biodigestores como oportunidade no manejo de dejetos_otenio 26_08_2016_ufv
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Biodigestores como oportunidade no manejo de
dejetos
III Workshop de Bioenergia Perspectivas do Setor de Biogás
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Apresentação» Introdução;
» Indicadores da viabilidade para montagem e operação de biodigestores;
» Processo de biodigestão;
» Entradas (água e dejetos);
» Biodigestor;
» Biofertilizante;
» Biogás;
» Conjunto moto-gerador;
» Conjunto motor bomba;
» Aspectos bioquímicos;
» Variáveis envolvidas no processo de biodigestão;
» Viabilidade econômica;
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Introdução Transformações
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Consequências
» Dejetos;
» Mau cheiro;
» Ambiente;
» Emissão de GEE;
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Biodigestor é um equipamento utilizado para o processamento de matéria orgânica, como, por exemplo, fezes, urina e sobras da suinocultura. O biodigestor proporciona as condições necessárias para que as bactérias atuem sobre a biomassa para a produção de biogás e biofertilizante.
Biogás: É uma mistura de gases contendo, aproximadamente, 75%de CH4 e 25% de CO2.
Biofertilizante: Matéria orgânica rica em elementos minerais, possuindo grande capacidade de recuperação de solos degradados.
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Indicadores da viabilidade da montagem e operação de biodigestores
» Disponibilidade de dejetos e espaço físico a fim de viabilizar a construção do biodigestor;
» Tempo e mão de obra disponível para manejo diário;
» Conhecimento técnico de como utilizar os insumos adquiridos pela biodigestão;
» Disponibilidade de equipamentos para utilização do biogás produzido;
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Processo de biodigestão
Esquema do funcionamento de biodigestoresFonte. Hubner (2005)
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Água Residuária
Entende-se por água residuária, a água descartada após utilização em diversas atividades ou processos. A produção pecuária gera grande quantidade de água residuária nas diversas etapas do processo.
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Quantidade de dejetos produzido pelos animais
ENSMINGER, M. E., OLDFIELD, J.E. , HEINEMANN, W.W. Feeds & Nutr. 2 ed., California: The Ensminger Publishing Company, 1990. p.1544.
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BiodigestoresHá dois tipos de biodigestores.
• Descontínuo
• Contínuo
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Biodigestores descontínuos» Específico para biomassas de decomposição lenta;
» Recebe carga total, retendo-a até terminar o processo de biodigestão ;
» Ao término do processo, o biodigestor é totalmente esvaziado;
» Para um novo processo, o biodigestor deve ser novamente carregado;
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Biodigestores contínuos
» Mais difundido;
» Se adapta a maioria das biomassas;
» Cargas diárias ou periódicas;
» Descarrega o biofertilizante de forma contínua;
» São os sistemas mais difundidos, sendo os modelos chinês e indiano são os mais conhecidos;
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Biodigestor modelo chinês
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Biodigestor modelo indiano
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Biodigestor modelo canadense » Modelo horizontal;
» Caixa de carga em alvenaria e com a largura maior que a profundidade;
» Área maior de exposição do sol Grande produção de biogás;
» Amplamente difundido: é a tecnologia mais utilizada;
» O biogás pode ser enviado para um gasômetro separado;
» A localização do biodigestor é de grande importância, ima vez que afeta o sucesso ou a falha do sistema;
» Deve estar pelo menos entre 30 e 50 metros de distância de qualquer fonte de água para evitar contaminações;
» Deve estar localizado, preferencialmente, em área protegida de ventos frios e onde a temperatura permanece relativamente estável, tentando receber o máximo de energia solar;
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Biofertilizante
Possui grande capacidade de recuperar os solos degradados!
Matéria orgânica rica em elementos minerais.
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Composição básica do biofertilizante
Macro e Micronutrientes
Nitrogênio Enxofre Molibdênio
Fósforo Sódio Boro
Potássio Ferro Cobre
Cálcio Cloro Zinco
Magnésio Sílica Manganês
A composição varia de acordo com a matéria-prima fermentada.
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Corretor de acidez (pH = 7,5)
Dificulta a multiplicação de fungos não benéficos.
Ação do Biofertilizante no solo
» Mantém os sais minerais em formas aproveitáveis pelas plantas, evitando que esses sais sejam levados pelas águas;
» Melhora a estrutura e a textura, deixando-o mais fácil de ser trabalhado e facilitando a penetração das raízes;
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» Dá firmeza ao solo, de modo que resistam à ação desagregadora da água;
» Deixa a terra com estrutura mais porosa, permitindo maior penetração do ar;
» Favorece a multiplicação das bactérias, fixando o nitrogênio atmosférico;
» Aumenta a produtividade e reduz o perigo de infestações nas lavouras;
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Biogás
O biogás gerado é canalizado e direcionado a um motor/gerador de energia a partir de biogás. A energia elétrica gerada é usada para o funcionamento dos equipamentos utilizados no sistema de produção. A concentração de gás metano produzida pela biodigestão anaeróbia atingiu um pico de 70% no verão a uma temperatura média de 30ºC, sendo a menor concentração de 56%, a aproximadamente, 24ºC.
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Características do Biogás
Composição do Biogás:
» O metano é altamente combustível e inflamável, produzindo chama azul-clara e queimando em CO2 e H2O;
» Possui alto poder calorífico;
» Sua qualidade depende do metano presente na mistura, ou seja, quanto maior for a quantidade de metano, melhor será o biogás em termos energéticos;
Fonte: LA FARGE (1979), APPUD COLDEBELLA (2006)
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Capacidade de Geração de Biogás
» A geração de biogás depende da característica do resíduo, que é o substrato para o crescimento dos micro-organismos;
» A dieta dos animais e sistema digestório, interferem na distinção dos resíduos quanto à potencialidade de produção de biogás;
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Conjunto moto-gerador
Equipado com um quadro de comando para monitorar o seu funcionamento.
Motor originalmente a gasolina/diesel adaptado para o biogás
Gerador de energia elétrica
acoplado
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Motor-gerador
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Conjunto motor-bomba
Utilizado para o bombeamento dos efluentes líquidos (biofertilizante)
Motor originalmente a gasolina/diesel, convertido para o biogás
Bomba d’água acionada por um motor elétrico
acoplado
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Motor-bomba
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Fundamentos bioquímicos para a produção de biogás
Hidrólise
As enzimas produzidas pelas bactérias transformam polímeros, como amido e proteínas, em monômeros, como açúcares e aminoácidos.
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Acidogênese
Na acidogênese, esses monômeros são transformados em ácidos graxos voláteis (AGV), como ácido butírico e ácido propiônico.
Material orgânico simples
Ácidos orgânicos simples
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Acetogênese
Na acetogênese, esses ácidos graxos voláteis são transformados em ácido acético, gás carbônico e hidrogênio gasoso.
Ácidos graxos voláteis
CO2
H2
Ácido acético
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Metanogênese
O Ácido acético é transformado em metano e gás carbônico pelas bactérias metanogênicas acetoclásticas e o gás carbônico e o hidrogênio são combinados, formando metano, pelas bactérias metanogênicas hidrogenotróficas.
AcetatoCO2
H2
METANO
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Variáveis envolvidas no processo de biodigestão » Temperatura;
» Tempo de retenção hidráulica
» Teor de sólidos
» Concentração de nutrientes
» Concentração de sólidos voláteis
» Substâncias tóxicas
» pH
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Temperatura» A temperatura de operação do digestor, é considerado um
dos principais parâmetros, devido à grande influência deste fator na taxa de digestão anaeróbia;
» A velocidade da reação depende da velocidade de crescimento dos micro-organismos envolvidos, que por sua vez dependem da temperatura;
Aumento da temperatura
Velocidade de crescimento de micro-organismos é
acelerada
Aumento da produção de
biogás
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» As variações bruscas de temperatura no digestor pode desencadear a desestabilização do processo;
» Existem três intervalos de temperatura em que se pode trabalhar com micro-organismos anaeróbicos:
» Psicrófilos (abaixo de 25 oC);
» Mesófilos (25 a 45 oC);
» Termófilos (entre 45 e 65 oC);
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Tempo de retenção hidráulica» É o tempo necessário para a mistura ser digerida no digestor;
» Ocorre quando a produção de gás é máxima, definindo o ponto de melhor qualidade do biogás no processo de biodigestão anaeróbia;
» O tempo de retenção é determinado, num processo contínuo, pela relação entre volume do biodigestor e o volume diário de carga introduzida;
» Usualmente, o TRH é de 30 a 45 dias;
» Em algumas situações é possível a existência do biogás logo na primeira semana;
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Teor de sólidos
» Material residual que fica em uma cápsula após secagem até peso constante em estufa em temperatura elevada (105oC);
» Falta de água: pode provocar entupimento na tubulação;
» Excesso de água: pode atrapalhar o processo da hidrólise, pois é exigida uma elevada carga de biomassa para que a mesma se processe adequadamente;
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Concentração de nutrientes
» São necessários macro e micronutrientes do processo anaeróbio para a síntese de nova de biomassa;
» Deve existir uma relação carbono/nitrogênio mantida entre 20:1 e 30:1;
» EXCESSO DE NITROGÊNIO: pode levar a redução da produção de biogás, podendo ter como produto final compostos nitrogenados como a amônia ( NH3);
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Concentração de sólidos voláteis» É a porção de sólidos totais que é liberada de uma amostra,
volatilizando-se quando aquecida até peso constante a 600oC;
» Os SV contêm componentes orgânicos, que, teoricamente, deveriam ser convertidos em metano;
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Substâncias tóxicas
Podem “contaminar” o esterco, afetando as bactérias envolvidas no processo.
Uso de desinfetantes, antibióticos e bactericidas.
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Viabilidade Econômica segundo COLDEBELLA, 2006» Propriedade 1:
» 130 bovinos;
» Biodigestor com 7 x 40 x 3 m de largura, comprimento e profundidade, respectivamente;
» O sistema aproveita toda água de lavagem da sala de ordenha e do barracão de confinamento;
» O biofertilizante é utilizado para fertirrigação;
» O biogás é utilizado para produção de energia elétrica, por meio de um conjunto motor-gerador instalado na propriedade;
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» Propriedade 2
» 1000 matrizes;
» Biodigestor com 10,5 x 55 x 4,5m de largura, comprimento e profundidade, respectivamente;
» Bioofertilizante é utilizado para fertirrigação;
» O biogas é utilizado para produção de energia elétrica.
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Produção de biogás
SV – sólidos voláteis; 1 – chorume diluído com águas de lavagem; 2 – chorume não diluído e sem material constituinte das camas dos animais, diluições podem variar entre 1:0,5 e 1:7, palha para cama entre 1 a 3 kg/animal/dia. (Fonte: Coldebella, 2006)
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O sistema de manejo e a quantidade de animais determinam a capacidade de produção de biogás.
» Propriedade 1:
» Propriedade 2:
127,4 m3/biogás/dia.130 Vacas.
0,980 m3/animal/dia de biogás.
933 m3/biogás/dia.1000
Porcas. 0,933 m3/animal/dia de biogás.
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Eficiência (%) = (energia produzida kWh/m3 / 6,5 kWh/m3) * 100
1 m3 de biogás equivale a 6,5 kWh
A energia produzida kWh/m3 é obtida convertendo-se a potência gerada em HP para kWh. Com essa conversão calcula-se a produção de energia em kWh/m3.
1HP equivale a 0,746 kW
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O gasômetro é conectado ao motor-gerador ou motor-bomba, que permanece em funcionamento até que o biogás seja totalmente
consumido.
A implantação do biodigestor equivale a, aproximadamente, R$ 200,00/suíno e do conjunto motor-gerador cerca de R$ 440,00/kW.
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Tempo de retorno de investimentoO tempo de retorno do investimento está em função do tempo de operação do equipamento, quanto menor for o tempo de operação, maior será o custo da energia elétrica.
» Propriedade 1:
» Tempo de operação: 2,5h/dia;
» Implantação do biodigestor: R$ 50.000,00;
» Motor-gerador: R$ 20.000,00;
» Produção de 44 kWh de energia elétrica;
» Propriedade 2:
» Tempo de operação: 10h/dia;
» Implantação do biodigestor: R$ 100.000,00;
» Motor-gerador: R$ 20.000,00;
» Produção de 36 kWh de energia elétrica;
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Custo da eletricidade (MWh) para as propriedades, de acordo com o tempo de amortização e tempo de operação do gerador:
Propriedade 1:
Propriedade 2:
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O tempo de retorno deste investimento está relacionado com o valor pago pelo produtor por kWh à concessionária de energia elétrica.
Quanto maior for o tempo diário de operação do sistema, menor será o tempo de retorno do investimento.
Para propriedades rurais o custo cobrado gira em torno de R$ 300,00/MWh.
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Tempo de retorno do investimento para a propriedade 1.
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Tempo de retorno do investimento para a propriedade 2.
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Somando-se a produção de energia elétrica à economia gerada pelo uso do biogás com o sistema de bombeamento para
irrigação, reduz o tempo de retorno do investimento.
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1000 su1000 suíínos 2500 kg de estrume por dianos 2500 kg de estrume por dia
ProduProduçãção dio diáária de biogria de biogáás (0,089 ms (0,089 m33/kg estrume) /kg estrume) 225 m225 m33 (7,5 botij(7,5 botijõões de GLP por dia ou 2.737 es de GLP por dia ou 2.737 botijbotijõões por ano, ou seja, R$ 60.225,00) es por ano, ou seja, R$ 60.225,00)
Fertilizante Fertilizante R$ 70.000,00R$ 70.000,00
POTENCIAL PARA 1000 SUPOTENCIAL PARA 1000 SU ÍÍNOSNOS
90.000 kg de carne por 5,5 meses90.000 kg de carne por 5,5 meses
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100 vacas 2500 kg de estrume por dia100 vacas 2500 kg de estrume por dia
ProduProduçãção dio diáária de biogria de biogáás s (0,0409 m(0,0409 m33/kg /kg estrume) = 100 mestrume) = 100 m33 (3,33 botij(3,33 botijõões de GLP por dia es de GLP por dia ou 1215 botijou 1215 botijõões por ano, ou seja, R$ 26.730,00) es por ano, ou seja, R$ 26.730,00)
Fertilizante Fertilizante R$ 40.000,00R$ 40.000,00
POTENCIAL PARA 100 VACASPOTENCIAL PARA 100 VACAS
2500 kg de leite por dia2500 kg de leite por dia
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Produtividade
Meio Ambiente
Saúde
• Aumento de forragem• Redução de custos energéticos
• Preservação da vegetação local• Melhoria da
qualidade do solo
• Melhoria da qualidade do ar no ambiente doméstico
• Melhoria das condições sanitárias
Fonte: adaptado de Instituto WINROCK, (2008)
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