológicas, reduciendo el tiempo entre estas etapas y aumentando la producción de biogás
con el tiempo.
La última etapa, la etapa de estabilización, puede extenderse durante varias décadas
o incluso siglos, dependiendo de las acciones tomadas durante el período de operación
del vertedero para aumentar su vida útil (Camargo y Vélez, 2009).
En cuanto a la composición del biogás, especialmente la proporción de CH4 y CO2,
se observa que, en su máxima producción, tienen una relación de 1.2:1, como se detalla
en la tabla.
Tabla 1: Rango de composición del biogás que se genera en vertederos
Nota: Vélez and Camargo (2009), en "Emisiones de biogás producidas en rellenos
sanitarios".
2.2. Modelos para la generación de biogás
Actualmente, se han desarrollado varios métodos y modelos matemáticos para
facilitar la estimación y proyección del potencial de generación de biogás. Un ejemplo
destacado es el IPCC, que recomienda dos métodos para el cálculo y la proyección de
biogás, con el objetivo principal de establecer inventarios nacionales de gases de efecto
invernadero.
El primer método, conocido como la metodología por defecto (Bingemer y Crutzen,
1987). Este enfoque más simple supone que toda la generación potencial de metano se
libera en el mismo año en que se depositan los residuos sólidos. Sin embargo, este enfoque
no siempre refleja la realidad, como se ilustra en la Figura 2. Se recomienda su uso en
áreas donde la información detallada sobre los residuos sólidos es limitada, y se necesitan
estimaciones y proyecciones, considerando factores como el contenido de carbono
orgánico degradable y la calidad de la gestión del vertedero. Esta metodología es
adecuada para el cálculo, la estimación y la proyección de emisiones a nivel regional y
nacional.
Parámetro
Unidad
Rango de variación
Metano
% CH4
30 - 65
Dióxido de Carbono
% CO2
20 – 40
Nitrógeno
% N2
5 - 40
Hidrógeno
% H2
1 - 3
Oxígeno
% O2
0 - 5
Argón
% Ar
0 – 0.04
Sulfuro de Hidrógeno
% H2S
0 – 0.01
Sulfato total
% S
0 – 0.01
Cloruro total
% Cl
0.005
Temperatura
º C
10 - 40
Contenido de humedad
% humedad relativa
0 - 100
Masa
Kg/m3
1,1 – 1,28
Nivel de energía mínimo
MJ/Nm3
10,8 – 23,3
Imagen 2: Destino de la generación de biogás sostenido en el tiempo.
Nota: Vélez and Camargo (2009), en "Emisiones de biogás producidas en rellenos
sanitarios"
En contraste, el segundo método, más complejo, conocido como la metodología
cinética de "primer orden" o "Scholl-Canyon", es más adecuado para proyectar y estimar
emisiones en vertederos individuales. Esta metodología utiliza datos de entrada muy
específicos para prever la producción de biogás durante la vida útil del vertedero.
Investigaciones en lugares como Nigeria han utilizado estos modelos, con
resultados que sugieren emisiones de metano (CH4) procedentes de residuos sólidos de
menos de 100 Gg en 1994, aumentando a 231 Gg en 2004. La proyección indicaba que
para 2010, la producción de CH4 sería de aproximadamente 450 Gg, y se esperaba que
aumentara constantemente a 610 Gg para 2020. Esto ilustra cómo la tasa de generación
de CH4 puede ser proyectada por varios modelos matemáticos para la producción de
biogás.
En conjunto con el Modelo de Emisión de Gas de Relleno Sanitario (LandGEM) de
la Agencia de Protección Ambiental (EPA), esta metodología se destaca como una
herramienta valiosa para calcular las tasas de emisión en sitios como vertederos. Basado
en una "ecuación de descomposición con cinética de primer orden", LandGEM cuantifica
las emisiones provenientes de la descomposición de residuos sólidos biodegradables.
Además, es útil para estimar tasas de emisión totales de gases, incluyendo CH4, CO2,
contaminantes del aire y compuestos orgánicos volátiles asociados con la
descomposición.
2.3. Modelo EPA
Algunos autores como Rodríguez y Urrego (2016), recomiendan que para hacer uso
del presente modelo matemático, es necesario conocer previamente "la tasa media anual
de residuos dispuestos", el número de años que el vertedero estuvo en funcionamiento,
así como el número de años cerrado, el "potencial de residuos dispuestos", para generar
metano y la "tasa de generación de metano".
Además de lo anterior, el autor recomienda el uso de la siguiente expresión
matemática:
   
LFG: Se refiere a la figura que representa "gas total generado" (pies cúbicos).
Lo: Se refiere al "potencial total de generación de metano de los residuos" (pies
cúbicos/libra).
R: Se refiere a "Residuos promedio anuales dispuestos durante la vida activa"
("libras").
k: Se refiere a la "tasa anual de generación de metano" (1/año).
T: Se refiere al "tiempo desde la apertura" del vertedero (años).
C: Se refiere al "tiempo desde el cierre" del vertedero (años), si aún no está cerrado
C = 0.
Tabla 2: Valores estándar de k y L0
Fuente: Stege G. Manual de usuario: Modelo Mexicano de Biogás (2009)
3. Resultados
3.1. Resultado del Crecimiento Poblacional:
En cuanto a la predicción de la población en la provincia de Jaén hasta 2064, se obtuvo
a partir de la comparación de la "población urbana del distrito" en los censos de 2007 y 2017, en
los cuales se obtuvo una tasa de crecimiento poblacional anual del 1.61%, como se evidencia en
la tabla:
Table 3
Generación de Residuos Sólidos (Tn/año), para el año 2021
AÑO
POBLACIÓN
(hab.)
Generación
RR.SS.
(ton/año)
Consumo Per-
Capita
2018
186322
28775.35
0.423
2019
187216
18216.00
0.267
2020
188115
18091.70
0.263
2021
189018
29755.88
0.431
PROMEDIO
23709.73
0.346
Nota: Desarrollo y elaborado, en función al SIAR (2020) y Censos 2007-2017
Ahora bien, para calcular la generación per-cápita, se requiere conocer la
producción total de la provincia de Jaén, dividiendo la cantidad de residuos sólidos por la
cantidad de habitantes, de lo cual se obtuvo lo siguiente:
Se consideró como hito inicial la información que se consiguió con el desarrollo de
dicho estudio, se verificó que en cuanto a la “generación per cápita” de R.S.D., en el cual
se consideró el estrato socioeconómico y la “cantidad de habitantes correspondiente”.
En cuanto a la producción “per cápita” en la provincia de jaén se obtuvo “0,346
Kg/hab/día”, lo cual indica que cada ciudadano del distrito produce “346 gramos” de
RR.SS diarios en la provincia de Jaén.
Habiendo ya establecido la generación per cápita, se procedió a estimar la
proyección en cuanto a la generación de Residuos Sólidos.
3.2. Resultado de la Generación de Residuos Sólidos.
Luego de haber definido y establecido la generación per-cápita, se procedió con la
estimación y proyección mediante el MODELO MATEMÁTICO – EPA, tal como se
puede verificar a continuación en la tabla 6, cuya proyección va desde el año 2018, hasta
el año 2065 (47 años de proyección aproximadamente):
Tabla 4: Generación de Residuos Sólidos (Tn/día y Tn/año), para el periodo temporal
desde el 2018, hasta el 2065
Año
Generació
n total de
residuos
sólidos
(Tn/día)
Generaci
ón total
de
residuos
sólidos
(Tn/año)
ACUMULADO
Año
Generación
total de
residuos no
domiciliarios
(Tn/día)
Generació
n total de
residuos
sólidos
(Tn/año)
ACUMULADO
2018
78.22
28548.77
28548.77
2042
108.94
39762.20
846483.50
2019
79.30
28945.60
57494.37
2043
110.45
40314.89
886798.39
2020
80.41
29347.94
86842.32
2044
111.99
40875.27
927673.66
2021
81.52
29755.88
116598.20
2045
113.54
41443.44
969117.10
2022
82.66
30169.49
146767.68
2046
115.12
42019.50
1011136.60
2023
83.81
30588.84
177356.52
2047
116.72
42603.57
1053740.17
2024
84.97
31014.03
208370.55
2048
118.34
43195.76
1096935.93
2025
86.15
31445.12
239815.67
2049
119.99
43796.18
1140732.11
2026
87.35
31882.21
271697.88
2050
121.66
44404.95
1185137.06
2027
88.56
32325.37
304023.26
2051
123.35
45022.18
1230159.23
2028
89.79
32774.70
336797.95
2052
125.06
45647.99
1275807.22
2029
91.04
33230.26
370028.22
2053
126.80
46282.49
1322089.71
2030
92.31
33692.16
403720.38
2054
128.56
46925.82
1369015.53
2031
93.59
34160.49
437880.86
2055
130.35
47578.09
1416593.62
2032
94.89
34635.32
472516.18
2056
132.16
48239.42
1464833.04
2033
96.21
35116.75
507632.93
2057
134.00
48909.95
1513742.99
2034
97.55
35604.87
543237.80
2058
135.86
49589.80
1563332.79
2035
98.90
36099.78
579337.57
2059
137.75
50279.10
1613611.89
2036
100.28
36601.56
615939.14
2060
139.67
50977.98
1664589.87
2037
101.67
37110.33
653049.46
2061
141.61
51686.57
1716276.44
2038
103.09
37626.16
690675.62
2062
143.58
52405.01
1768681.45
2039
104.52
38149.16
728824.79
2063
145.57
53133.44
1821814.90
2040
105.97
38679.44
767504.22
2064
147.59
53872.00
1875686.89
2041
107.44
39217.08
806721.30
2065
149.65
54620.82
1930307.71
Nota: Desarrollo y elaborado propiamente por el autor, en función al SIAR (2020) y
Censos 2007-2017
De acuerdo con lo consignado en la tabla 4, se logró proyectar hasta el año 2065,
siendo el valor máximo de generación de Residuos Sólidos, 54620.82 Tn/año, lo cual
sugiere que se tendría una generación de 149.65 Tn/día, para el mismo año.
3.3
. Resultado de la Generación de Biogás: Estimación utilizando el Modelo EPA.
A continuación, se realizó la estimación y/o proyección de la generación de
BIOGÁS según el modelo matemático "MODELO EPA", basado en lo siguiente:
  󰇛 󰇜
LFG: Se refiere a la figura que representa "gas total generado" (pies cúbicos).
Lo: Se refiere al "potencial total de generación de metano de los residuos" (pies
cúbicos/libra).
R: Se refiere a "Residuos promedio anuales dispuestos durante la vida activa"
("libras").
k: Se refiere a la "tasa anual de generación de metano" (1/año).
T: Se refiere al "tiempo desde la apertura" del vertedero (años).
C: Se refiere al "tiempo desde el cierre" del vertedero (años), si aún no está cerrado
C = 0.
Para el valor de k, será de 0.050 1/año, además para el valor de Lo será de 170
m3/tonelada, una vez definidos estos valores, procedimos con la estimación y proyección
utilizando el software de Excel.
Tabla 5: Generación de Biogás (m3/año y m3/h), para el periodo temporal desde el
2018, hasta el 2065 – “MODELO MATEMÁTICO EPA”.
Año
Disposición
T/año
MODELO EPA
Año
Disposición
T/año
MODELO EPA
m3/año
m3/h
m3/año
m3/h
2 018
28 548.77
0.00
0.00
2 042
39 762.20
9 554 780.61
1 090.73
2 019
28 945.60
666 840.71
76.12
2 043
40 314.89
9 755 629.17
1 113.66
2 020
29 347.94
1 301 159.22
148.53
2 044
40 875.27
9 946 682.23
1 135.47
2 021
29 755.88
1 904 541.65
217.41
2 045
41 443.44
10 128 417.53
1 156.21
2 022
30 169.49
2 478 496.77
282.93
2 046
42 019.50
10 301 289.49
1 175.95
2 023
30 588.84
3 024 459.76
345.26
2 047
42 603.57
10 465 730.38
1 194.72
2 024
31 014.03
3 543 795.83
404.54
2 048
43 195.76
10 622 151.40
1 212.57
2 025
31 445.12
4 037 803.58
460.94
2 049
43 796.18
10 770 943.68
1 229.56
2 026
31 882.21
4 507 718.29
514.58
2 050
44 404.95
10 912 479.27
1 245.72
2 027
32 325.37
4 954 714.99
565.61
2 051
45 022.18
11 047 112.08
1 261.09
2 028
32 774.70
5 379 911.40
614.15
2 052
45 647.99
11 175 178.78
1 275.71
2 029
33 230.26
5 784 370.73
660.32
2 053
46 282.49
11 296 999.59
1 289.61
2 030
33 692.16
6 169 104.36
704.24
2 054
46 925.82
11 412 879.13
1 302.84
2 031
34 160.49
6 535 074.30
746.01
2 055
47 578.09
11 523 107.16
1 315.42
2 032
34 635.32
6 883 195.67
785.75
2 056
48 239.42
11 627 959.31
1 327.39
2 033
35 116.75
7 214 338.97
823.55
2 057
48 909.95
11 727 697.75
1 338.78
2 034
35 604.87
7 529 332.22
859.51
2 058
49 589.80
11 822 571.89
1 349.61
2 035
36 099.78
7 828 963.07
893.72
2 059
50 279.10
11 912 818.97
1 359.91
2 036
36 601.56
8 113 980.74
926.25
2 060
50 977.98
11 998 664.65
1 369.71
2 037
37 110.33
8 385 097.95
957.20
2 061
51 686.57
12 080 323.58
1 379.03
2 038
37 626.16
8 642 992.60
986.64
2 062
52 405.01
12 157 999.96
1 387.90
2 039
38 149.16
8 888 309.59
1 014.65
2 063
53 133.44
12 231 888.01
1 396.33
2 040
38 679.44
9 121 662.33
1 041.29
2 064
53 872.00
12 302 172.51
1 404.36
2 041
39 217.08
9 343 634.32
1 066.62
2 065
54 620.82
12 369 029.19
1 411.99
TOTAL
1 930 307.71
Rprom
40 214.74
TOTAL
1 930 307.71
Rprom
40 214.74
Nota: Desarrollo y elaborado propiamente por el auor, en función al SIAR (2020)
Imagen 3
Generación de Biogás (m3/año y m3/h), para el periodo temporal desde el 2018, hasta el 2065 –
“MODELO MATEMÁTICO EPA”.
Nota: Desarrollo y elaborado propiamente por el autor.
En concordancia con la tabla 7 y gráfica 4, se verificó que la cantidad de BIOGÁS producido en
base a la generación de residuos sólidos, obtuvo valores máximos tales como 12 369 029.19
m3/año (para el año 2065), o su equivalente en las unidades m3/h cuyo valor máximo fue de 1
411.99 m3/h (para el año 2065), para el caso contrario, es decir para los valores mínimos, se
obtuvieron: 666 840.71 m3/año (para el año 2019), o su equivalente en m3/h, cuyo valor mínimo
fue de 76.12 m3/h (para el año 2019); Finalmente se obtuvo una generación promedio de residuos
sólidos de 40 214.74 T/año o Mg/año, y como total se obtuvo 1 930 307. g/año o T/año, para el
periodo comprendido desde el año 2018, hasta el 2065.
3.3 Resultado de la Generación de Biogás: Esmación mediante el Modelo Mexicano 2.0
Según los autores Rodríguez & Urrego, (2016), mencionaron que este modelo, asume que
el lapso de tiempo corresponde a un año, contando desde el inicio del depósito de los residuos y
es donde inicia la producción de biogás, además luego de haber transcurrido un año, la producción
de biogás decrece de modo exponencial en cada unidad de residuos, mientras que la fracción
orgánica de los residuos se consume (Rodríguez Miranda & Urrego Martínez, 2016)
Está sustentado en una ecuación de decrecimiento de primer orden.
Donde:
QLFG: Se refiere al caudal de biogás de valor máximo que se espera(“m3/año”).
i: Se trata del aumento en el tiempo en periodos de “1 año”.
n: Es la diferencia entre el “Año del cálculo” – “el año de inicio de disposición de
residuos”.
j: Se trata del aumento en el tiempo en periodos de 0,1 año.
Mi: Se trata de la masa de residuos que se disponen en un año determinado i, cuyas
unidades son Mg (Megagramos)
tij: Se refiere a la “edad de la sección j” de la “masa de RR.SS. Mi dispuestos en el
año i” (“años decimales”)
MCF: Corresponde al “factor de corrección de metano”, esta cifra va a depender de
la profundidad de los pozos y del tipo de vertedero.
F: Se refiere al “factor de ajuste por incendio”, en este modelo se asume que el
biogás está compuesto por el 50% por metano y dióxido de carbono, con una cantidad
menor a 1% de porcentaje de otros elementos constitutivos
k: Se refiere al “índice de generación de metano” expresado en “1/año”, este valor
va a depender de la disponibilidad de nutrientes, humedad, la acidez, y la “temperatura”
en el vertedero.
Lo: Es la producción potencial de metano, cuyas unidades de m3/Mg, este modelo
le asigna valores a k y L0, pero siempre con dependencia de los factores climáticos de la
zona, en la cual está ubicado el sitio y la velocidad de la degradación de los RR.S. (Stege
y Davila, 2009).
Tabla Nº 6: “Índices de Potencial de CH4, valores L0 del Modelo Mexicano”.
Nota: Stege G. (2009) – “Manual de usuario: Modelo Mexicano de Biogás”
Tabla Nº 1: “Índices de Producción de metano (K)”, valores k del “Modelo
Mexicano”.
Nota: Stege G. (2009) – “Manual de usuario: Modelo Mexicano de Biogás”
Luego de haber definido y establecido los valores para el MODELAMIENTO
MATEMÁTICO MEXICANO v. 2.0., se procedió con la estimación y proyección bajo
el mismo modelo matemático, tal como se puede verificar a continuación en la tabla 6,
Precipitación Anual (mm/Año)
K (por año)
0 – 249
60
250 – 499
80
≥ 500
84
Precipitación Anual (mm/Año)
K (por año)
0 – 249
0,040
250 – 499
0,050
500 – 999
0,065
≥ 1000
0,080
cuya proyección va desde el año 2018, hasta el año 2066 (48 años de proyección
aproximadamente), se consideró este periodo de tiempo, debido a que este postulado
matemático, planteó que los gases Metano (CH4) y CO2, comienzan a manifestarse a
partir del año de descomposición en el silo o vertedero, por ende, el año 2018, se
consideraría como año 0.
Tabla 1: Generación de Biogás (m3/año y m3/h), para el periodo temporal desde el
2018, hasta el 2065 – “MODELO MATEMÁTICO MEXICANO 2.0”.
Año
Disposició
n T/año
MODELO MEXICANO -
Generación de METANO
MODELO MEXICANO -
Generación de CO2
MODELO LADGEM -
TOTAL BIOGAS
m3/año
m3/h
m3/año
m3/h
m3/año
m3/h
0
28 548.77
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
2019
28 945.60
474 580.09
54.18
474 580.09
54.18
949 160.17
108.35
2020
29 347.94
932 611.29
106.46
932 611.29
106.46
1 865 222.58
212.92
2021
29 755.88
1 374 992.41
156.96
1 374 992.41
156.96
2 749 984.82
313.93
2022
30 169.49
1 802 579.67
205.77
1 802 579.67
205.77
3 605 159.34
411.55
2023
30 588.84
2 216 188.84
252.99
2 216 188.84
252.99
4 432 377.67
505.98
2024
31 014.03
2 616 597.20
298.70
2 616 597.20
298.70
5 233 194.41
597.40
2025
31 445.12
3 004 545.48
342.98
3 004 545.48
342.98
6 009 090.96
685.97
2026
31 882.21
3 380 739.60
385.93
3 380 739.60
385.93
6 761 479.19
771.86
2027
32 325.37
3 745 852.42
427.61
3 745 852.42
427.61
7 491 704.84
855.22
2028
32 774.70
4 100 525.39
468.10
4 100 525.39
468.10
8 201 050.79
936.19
2029
33 230.26
4 445 370.07
507.46
4 445 370.07
507.46
8 890 740.14
1 014.92
2030
33 692.16
4 780 969.60
545.77
4 780 969.60
545.77
9 561 939.21
1 091.55
2031
34 160.49
5 107 880.15
583.09
5 107 880.15
583.09
10 215 760.31
1 166.18
2032
34 635.32
5 426 632.22
619.48
5 426 632.22
619.48
10 853 264.44
1 238.96
2033
35 116.75
5 737 731.90
654.99
5 737 731.90
654.99
11 475 463.80
1 309.98
2034
35 604.87
6 041 662.13
689.69
6 041 662.13
689.69
12 083 324.27
1 379.37
2035
36 099.78
6 338 883.82
723.62
6 338 883.82
723.62
12 677 767.63
1 447.23
2036
36 601.56
6 629 836.92
756.83
6 629 836.92
756.83
13 259 673.83
1 513.66
2037
37 110.33
6 914 941.51
789.38
6 914 941.51
789.38
13 829 883.03
1 578.75
2038
37 626.16
7 194 598.79
821.30
7 194 598.79
821.30
14 389 197.58
1 642.60
2039
38 149.16
7 469 191.97
852.65
7 469 191.97
852.65
14 938 383.94
1 705.29
2040
38 679.44
7 739 087.22
883.46
7 739 087.22
883.46
15 478 174.45
1 766.91
2041
39 217.08
8 004 634.52
913.77
8 004 634.52
913.77
16 009 269.05
1 827.54
2042
39 762.20
8 266 168.45
943.63
8 266 168.45
943.63
16 532 336.90
1 887.25
2043
40 314.89
8 524 008.97
973.06
8 524 008.97
973.06
17 048 017.93
1 946.12
2044
40 875.27
8 778 462.16
1 002.11
8 778 462.16
1 002.11
17 556 924.32
2 004.22
2045
41 443.44
9 029 820.95
1 030.80
9 029 820.95
1 030.80
18 059 641.90
2 061.60
2046
42 019.50
9 278 365.72
1 059.17
9 278 365.72
1 059.17
18 556 731.45
2 118.35
2047
42 603.57
9 524 365.02
1 087.26
9 524 365.02
1 087.26
19 048 730.03
2 174.51
2048
43 195.76
9 768 076.08
1 115.08
9 768 076.08
1 115.08
19 536 152.15
2 230.15
2049
43 796.18
10 009 745.47
1 142.67
10 009 745.47
1 142.67
20 019 490.93
2 285.33
2050
44 404.95
10 249 609.59
1 170.05
10 249 609.59
1 170.05
20 499 219.18
2 340.09
Año
Disposició
n T/año
MODELO MEXICANO -
Generación de METANO
MODELO MEXICANO -
Generación de CO2
MODELO LADGEM -
TOTAL BIOGAS
m3/año
m3/h
m3/año
m3/h
m3/año
m3/h
2051
45 022.18
10 487 895.23
1 197.25
10 487 895.23
1 197.25
20 975 790.46
2 394.50
2052
45 647.99
10 724 820.03
1 224.29
10 724 820.03
1 224.29
21 449 640.07
2 448.59
2053
46 282.49
10 960 593.00
1 251.21
10 960 593.00
1 251.21
21 921 185.99
2 502.42
2054
46 925.82
11 195 414.89
1 278.02
11 195 414.89
1 278.02
22 390 829.78
2 556.03
2055
47 578.09
11 429 478.72
1 304.74
11 429 478.72
1 304.74
22 858 957.44
2 609.47
2056
48 239.42
11 662 970.10
1 331.39
11 662 970.10
1 331.39
23 325 940.20
2 662.78
2057
48 909.95
11 896 067.67
1 358.00
11 896 067.67
1 358.00
23 792 135.35
2 716.00
2058
49 589.80
12 128 943.46
1 384.58
12 128 943.46
1 384.58
24 257 886.91
2 769.17
2059
50 279.10
12 361 763.20
1 411.16
12 361 763.20
1 411.16
24 723 526.40
2 822.32
2060
50 977.98
12 594 686.73
1 437.75
12 594 686.73
1 437.75
25 189 373.46
2 875.50
2061
51 686.57
12 827 868.26
1 464.37
12 827 868.26
1 464.37
25 655 736.52
2 928.74
2062
52 405.01
13 061 456.69
1 491.03
13 061 456.69
1 491.03
26 122 913.38
2 982.07
2063
53 133.44
13 295 595.91
1 517.76
13 295 595.91
1 517.76
26 591 191.82
3 035.52
2064
53 872.00
13 530 425.06
1 544.57
13 530 425.06
1 544.57
27 060 850.13
3 089.14
2065
54 620.82
13 766 078.82
1 571.47
13 766 078.82
1 571.47
27 532 157.65
3 142.94
2066
0.00
14 002 687.62
1 598.48
14 002 687.62
1 598.48
28 005 375.25
3 196.96
TOTAL
1 930
307.71
384 836
001.01
39
394.03
TOTAL
1 930
307.71
Rprom
39
394.03
TOTAL DE GENERACIÓN METANO
m3/año
384 836
001.01
TOTAL DE GENERACIÓN METANO m3/h
43
931.05
TOTAL DE GENERACIÓN DE BIOGAS
m3/h
769 672
002.02
TOTAL DE GENERACIÓN DE BIOGAS
m3/h
87
862.10
Nota: Desarrollo y elaborado propiamente por el autor, en función al SIAR (2020) y
Censos 2007-2017
Imagen 4: Generación de Biogás (m3/año), para el periodo temporal desde el 2018,
hasta el 2065 – “MODELO MATEMÁTICO MEXICANO 2.0”.
Imagen 5: Generación de Biogás (m3/h), para el periodo temporal desde el 2018,
hasta el 2065 – “MODELO MATEMÁTICO MEXICANO 2.0”.
Nota: Desarrollo y elaborado propiamente por el autor.
De acuerdo con lo consignado en la tabla 8, se logró proyectar hasta el año 2065,
siendo el valor máximo de generación de Residuos Sólidos, 54620.82 Tn/año, lo cual
sugiere que se tendría una generación de 149.65 Tn/día, para el mismo año.
1.598,48
3.196,96
0,00
500,00
1.000,00
1.500,00
2.000,00
2.500,00
3.000,00
2018 2023 2028 2033 2038 2043 2048 2053 2058 2063
Generación de METANO y TOTAL DE BIOGAS
en m3/h
AÑOS DE PROYECCIÓN
MODELO MEXICANO 2.0 DE GENERACIÓN DE BIOGAS
MODELO MEXICANO - Generación de METANO MODELO LADGEM - TOTAL BIOGAS
En concordancia con la tabla 8 y gráfica 5 y 6, se verificó que la cantidad de
BIOGÁS producido en base a la generación de residuos sólidos, obtuvo valores máximos
tales como 14 002 687,62 m3/año respecto a la generación de metano (para el año 2066),
correspondiendo un valor de 28 005 375,25 m3/año (De total de Biogás generado,
incluyendo Metano y Dióxido de carbono), o su equivalente en las unidades m3/h cuyo
valor máximo fue de 1 598.48 m3/h y 3 196,96 m3/h respectivamente a los datos
mencionados (para el año 2066), para el caso contrario, es decir para los valores mínimos,
se obtuvieron: 474 580,09 m3/año respecto a la generación de metano (para el año 2019),
o su equivalente en m3/h, cuyo valor mínimo fue de 54.18 m3/h (para el año 2019) y para
la generación total de biogás (es decir Metano + Dióxido de Carbono), los valores fueron
949 160.17 m3/año o su equivalente 108,35 m3/h; Finalmente se obtuvo una generación
promedio de residuos sólidos de 54 620,82 T/año o Mg/año en el año 2065, y finalmente
como total se obtuvo 1 930 307,71 Mg/año o T/año, para el periodo comprendido desde
el año 2018, hasta el 2065.
3.4. Análisis Comparativo entre ambos Modelos Matemáticos para estimación de
BIOGAS – EPA Y MEXICANO 2.0
Como ya se establecieron las proyecciones o estimaciones para la generación de
Biogás tanto con el modelo EPA, como con el Modelo Mexicano 2.0
Tabla 2: Generación de Biogás (m3/año y m3/h), para el periodo temporal desde el
2018, hasta el 2065 – “MODELO MATEMÁTICO MEXICANO 2.0”.
Año
RSU
Tn/año
MODELO EPA
MODELO MEXICANO
m3/año
m3/hr
m3/año
m3/hr
2018
28548.77
0.00
0
0.00
0
2019
28945.60
666840.71
76.12
949 160.17
108.35
2020
29347.94
1301159.22
148.53
1 865 222.58
212.92
2021
29755.88
1904541.65
217.41
2 749 984.82
313.93
2022
30169.49
2478496.77
282.93
3 605 159.34
411.55
2023
30588.84
3024459.76
345.26
4 432 377.67
505.98
2024
31014.03
3543795.83
404.54
5 233 194.41
597.40
2025
31445.12
4037803.58
460.94
6 009 090.96
685.97
2026
31882.21
4507718.29
514.58
6 761 479.19
771.86
2027
32325.37
4954714.99
565.61
7 491 704.84
855.22
2028
32774.70
5379911.40
614.15
8 201 050.79
936.19
2029
33230.26
5784370.73
660.32
8 890 740.14
1014.93
2030
33692.16
6169104.36
704.24
9 561 939.21
1091.55
2031
34160.49
6535074.30
746.01
10 215 760.31
1166.18
2032
34635.32
6883195.67
785.75
10 853 264.44
1238.96
2033
35116.75
7214338.97
823.55
11 475 463.80
1309.98
2034
35604.87
7529332.22
859.51
12 083 324.27
1379.38
2035
36099.78
7828963.07
893.72
12 677 767.63
1447.23
Año
RSU
Tn/año
MODELO EPA
MODELO MEXICANO
m3/año
m3/hr
m3/año
m3/hr
2036
36601.56
8113980.74
926.25
13 259 673.83
1513.66
2037
37110.33
8385097.95
957.20
13 829 883.03
1578.75
2038
37626.16
8642992.60
986.64
14 389 197.58
1642.60
2039
38149.16
8888309.59
1014.65
14 938 383.94
1705.29
2040
38679.44
9121662.33
1041.29
15 478 174.45
1766.92
2041
39217.08
9343634.32
1066.62
16 009 269.05
1827.54
2042
39762.20
9554780.61
1090.72
16 532 336.90
1887.25
2043
40314.89
9755629.17
1113.66
17 048 017.93
1946.12
2044
40875.27
9946682.23
1135.47
17 556 924.32
2004.22
2045
41443.44
10128417.53
1156.21
18 059 641.90
2061.60
2046
42019.50
10301289.49
1175.95
18 556 731.45
2118.35
2047
42603.57
10465730.38
1194.72
19 048 730.03
2174.52
2048
43195.76
10622151.40
1212.57
19 536 152.15
2230.15
2049
43796.18
10770943.68
1229.56
20 019 490.93
2285.33
2050
44404.95
10912479.27
1245.72
20 499 219.18
2340.09
2051
45022.18
11047112.08
1261.09
20 975 790.46
2394.50
2052
45647.99
11175178.78
1275.71
21 449 640.07
2448.59
2053
46282.49
11296999.59
1289.61
21 921 185.99
2502.42
2054
46925.82
11412879.13
1302.84
22 390 829.78
2556.03
2055
47578.09
11523107.16
1315.42
22 858 957.44
2609.47
2056
48239.42
11627959.31
1327.39
23 325 940.20
2662.78
2057
48909.95
11727697.75
1338.78
23 792 135.35
2715.99
2058
49589.80
11822571.89
1349.61
24 257 886.91
2769.17
2059
50279.10
11912818.97
1359.91
24 723 526.40
2822.32
2060
50977.98
11998664.65
1369.71
25 189 373.46
2875.50
2061
51686.57
12080323.58
1379.03
25 655 736.52
2928.74
2062
52405.01
12157999.96
1387.90
26 122 913.38
2982.07
2063
53133.44
12231888.01
1396.33
26 591 191.82
3035.52
2064
53872.00
12302172.51
1404.36
27 060 850.13
3089.14
2065
54620.82
12369029.19
1411.99
27 532 157.65
3142.94
2066
0.00
12432625.23
1419.25
28 005 375.25
3196.96
Nota: Desarrollo y elaborado propiamente por el autor.
Imagen 6: Generación de Biogás (m3/año y m3/h), para el periodo temporal desde el
2018, hasta el 2065 – “MODELO MATEMÁTICO MEXICANO 2.0”.
Nota: Desarrollo y elaborado propiamente por el autor.
En concordancia con la tabla 9 y gráfica 7, se verificó que la cantidad de BIOGÁS
producido en base a la generación de residuos sólidos, obtuvo valores máximos tales
correspondiendo un valor de 28 005 375,25 m3/año (De total de Biogás generado,
incluyendo Metano y Dióxido de carbono), o su equivalente en las unidades m3/h cuyo
valor máximo fue de 1 598.48 m3/h para la estimación mediante el MODELO
MEXICANO DE BIOGÁS y 12 432 625.23 m3/año respectivamente a los datos
mencionados (para el año 2066), para la estimación mediante el MODELO
MATEMÁTICO EPA, constituyendo un ratio de 2,25, obteniendo la mayor cantidad el
MODELO MEXICANO 2.0 DE BIOGÁS, para el periodo comprendido desde el año
2018, hasta el 2065, en la provincia de JAÉN.
conclusiones
La gestión adecuada de los residuos sólidos emerge como un elemento crucial al
considerar su potencial para la generación de biogás en Jaén, Cajamarca. La complejidad
del proceso de descomposición, desde la fase aeróbica hasta la estabilización, resalta la
importancia de comprender la dinámica temporal y los factores ambientales involucrados.
La variedad de modelos matemáticos, como la metodología por defecto del IPCC y
el modelo cinético de primer orden, proporciona herramientas flexibles para estimar con
precisión la producción de biogás, adaptándose a diferentes niveles de detalle y
disponibilidad de datos. La influencia directa de la gestión operativa del vertedero subraya
la necesidad de prácticas efectivas para optimizar la generación de biogás con el tiempo.
La proyección de emisiones, especialmente utilizando modelos matemáticos, ofrece
información estratégica para la planificación ambiental y energética. En este contexto, el
modelo LandGEM de la EPA destaca como una herramienta valiosa para calcular las
tasas de emisión del vertedero, proporcionando una ecuación de descomposición con
cinética de primer orden y permitiendo la estimación de varias emisiones asociadas con
la descomposición.
En conjunto, estas consideraciones apuntan a la necesidad de un enfoque integral,
que combine prácticas efectivas de gestión con modelos matemáticos avanzados, para
aprovechar plenamente el potencial de generación de biogás a partir de residuos sólidos
en Jaén, Cajamarca, con implicaciones positivas desde perspectivas tanto ambientales
como energéticas.
Se sugiere la implementación de instrumentos de medición de alta precisión para
llevar a cabo una estimación meticulosa de la generación de biogás a partir de residuos
sólidos en Jaén, ubicado en la provincia de Jaén, región de Cajamarca. Este enfoque
permitirá un estudio comparativo entre los valores reales obtenidos y los valores teóricos
propuestos en este proyecto de investigación académica, contribuyendo así a una
evaluación más precisa.
Recomendaciones
Es esencial establecer políticas y regulaciones sólidas a nivel nacional que
respalden la gestión integral de residuos sólidos y promuevan la generación de biogás
como fuente de energía renovable. Estas políticas pueden incluir incentivos fiscales y
subsidios para fomentar la inversión en infraestructura y tecnología relacionada con la
producción de biogás. La formación de alianzas estratégicas entre el gobierno, el sector
privado, las organizaciones no gubernamentales y la comunidad local es fundamental para
garantizar el éxito del proyecto. Estas alianzas pueden facilitar la colaboración en la
implementación de infraestructuras, la educación ambiental y otras actividades
relacionadas.
La realización de campañas de educación y sensibilización pública sobre la
importancia de la gestión adecuada de los residuos sólidos y el potencial del biogás como
fuente de energía alternativa es crucial. Estas campañas pueden incluir programas
educativos, talleres comunitarios, eventos públicos y campañas de medios de
comunicación. Proporcionar capacitación y desarrollo de capacidades a los actores clave
involucrados en el proyecto, como trabajadores municipales, gestores de residuos y
agricultores, es necesario para garantizar una implementación eficiente y efectiva. Esto
ayudará a maximizar los beneficios sociales, económicos y ambientales del proyecto.
Continuar con la investigación y el desarrollo tecnológico en el campo de la gestión
de residuos sólidos y la producción de biogás es esencial. Esto puede incluir la adaptación
de tecnologías existentes, la innovación en nuevos procesos y la mejora de la eficiencia y
la rentabilidad de las instalaciones de producción de biogás. Establecer sistemas de
monitoreo y evaluación continua para evaluar el impacto del proyecto en términos de
generación de biogás, reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y otros
aspectos es fundamental. Esto permitirá realizar ajustes y mejoras en el proyecto a lo largo
del tiempo.
Crear incentivos para fomentar la inversión privada en proyectos de gestión de
residuos sólidos y producción de biogás es importante. Esto puede incluir esquemas de
financiamiento innovadores, como préstamos blandos y certificados de emisiones de
carbono, que ayuden a mitigar los riesgos y mejorar la rentabilidad de las inversiones.
Implementar estas recomendaciones puede contribuir significativamente a la
implementación exitosa del proyecto a gran escala en el Perú, maximizando los beneficios
sociales, económicos y ambientales para el país y sus comunidades.
Referencias
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