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CENTRO UNIVERSITÁRIO UNIVATES
CURSO DE ENGENHARIA AMBIENTAL
BIOGÁS GERADO A PARTIR DE LODO DE ESTAÇÃO DE
TRATAMENTO DE EFLUENTES SUPLEMENTADO COM
ÓLEO VEGETAL RESIDUAL
Alan Nelson Arenhart Heberle
Lajeado, novembro 2013
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Alan Nelson Arenhardt Heberle
BIOGÁS GERADO A PARTIR DE LODO DE ESTAÇÃO DE
TRATAMENTO DE EFLUENTES SUPLEMENTADO COM
ÓLEO VEGETAL RESIDUAL
Trabalho de Conclusão de Curso II, apresentado
ao Curso de Engenharia Ambiental, do Centro
Universitário UNIVATES, como parte da
exigência para obtenção do título de Bacharel em
Engenharia Ambiental.
Orientador: Prof. Dr. Odorico Konrad
Lajeado, novembro de 2013
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AGRADECIMENTOS
Agradecimento em especial à minha família, meus pais Dalor e Noêmia pelo exemplo,
incentivo, dedicação e cobrança, também pelos ensinamentos de vida e caráter. À minha
querida irmã Danusa e em especial à minha namorada Michele.
Ao meu orientador Odorico Konrad que me proporcionou muitos ensinamentos desde
o início da graduação, pelos estímulos, críticas e principalmente pela amizade.
Aos colegas de trabalho do PISR/UNIVATES, em especial à Cátia Gonçalves e ao
Guilherme Taufer.
Aos estagiários e bolsistas do Laboratório de Biorreatores da UNIVATES, pelo auxílio
na execução deste trabalho, em especial à Marluce Lumi.
Aos colegas, principalmente aos amigos de sala de aula pela ajuda mútua durante os
sete anos de graduação, sem vocês teria sido muito mais difícil.
Enfim, a todos que de alguma forma ou de outra, me estimularam e/ou contribuíram
para realização deste trabalho.
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RESUMO
Devido ao desenvolvimento da sociedade e a busca por energias renováveis, a produção de
biogás através de efluentes orgânicos gerados nas atividades humanas, juntamente com
resíduos de óleos vegetais surge como alternativa para diversificar a matriz energética. Sendo
assim, o presente trabalho de conclusão de curso avaliou em escala laboratorial a geração de
biogás através da digestão anaeróbia, utilizando lodos de estação de tratamento de efluentes
codigerido com óleo vegetal residual. O estudo foi realizado no Laboratório de Biorreatores
do Centro Universitário UNIVATES. Para o experimento, foram utilizados 24 reatores, destes
selecionados 12 que obtiveram as melhores produções de biogás, e mantidos a temperatura
constante de 37°C. Os reatores foram divididos em quatro triplicatas identificadas como
Controle (sem adição de óleo), óleo 3%, óleo 6% e óleo 9%. Os resultados apresentaram
rendimentos consideráveis em termos de geração biogás, sendo este com alto teor de metano,
viabilizando neste caso a aplicação de óleo vegetal residual em lodo de estação de tratamento
de efluentes como cosubstrato.
Palavras-chave: Biogás, Óleo vegetal residual, Biodigestão anaeróbia, Lodo e Energias
renováveis.
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ABSTRACT
Due to the development of society and the search for renewable energy, biogas production
using organic waste generated by human activities, along with waste vegetable oil is an
alternative to diversify the energy matrix. Thus, this study evaluated the conclusion of the
course in laboratory scale biogas generation through anaerobic digestion, using sludge
treatment plant effluent co-digested with vegetable oil waste. The study was conducted at the
Laboratory of Bioreactor University Center UNIVATES. For the experiment, we used 24
reactors, these selected 12 who obtained the best biogas production, and maintained at a
constant temperature of 37 ° C. The reactors were divided into four triplicate identified as
Control (without oil), oil 3% Oil 6 % and 9% oil . The results showed considerable income in
terms of generating biogas, which is with high methane content, in this case enabling the
application of vegetable oil residual sludge from sewage treatment as co-substrate.
Keywords: Biogas, Waste vegetable oil, Anaerobic digestion, Sludge and Renewables
energy.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Matriz energética: fontes de energia utilizadas no mundo ...................................... 17
Figura 2 – Oferta interna de energia elétrica por fonte – 2011 ................................................. 19
Figura 3 – Etapas da digestão anaeróbia .................................................................................. 29
Figura 4 – Estrutura química do óleo de soja ........................................................................... 33
Figura 5 – Imagem indicando o reator 1 (R1), reator 2 (R2), ponto de coleta do lodo (PC) e
balão para armazenamento do biogás (AB) .............................................................................. 37
Figura 6 - Reatores acondicionados na incubadora e conectados ao sistema automatizado de
medição de biogás .................................................................................................................... 37
Figura 7 – Tubo em forma de “U” com sensor óptico para a leitura do volume de biogás gerado
durante o experimento...............................................................................................................38
Figura 8 – Circuito eletrônico para quantificar a produção de biogás...................................... 39
Figura 9 – Sensor utilizado para determinação de metano presente no biogás ........................ 39
Figura 10 – Equipamento para medições de DBO5 da marca Oxitop® .................................... 40
Figura 11 – Reator com aplicação de 9% de óleo (1) e após três dias de digestão (2)............. 45
Figura 12 – Reator no terceiro dia após aplicação de 9% de óleo com posterior agitação ...... 45
Figura 13 – Gráfico de geração de biogás e percentual de metano da triplicata Controle (sem
adição de óleo) durante 35 dias de experimentação ................................................................. 46
Figura 14 – Gráfico de geração de biogás e percentual de metano da triplicata 3% de óleo
residual vegetal durante 72 dias de experimentação ................................................................ 47
Figura 15 - Gráfico de geração de biogás e percentual de metano da triplicata 6% de óleo
residual vegetal durante 85 dias de experimentação ................................................................ 48
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Figura 16 – Gráfico de geração de biogás e percentual de metano da triplicata 9% de óleo
residual vegetal durante 85 dias de experimentação ................................................................ 49
Figura 17 – Volume médio de biogás acumulado em cada triplicata ....................................... 51
Figura 18 – Volume médio de metano acumulado em cada triplicata ..................................... 52
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Representação do percentual da produção de energia primaria no Brasil .............. 18
Tabela 2 – Representação do percentual da oferta interna de energia (OIE) no Brasil ............ 18
Tabela 3 – Composição do lodo de estação de tratamento de esgoto Chinesa ......................... 22
Tabela 4 – Composição do lodo de estação de tratamento de efluente da região .................... 23
Tabela 5 – Combustíveis utilizados nos dias de hoje, e sua equivalência ao biogás................ 23
Tabela 6 – Resultados obtidos com aplicação de glicerina em lodo ........................................ 35
Tabela 7 – – Parâmetros analisados da amostra pré tratamento (lodo) e das amostras Controle,
3%, 6% e 9% de óleo pós experimentação. .............................................................................. 42
Tabela 8 – Rendimento de biogás em porcentagem e volume (L) gerado em cada ciclo após
aplicação de óleo em relação ao volume total de cada triplicata .............................................. 50
Tabela 9 – Correlação de Pearson (r) ....................................................................................... 52
Tabela 10 – Teste de Turkey .................................................................................................... 52
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica
AOAC - Association of Official Analythical Chemistry – Associação Oficial de Química
Analítica
bar – Unidade de pressão
CH4 – Metano
C/N - Proporção entre carbono e nitrogênio disponível no meio
ºC - Escala de temperatura em graus Celsius
CO2 – Dióxido de carbono
C – Carbono
DBO - Demanda Bioquímica de Oxigênio
g/kg - Concentração em gramas por kilogramas de determinada subtância
H2S – Sulfeto de hidrogênio
IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change - Painel Intergovernamental sobre
Mudanças Climáticas
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K - Potássio
L – Litro
mL - Mililitro
MME – Ministério de Minas e Energia
mg/kg - Concentração em miligramas por kilograma de determinada substância
MCR - Coenzima M-redutase
N – Nitrogênio
NaCl – Cloreto de Sódio
OIE - Oferta Interna de Energia
PROINFA - Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica
P - Fósforo
pH – Potencial hidrogenionico
ppm - concentração em partes por milhão
SF – Sólidos fixos
ST – Sólidos totais
SV – Sólidos voláteis
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SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 12
1.1 Objetivos gerais ................................................................................................................ 14
1.1.1 Objetivos específicos ...................................................................................................... 14
2 REFERENCIAL TEORICO .............................................................................................. 16
2.1 Matriz energética mundial ............................................................................................... 16
2.1.1 Geração energética brasileira ....................................................................................... 17
2.1.2 Geração de energia elétrica .......................................................................................... 18
2.1.3 Biomassas como fonte de energia ................................................................................. 20
2.2 Geração de lodo ................................................................................................................ 21
2.2.1 Impacto do lodo aplicado diretamente no meio ambiente ......................................... 21
2.2.2 Caracterização do lodo proveniente de estação de tratamento de efluentes ............ 22
2.3 Biogás ................................................................................................................................. 23
2.3.1 Caracterização do biogás .............................................................................................. 24
2.3.1.1 Vantagens referente à produção de biogás .............................................................. 25
2.3.1.2 Desvantagens referentes à produção de biogás ........................................................ 25
2.3.2 Metano ............................................................................................................................ 25
2.3.3 Purificação do biogás .................................................................................................... 26
2.3.4 Compressão do biogás ................................................................................................... 26
2.3.5 Conversão energética .................................................................................................... 26
2.3.6 Utilização de lodo para produção de biogás ................................................................ 27
2.4 Biodigestor ......................................................................................................................... 27
2.5 Digestão anaeróbia ........................................................................................................... 28
2.5.1 Fases da digestão anaeróbia ......................................................................................... 29
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2.5.2 Inibidores ........................................................................................................................ 30
2.5.3 Fatores que influenciam na produção do biogás ........................................................ 31
2.5.3.1 Impermeabilidade ao ar ............................................................................................. 31
2.5.3.2 Temperatura ............................................................................................................... 31
2.5.3.3 pH ................................................................................................................................. 31
2.5.3.4 Quantidade de água .................................................................................................... 32
2.5.3.5 Nutrientes .................................................................................................................... 32
2.6 Óleo vegetal ....................................................................................................................... 32
2.7 Óleo vegetal residual ........................................................................................................ 33
2.8 Codigestão anaeróbia de resíduos orgânicos ................................................................. 34
3 METODOLOGIA ................................................................................................................ 36
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ...................................................................................... 42
4.1 Caracterização do substrato ............................................................................................ 42
4.2 Suplementação com compostos carbônicos .................................................................... 43
4.2.1 Relação C/N do substrato ............................................................................................. 44
4.3 Aspectos comportamentais do experimento ................................................................... 44
4.4 Quantificação do biogás e metano gerado nos testes ..................................................... 46
4.5 Determinação do percentual com melhor rendimento .................................................. 50
4.5.1 Análise estatística ........................................................................................................... 52
4.6 Comparação com outros autores .................................................................................... 53
5 CONCLUSÃO ...................................................................................................................... 55
REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 57
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1 INTRODUÇÃO
O constante desenvolvimento tecnológico e o significativo crescimento da população
mundial, aliados ao consumo exagerado dos recursos naturais, geram consequentemente um
incremento na demanda por alimentos e produtos industrializados e principalmente energia.
Neste sentido, os rejeitos gerados por estas atividades possuem altas concentrações de matéria
orgânica, podendo facilmente conduzir a um desequilíbrio ambiental quando não gerenciados
de maneira correta (HARRIS & ROACH, 2013).
A produção de energia para abastecer o desenvolvimento da humanidade é o principal
contribuinte de gases do efeito estufa, em particular o CO2, liberado para a atmosfera com a
queima de combustíveis fósseis. Como resultado, as emissões antrópicas realizadas pelo
homem aceleram o aquecimento global, que estão fundamentalmente ligadas à produção de
energia no futuro. Projeções de como a matriz energética global será desenvolvida durante o
próximo século são importantes para a avaliação das futuras mudanças climáticas causadas
pelo homem (HOOK & TANG, 2013).
O aumento do preço da energia, a segurança do abastecimento de combustíveis, a
redução de emissões de gases estufa, e a escassez de petróleo e gás são exemplos da
necessidade de uma matriz energética provida com mais energia renovável. Uma importante
fonte de energia renovável a ser utilizado é a biomassa, que pode ser aplicada para o calor, luz
e transporte (GOMES et al., 2013).
As fontes renováveis de energia terão participação cada vez mais notória na matriz
energética global nas próximas décadas. A crescente preocupação com as questões ambientais
e aquecimento global juntamente com o consenso mundial sobre a promoção do
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desenvolvimento em bases sustentáveis vêm estimulando a realização de pesquisas de
desenvolvimento tecnológico que vislumbram a incorporação dos efeitos da aprendizagem e a
consequente redução dos custos de geração dessas tecnologias (PROINFA, 2013).
Devido à necessidade de energias renováveis a produção de biogás gerado a partir de
resíduos orgânicos, vinculado a utilização para fins energéticos é um assunto amplamente
debatido. Anteriormente, o biogás era visto apenas como um subproduto da decomposição
anaeróbia de resíduos orgânicos sejam eles gerados por aterros de resíduos, estações de
tratamento de esgotos, pela biodigestão de culturas como cana de açúcar e vinhaça ou pela
digestão anaeróbica de biomassa residual (SALOMON & LORA, 2009).
Os efluentes oriundos de atividades industriais e agrícolas possuem elevadas taxas de
matéria orgânica, que deve ser degradada previamente ao seu lançamento final. Neste sentido
a digestão anaeróbia surge como alternativa de baixo custo e fácil manejo, servindo como
substrato para a produção de energia sob forma de biogás – CH4 (CASSINI, 2003).
Na maioria das grandes estações de tratamento de águas residuais (ou seja, aqueles
com o maior potencial para o uso de energia) o lodo geralmente é estabilizado por meio de
digestão anaeróbica. Este processo produz biogás, o qual é composto por vários tipos de
gases, tais como o metano, dióxido de carbono, nitrogênio e o sulfeto de hidrogênio, estes
dois últimos aparecem apenas na forma de traços, entre outros gases. No entanto, como pode
ser observado, biogás é principalmente composto de metano, possibilitando a geração de
energia (OSORIOA & TORRES, 2009).
Os óleos e/ou gorduras possuem moléculas de triacilgliceróis constituídos de três
ácidos graxos de cadeias carbônicas longas, os quais são ligados a uma única molécula do
glicerol. Estes ácidos graxos diferem pelo comprimento da cadeia carbônica, do número, da
orientação e da posição das duplas ligações presentes na cadeia (MAPA, 2008).
As principais fontes dos óleos e gorduras residuais são: lanchonetes e cozinhas
industriais, indústrias onde ocorre a fritura de produtos alimentícios, os esgotos municipais
onde a nata sobrenadante é rica em matéria graxa e água residual de processos de indústrias
alimentícias (BIODIESELBR, 2013).
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No Brasil menos de 1%, ou seja, 6 milhões e meio de litros desse óleo usado é
coletado, mais de 200 milhões de litros por mês são destinados incorretamente, indo para rios
e lagos, comprometendo o meio ambiente de hoje e do futuro (ECÓLEO, 2013).
Os lipídios são caracterizados como gorduras ou óleos e graxas. Estes têm uma
produção de metano teoricamente superior quando comparado com os carboidratos e
proteínas. Em combinação com lodo de esgoto, lipídios aumentam geralmente a baixa relação
C/N (carbono/nitrogênio) deste resíduo, resultando em alta produção de metano (PASTOR et
al., 2013).
Segundo dados levantados por Robra (2006), Konrad et al. (2010) e Backes (2011), a
codigestão de resíduos ricos em carbono com lodos de estação de tratamento de efluentes
obtiveram incremento significativo na geração de biogás e metano. Os óleos vegetais possuem
longas cadeias carbônicas, muitas vezes ramificadas e com ligações duplas (MAPA, 2013).
Esta fonte de carbono orgânico suplementa e equilibra a relação C/N, resultando num
aumento da produção de metano.
Os testes foram conduzidos em quatro grupos identificados como controle (sem adição
de óleo residual), óleo 3%, óleo 6% e óleo 9% da quantidade total do reator em estudo, o qual
foi preenchido com 0,6L de substrato. Estas concentrações foram estipuladas em função de
experimentos realizados por Schmitz et al. (2010), Konrad et al. (2010) e Amon et al. (2006)
nos quais se empregou glicerina nos percentuais de 3% e 6% e 9%.
1.1 Objetivos gerais
Avaliar em escala laboratorial o comportamento na produção de biogás utilizando lodo
de estação de tratamento de efluentes suplementado por óleo residual vegetal.
1.1.1 Objetivos específicos
a) Determinar diferentes percentuais de utilização de óleo residual vegetal como
suplementação em lodos na produção de biogás;
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b) Caracterizar através de análises físico-químicas o substrato utilizado pré e pós-
experimento de digestão anaeróbia;
c) Quantificar o biogás e o metano gerado na digestão anaeróbia dos experimentos
avaliados.
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2 REFERENCIAL TEÓRICO
Neste capítulo será apresentado o referencial teórico que embasa o trabalho, contendo
a relevância e exposição ordenada do assunto. O referencial teórico irá fundamentar,
evidenciar e debater os temas mais importantes e os relacionará com os objetivos deste
estudo.
2.1 Matriz energética mundial
Atualmente a busca por energia no mundo vem aumentando significativamente,
devido ao rápido crescimento populacional, intensa mecanização de sistemas e tecnologias
aplicadas. A maior parte dessa energia ainda é proveniente da queima de combustíveis fósseis
(81,1%), não renováveis. Biocombustíveis e biomassas representam 10% da energia utilizada
em todo o mundo, se considerar energia hidráulica como renovável, há uma parcela de 2,3%
na matriz energética mundial. A contribuição de cada tipo de energia utilizada no mundo,
como carvão mineral, óleo, gás natural, nuclear, hidráulica e biocombustíveis pode ser
observada na Figura 1 (IEA,2010).
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Figura 1 - Matriz energética mundial: fontes de energia utilizadas no mundo
Fonte: www.iea.org - IEA – International Energy Agency (2010).
2.1.1 Matriz energética brasileira
Com o intuito de ordem ambiental e social da redução da dependência de combustíveis
fósseis, aumentando a busca pela sustentabilidade através de geração de energia a partir de
fontes limpas e renováveis. O Brasil aparece em vantagem referente a outros países mais
desenvolvidos, por possuir uma matriz energética mais renovável (PROINFA, 2013).
As fontes renováveis no Brasil contribuem, atualmente, com 45,8% para a produção
de energia primária. No mundo a média é de 14%, em países desenvolvidos cai para 6% como
ilustrado na Tabela 1 (BRASIL, 2012). A diferença entre a oferta interna e o consumo final
energia é o que se gasta nos processos de transformação da energia primária (por exemplo, a
energia gasta para gerar energia elétrica ou para produzir os derivados de petróleo) (BRASIL,
2007).
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Tabela 1 – Representação percentual da produção de energia primária no Brasil Fontes 2010 2011
Não Renovável 52,6 54,2 Petróleo 42,1 42,4 Gás Natural 9,0 9,3 Carvão Vapor 0,8 0,8 Carvão metalúrgico 0,0 0,0 Urânio 0,7 1,6 Renovável 47,4 45,8 Hidráulica 13,7 14,3 Lenha 10,3 10,3 Produtos da Cana 19,3 16,9 Outros renováveis 4,1 4,4
Fonte: Balanço Energético Nacional (BRASIL, 2012).
O Balanço Energético Nacional de 2012 revela que em 2011 a matriz ou Oferta
Interna de Energia (OIE) é composta de 44,0% de fontes renováveis, com maior contribuição
os derivados da cana de açúcar (15,7%) seguido da hidráulica com 14,7%, demonstrado na
Tabela 2. A OIE é caracterizada por ser toda a energia disponibilizada para ser transformada,
distribuída e consumida nos processos produtivos do país (BRASIL, 2007; PROINFA, 2013).
Tabela 2 - Representação do percentual da oferta interna de energia (OIE) no Brasil Fontes 2010 2011
Não Renovável 54,9 55,9 Petróleo 37,8 38,6 Gás Natural 10,2 10,2 Carvão Mineral e Derivados 5,4 5,6 Urânio 1,4 1,5 Renovável 45,1 44,0 Hidráulica 14,0 14,7 Lenha 9,7 9,7 Produtos da Cana 17,5 15,7 Outros renováveis 3,9 4,1
Fonte: Balanço Energético Nacional (BRASIL, 2012).
2.1.2 Geração de energia elétrica
Neste contexto a matriz nacional possui ampla predominância com fontes renováveis,
pois mais de 81% da oferta interna de energia elétrica são de origem hidráulica, seguido de
6,6% proveniente de biomassa. Com isso o Brasil tem uma posição excelente quanto à energia
elétrica limpa, chegando em 88,5% de toda geração, de acordo com a Figura 2 (BRASIL,
2012).
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Figura 2 - Oferta interna de energia elétrica por fonte – 2011
Fonte: Balanço Energético Nacional (2012).
Devido à busca por uma matriz energética mais limpa e a falta de energia disponível
nos momentos de pico de consumo, e a ameaça de o suprimento energético instalado não
abastecer a crescente demanda nacional, a produção de energia de fontes alternativas está
sendo incentivada legalmente. As leis nº 10.438, de 26 de abril de 2002 e nº 10.762, de 11 de
novembro de 2003 resultaram no Programa de Incentivo as Fontes Alternativas de Energia
Elétrica – PROINFA, o qual busca diversificação da oferta de energia elétrica, ampliando a
participação de pequenas centrais hidrelétricas, biomassa e energia eólica (BRASIL, 2007). A
meta do programa é a implantação de 144 projetos de geração de energia elétrica (pequenas
centrais hidrelétricas, parques eólicos e termelétricas a biomassa), totalizando 3.300 MW de
potência instalada (BRASIL, 2007).
O principal dano ambiental associado à geração de energia elétrica proveniente de
combustíveis fósseis está relacionado ao aquecimento global. Estima-se que a Terra aquecerá
nos próximos séculos devido a utilização excessiva destes combustíveis (ZECCA & CHIARI,
2010). O fenômeno estufa ocorre de forma natural há muito tempo, devido a ele a temperatura
da Terra é mais estável e apropriada para a vida. Durante a queima do combustível há
liberação de gases estufa e consequentemente o aumento no mesmo provocando o
aquecimento global (HOOK & TANG, 2013).
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A vantagem em relação à energia renovável está principalmente na redução do
aquecimento global, mas a produção deste tipo de energia tem um custo elevado. No entanto,
se os danos ambientais causados na geração não renovável, somados ao desenvolvimento de
novas tecnologias, forem inseridos no custo de produção, definitivamente as formas de
geração de energias renováveis serão competitivas (IPCC, 2011).
2.1.3 Biomassa como fonte de energia
A biomassa é uma das fontes para produção de energia com maior potencial de
crescimento nos próximos anos. Tanto no mercado internacional quanto no interno, ela é
considerada uma das principais alternativas para a diversificação da matriz energética e a
consequente redução da dependência dos combustíveis fósseis. Dela é possível obter energia
elétrica e biocombustíveis, como o biodiesel e o etanol, cujo consumo é crescente em
substituição a derivados de petróleo como o óleo diesel e a gasolina (ANEEL, 2008).
Combustíveis provenientes de biomassa florestal e resíduos agrícolas podem ser
usados em usinas de energia com um baixo custo e qualidade competitiva em comparação aos
combustíveis fósseis. As tecnologias recentes têm mostrado potenciais muito maiores para a
utilização da energia a partir da biomassa, como consequência, a substituição de energia fóssil
é também maior (GOMES et al., 2013).
A geração de energia elétrica no Brasil provém essencialmente de duas fontes
energéticas, o potencial hidráulico e o petróleo, com grande predominância da primeira.
Apesar da importância dessas fontes, o Brasil dispõe de várias alternativas para geração de
energia elétrica, dentre as quais aquelas derivadas da biomassa (ANEEL, 2008).
A biomassa é considerada mais limpa, pois durante a combustão da matéria orgânica o
gás carbônico liberado é de origem não fóssil, ou seja, tem um ciclo completo, considerado
neutro (GOMES et al., 2013). A principal maneira de retirar a energia contida na biomassa é
através da combustão, gerando principalmente calor, CO2 e água. A geração de energia
elétrica proveniente da biomassa vem sendo empregada principalmente em sistemas de
cogeração (PROINFA, 2013).
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As vantagens do Brasil para a produção de biomassas estão vinculadas ao clima e,
principalmente, por possuir grandes extensões de terra para o cultivo em larga escala.
Principal bioenergia utilizada é proveniente do álcool, utilizado principalmente como
combustível veicular diretamente ou misturado à gasolina (GOMES et al., 2013).
O estado do Rio Grande do Sul tem alto potencial para a produção de biomassa,
devido a grandes áreas produtivas e ao clima. Uma abundante fonte de biomassa resíduos no
estado é a casca de arroz, geralmente queimada diretamente em caldeiras ou utilizada em
coprocessamento. Outro ramo bastante difundido é a bovinocultura, suinocultura e avicultura,
produzindo dejetos animais que podem ser empregados em biodigestores para produção de
biogás (GOMES et al., 2013).
2.2 Geração de lodo
No processo de tratamento de efluentes industriais e domésticos são empregadas
tecnologias para a remoção de matéria orgânica, entre elas o sistema de lodo ativado, na qual
ocorre a insuflação de ar para o crescimento de bactérias aeróbias que degradam o material
orgânico. Durante o tratamento há proliferação e crescimento de colônias bacterianas,
formando assim flocos que se tornam mais densos que o próprio efluente e acabam
precipitando (WILÉN et al., 2003).
2.2.1 Impacto do lodo aplicado diretamente no meio ambiente
Para Wang (1997) o lodo quando lançado diretamente no solo provoca grandes
impactos ambientais, entre eles a emissão de odores e poluição do ar. Patógenos também são
potencial perigo para os seres humanos, juntamente com matéria orgânica e produtos nocivos.
O lodo é constituído de grandes cargas de nutrientes, como nitrogênio, fósforo e potássio,
podendo ser lixiviado, contaminando águas superficiais e subterrâneas.
Petersen et al. (2003) enfatiza que estes resíduos orgânicos, quando manejados e
reciclados adequadamente, deixam de ser poluentes e se tornam insumos preciosos para
produção agrícola sustentável, nutrindo plantas com fontes de nutrientes e matéria orgânica,
aumentando a produção.
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Quando há disposição direta deste tipo de material sem qualquer tipo tratamento em
solo agrícola, contamina água subterrânea, também escoando para copos hídricos, onde ocorre
baixa no oxigênio dissolvido na água, impossibilitando a manutenção da vida e contaminando
o ambiente. Devido ao incremento da matéria orgânica na água há, consequentemente, o
aumento na demanda bioquímica de oxigênio e também por conta da introdução em excesso
de nutrientes, ocorre eutrofização. Outro fator relevante é a contaminação do solo e água por
compostos orgânicos nocivos e patógenos (CONTIN et al., 2012).
2.2.2 Caracterização do lodo proveniente de estação de tratamento de efluentes
O lodo é formado principalmente por água, restos de matéria orgânica e células
microbianas. Lodos provenientes de estação de tratamento de esgoto, ou efluentes oriundos de
processos com alta carga orgânica, possuem aproximadamente 75% de água, se tratando de
matéria seca são compostos principalmente por matéria orgânica, nitrogênio, fósforo,
potássio, entre outros compostos em menores proporções (TAO, 2012).
Tao et al. (2012), realizou estudo na China de caracterização de lodo proveniente de
estação de tratamento de esgoto, revelando que o lodo seco pode conter 13,8% - 17,9% de
matéria orgânica, 16 g/kg – 31,8 g/kg de nitrogênio total, 6,8 g/kg-13,1 g/kg de fósforo total e
2,2 g/kg - 3,1 g/kg de potássio total, os três nutrientes resultam em um teor médio de 15,65%
do total em massa, 23,76 g/kg, 9,9 g/kg e 2,58 g/kg respectivamente. Concentração e
disponibilidade de N, P e K apresentado na Tabela 3.
Tabela 3 – Composição do lodo de estação de tratamento de esgoto Chinesa Parâmetro N-Total P-Total K-Total N-Disponível P-Disponível K-Disponível Conteúdo
(mg/kg) 22000 6800 2300 1100 100 310
Fonte: Tao et al., (2012).
Estudos realizados previamente constataram que o lodo é constituído de percentuais de
sólidos totais mais baixos, segundo dados levantados em lodo de estação de tratamento de
efluentes de empreendimento alimentício por Salvadori et al.(2012). Verificando-se 7,54% de
matéria seca, nitrogênio total 2.968 mg/L, fósforo total 1.107,31 mg/L e 11.439,56 mg/L de
potássio total, também apresentado o percentual de sólidos voláteis e fixos na Tabela 4.
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Tabela 4 – Composição do lodo de estação de tratamento de esgoto da região. Parâmetro N-Total
mg/L P-Total
mg/L K-Total
mg/L Sólidos Totais
% Sólidos
Voláteis% Sólidos Fixos
% Conteúdo 2968 1107,31 11439,56 7,54 76,64 23,36
Fonte: Salvadori et al. (2012).
Konrad et al. (2010) publicou resultados de suas caracterizações com lodo proveniente
de estação de tratamento de efluentes orgânicos diversos, constatando uma concentração de
sólidos totais ainda mais baixa. Coletando-se dados referentes a porcentagem de sólidos totais
0,67%, voláteis 55,79% e fixos 44,21%.
2.3 O biogás
Devido a suas características o biogás é uma promissora fonte renovável de energia,
composto principalmente por metano CH4 (55-70%), CO2 (30-45%) e traços de outros gases.
Pode ser produzido a partir de uma grande variedade de matérias-primas orgânicas e utilizado
para diferentes propósitos energéticos. Sua produção ocorre quando os microrganismos
degradam materiais orgânicos, na ausência de oxigênio, também chamado de digestão
anaeróbia (LANTZ et al., 2006; DEUBLEIN & STEINHAUSER 2008).
A utilização do biogás como fonte de energia renovável diminui a emissão não só dos
gases de efeito estufa e do metano, mas também de óxidos de nitrogênio (NOx) e
hidrocarbonetos (KOMIYAMA et al., 2006).
O potencial energético do biogás está diretamente relacionado com a quantidade de
metano presente, o que irá determinar o seu valor calórico. A biodigestão pode reduzir o
potencial poluente das emissões dos resíduos orgânicos com alto teor de demanda bioquímica
de oxigênio, e ao mesmo tempo, produzir metano e gerar como resíduo do processo, um
adubo orgânico (SALOMON & LORA, 2009). A Tabela 5 apresenta a comparação entre
combustíveis utilizados frequentemente nos dias de hoje, e sua equivalência ao biogás.
Tabela 5 – Combustíveis utilizados nos dias de hoje, e sua equivalência ao biogás Combustível Quantidade equivalente a 1 m
3 de biogás
Lenha 1,450 kg Querosene 0,342L Gás Liquefeito de Petróleo (GLP) 0,396L Óleo diesel 0,358L Gasolina 0,312L
Fonte: Souza et al. (1981).
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Deublein & Steinhauser (2008), afirma que o biogás com concentração entre 55 – 70
% de metano e 30 – 45% de dióxido de carbono pode gerar até 6,5 kWh/m3. A composição do
biogás está diretamente relacionada à concentração de dióxido de carbono e metano. A adição
de compostos de hidrocarboneto de cadeia longa, materiais ricos em gordura com carbono de
fácil digestão, pode ajudar a melhorar a qualidade do gás, desde que as quantidades sejam
razoáveis para evitar a acidez do processo.
Ainda, Deublein & Steinhauser (2008), salienta que geralmente a digestão anaeróbia
da biomassa melhora com o aumento do tempo de exposição, porém o teor de metano
aumenta desproporcionalmente, especialmente logo que inicia o processo de hidrólise. O
processo de fermentação ocorre mais rápido se o material do biodigestor for uniforme e
homogêneo. O teor mais elevado de líquidos no biodigestor resulta no aumento de
concentração de CO2 dissolvido em água, reduzindo sua concentração no biogás. Quanto
maior a temperatura durante o processo de fermentação, mais baixa é a concentração de CO2
dissolvido em água.
2.3.1 Caracterização do biogás
Osorioa & Torres (2009), explica que o biogás é composto por vários tipos de gases,
tais como o metano (60-70%), CO2 (30-40%), nitrogênio (<1%), e o H2S (10-2000 ppm). No
entanto, como pode ser observado, o biogás é principalmente composto de metano.
Devido aos compostos químicos em menores proporções, o biogás tem efeito
corrosivo, sendo necessários cuidados especiais nos equipamentos. Esta característica é uma
consequência da presença de pequenas quantidades de sulfeto de hidrogênio (H2S), substância
que contêm enxofre, consideradas poluente do ar (KAPDI et al., 2005).
Cassini, (2003) alerta que biogás não é tóxico devido ao seu baixo teor de monóxido
de carbono (inferior a 0,1%), mas pequenas concentrações de sulfeto de hidrogênio tornam o
biogás corrosivo. A presença de H2S pode resultar em sérios problemas de saúde, caso houver
inalação dos gases após a combustão, pois durante a queima há ocorre a oxidação dos
compostos, consequentemente há a liberação de dióxido de enxofre (SO2) que é prejudicial
aos pulmões.
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2.3.1.1 Vantagens referente à produção de biogás
Segundo Bond & Templeton (2011), Kapdi et al. (2005), Costa (2006) e Salomon &
Lora (2009), as vantagens com relação à produção e digestão anaeróbia do lodo para a
produção de biogás são muitas, entre elas se destacam.
- Produção próxima a locais de consumo, evitando gastos com transportes e linhas de
transmissão;
- Diminuição de patógenos lançados diretamente ao solo;
- Obtenção natural de fertilizante rico em minerais;
- Redução no consumo de combustíveis de origem fóssil, evitando lançamento de
gases estufa;
- Fonte de energia com insumos renováveis;
-Significativa redução de emissões de metano na atmosfera.
2.3.1.2 Desvantagens referente à produção de biogás
- Alto custo de implantação;
- Purificação para geração de energia elétrica;
- Odor forte vinculado ao sulfeto de hidrogênio.
2.3.2 Metano
Componente majoritário do biogás, resultado da digestão anaeróbia da biomassa,
podendo ser gerado naturalmente pela natureza. Este gás possui o potencial calorífico,
determinando a qualidade do biogás em relação ao seu percentual de metano existente na
mistura de gases que compõem o biogás (CASSINI, 2003).
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Durante o processo biológico, ocorre naturalmente a formação do metano, o qual
contém energia química contida em suas ligações químicas entre hidrogênio e carbono. Ao
serem expostas ao oxigênio, são oxidadas e liberam sua energia química na forma de calor
(DEUBLEIN & STEINHAUSER, 2008).
2.3.3 Purificação do biogás
A presença de gases não combustíveis como o CO2, H2S e de vapor de água reduz o
potencial calorífico do biogás, pois estas substâncias não geram calor e acabam absorvendo
parte da energia produzida sob forma de calor, tornando-o economicamente inviável para
comprimir e transportar a longas distâncias (KAPDI et al., 2005).
2.3.4 Compressão do biogás
Para Kapdi et al. (2005) o biogás, contendo principalmente metano, não pode ser
facilmente armazenado, uma vez que não se liquefaz sob pressão, e temperatura ambiente
(temperatura crítica e pressão necessária são -82,5 ºC e 47,5 bar, respectivamente). A
compactação do biogás reduz o volume de armazenamento, concentra conteúdo energético e
aumenta a pressão para o nível requerido para vencer a resistência do fluxo de gás. A
compressão é melhor no biogás limpo.
2.3.5 Conversão energética
Segundo Costa (2006), existem diversas tecnologias para efetuar a conversão
energética do biogás. Entende-se por conversão energética o processo que transforma um tipo
de energia em outro. No caso do biogás, a energia química armazenada em suas ligações
químicas é convertida em energia mecânica por um processo de combustão controlada
(relação entre ar e combustível). Essa energia mecânica propulsiona um alternador que a
converte em energia elétrica.
Ainda é possível salientar a queima direta do biogás em caldeiras para cogeração ou
energia térmica e do surgimento de novas tecnologias, mas os mecanismos como turbinas a
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gás e os motores de combustão interna são as tecnologias mais utilizadas atualmente para esse
tipo de conversão energética (COSTA, 2006).
2.3.6 Utilização de lodo para a produção de biogás
Geralmente o tratamento de efluente gera lodo, proveniente tanto do decorrer do
processo como dos decantadores primários e secundários. Para este material ser reciclado
deve passar por um processo de degradação anaeróbio, chamado de digestão, estabilização ou
fermentação, gerando biogás (CASSINI, 2003).
A digestão anaeróbia é um processo largamente utilizado para a estabilização da
matéria orgânica proveniente de lodos, esta degradação resulta no biogás, que contém metano,
possibilitando a geração de energia. Outro subproduto deste processo é o biofertilizante que
pode ser colocado em solo agrícola, com a função de repor os nutrientes. Ainda, a digestão do
lodo reduz odor, patógenos e emissão direta de metano na atmosfera (CASSINI, 2003).
2.4 Biodigestor
O reator de biogás é um ambiente anaeróbio, fechado e um ecossistema relativamente
estável. Para melhorar a produção de metano sob fermentação anaeróbia da biomassa no
reator, o reconhecimento da real composição da comunidade microbiana e metabolismo dos
microrganismos são necessários (ZHU et al., 2011).
Reatores que operam em sistema batelada são carregados uma única vez por processo.
Iniciam com material orgânico instável e ao longo da reação ocorre a estabilização e
volatilização do resíduo. Ao término do tratamento o biodigestor e descarregado, estando
pronto para receber nova carga e inicia-se um novo processo (CASSINI, 2003).
Ao iniciar o processo de produção de biogás pode-se optar pela utilização de inóculo
nos biodigestores, fornecendo ao sistema microrganismos adaptados as condições do reator. O
inóculo é constituído de material que já passou pelo processo, capaz de fornecer ao novo
substrato uma população adicional de microrganismos típicos da biodigestão anaeróbia,
aumentando a produção de biogás (XAVIER, 2010).
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2.5 Digestão anaeróbia
A digestão anaeróbia é um processo biológico em que algumas espécies de bactérias,
que atuam na ausência de oxigênio, atacam a estrutura de materiais orgânicos complexos para
produzir compostos simples: metano, dióxido de carbono, deixando na solução aquosa
subprodutos como amônia, sulfetos e fosfatos extraindo, em simultâneo, a energia e os
compostos necessários para seu próprio crescimento (COSTA, 2006).
A digestão anaeróbia tem sido muito utilizada para estabilizar a matéria orgânica, tais
como lodos de esgoto e dejetos de animais, mas cada vez mais vem sendo ampliada o
tratamento de uma grande variedade de substratos, dentre os quais destacam-se os resíduos
sólidos orgânicos, resultando na produção do biogás (CARLSSON et al., 2012).
O processo de digestão anaeróbia é influenciado por muitos fatores, entre eles a
temperatura, carga orgânica bruta e presença de materiais inibidores. Em temperaturas mais
altas, a digestão microbiana ocorre com maior velocidade, resultando em maior eficiência do
processo. O processo anaeróbio é realizado geralmente em temperaturas mesófilas (30ºC a
45ºC) ou termófilas (45ºC a 60ºC). Em relação à carga orgânica, a digestão anaeróbia suporta
variações, principalmente se os reatores encontram-se operando em estado de equilíbrio
(CASSINI, 2003).
Para o desempenho da digestão anaeróbia ser satisfatório, deve-se considerar a relação
carbono/nitrogênio (C/N). Resíduos orgânicos com alto teor de nitrogênio devem ser
codigeridos preferencialmente com materiais que possuem um baixo teor de nitrogênio
(ALVAREZ & LIDÉN, 2007).
A matéria orgânica residual estabilizada via digestão anaeróbia resulta em benefícios,
tais como a geração local de energia sob forma de biogás, diminuição dos patógenos contidos
no material, biofertilizante pós digestão, estabilidade dos resíduos líquidos e sólidos, redução
de odores e contaminação de águas superficiais (WANG, 1997; PETERSEN, 2003;
DEUBLEIN & STEINHAUSER, 2008).
A desvantagem associada ao uso de digestores anaeróbios para o tratamento de
resíduos sólidos é o longo tempo necessário para estabilização do material. Vários estudos
têm sido realizados buscando-se aumentar o rendimento durante o processo de
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bioestabilização da matéria orgânica e, em sua maioria, lodo de esgoto sanitário tem sido
utilizado como inóculo, por já conter microrganismos adaptados (LEITE et al., 2001).
O biogás gerado como subproduto da biodigestão anaeróbia dos resíduos orgânicos
pode ser utilizado como fonte de energia, devido ao poder calorífico do metano. A fim de
maximizar produção de biogás, o qual representa uma fonte de energia renovável e versátil
que pode ser utilizado para produção de calor e eletricidade e como combustível para
transporte (CARLSSON et al., 2012).
2.5.1 Fases da digestão anaeróbia
As fases da digestão anaeróbia são apresentadas por alguns autores em três etapas,
sendo elas hidrólise, acidogênese, e metanogênese, como apresentado na Figura 3.
Figura 3 – Etapas da digestão anaeróbia
Fonte: Adaptado de Van Haandel & Lettinga (1994).
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Na primeira fase, chamada de hidrólise, ocorre a quebra dos compostos juntamente
com água. Nesta etapa substâncias complexas e insolúveis como hidratos de carbono,
gorduras e proteínas sofrem hidrólise. Geralmente os compostos são substâncias poliméricas,
grandes moléculas insolúveis compostas por pequenas unidades moleculares mantidas juntas
por ligações químicas. As pequenas moléculas são solúveis e rapidamente quebradas e
metabolizadas. Bactérias hidrolíticas, anaeróbias facultativas e anaeróbias, são capazes de
realizar a hidrólise (GERARDI, 2003).
Na segunda fase, os compostos solúveis produzidos anteriormente na hidrólise são
digeridos por grande variedade de microrganismos, anaeróbios facultativos e anaeróbios
através da fermentação. A fermentação destes compostos através da fase acidogênica resulta
na produção de dióxido de carbono, gás hidrogênio, álcoois, ácidos orgânicos, alguns
compostos orgânicos de nitrogênio e enxofre (GERARDI, 2003).
Na metanogênese, o metano é formado principalmente a partir de acetato, dióxido de
carbono e hidrogênio, podendo também partir de alguns outros compostos orgânicos. Esta
etapa é realizada por bactérias estritamente anaeróbias obrigatórias, conhecidas com Archaea
methanogens (ZHU, 2011).
Archaea methanogens (metanogênese) são um grupo de Euryarchaeota estritamente
anaeróbio que converte H2, CO2, metilamina e acetato em metano, estão largamente
distribuídas em ambientes anóxicos, tal como sedimentos de água doce, campos de arroz,
aterros sanitários e trato intestinal de ruminantes e cupins. As bactérias metanogênicas
desempenham um papel de fundamental importância na produção de biogás. Todas
metanogênicas conhecidas apresentam a metil coenzima M redutase (MCR) que catalisa o
passo final na produção de metano durante a fermentação anaeróbica da biomassa (FERRY,
1999).
2.5.2 Inibidores
Por se tratar de reações em cadeia, se a primeira fase for inibida, os substratos para as
segunda e terceira fases não estarão disponíveis no meio e a produção estará comprometida.
Caso a terceira fase seja inibida, os ácidos produzidos na acidogênese provocarão a queda no
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pH, inibindo a terceira etapa onde o metano é formado, pois a perda de alcalinidade inibe as
bactérias metanogênicas (GERARDI, 2003).
2.5.3 Fatores que influenciam na produção de biogás
A biorreação que resulta na produção do biogás é metabolizada via bactérias, cada
etapa está atrelada a anterior, o que resulta em uma reação em cadeia, uma dependendo da
outra (GERARDI, 2003). Por se tratar de um processo biológico, o qual envolve seres vivos, e
reações complexas em cadeia, as variáveis que influenciam a produção de biogás são muitas,
mas algumas condições devem ser avaliadas para minimizar os impactos sobre as colônias
bacterianas anaeróbias.
2.5.3.1 Impermeabilidade ao ar
Para a metanogênese acontecer o ambiente deve ser anóxico, sem contado com ar
atmosférico que contém oxigênio. O grupo bacteriano responsável pela formação do metano é
Archaea methanogens, estritamente anaeróbios (ZHU, 2011).
2.5.3.2 Temperatura
A digestão anaeróbica pode ser operada em várias faixas de temperatura, denomina-se
psicrofílica quando a biorreação ocorre em temperatura abaixo de 25 ºC, mesófilica com
temperaturas compreendidas entre 25 ºC e 35 ºC e termofílica, temperaturas entre 55 e 60 ºC,
e temperatura extremofilica, acima dos 65 ºC. O rendimento e taxa de volatizarão da matéria
orgânica em forma de biogás está diretamente ligado com a temperatura de digestão, quando
mais elevada for, mais intensamente será o processo biológico (SAIDU et al., 2013).
2.5.3.3 pH
As bactérias envolvidas na fermentação, principalmente as metanogênicas, sobrevivem
em faixa estreita de pH que varia entre 6,5 e 8,0. Assim, enquanto as bactérias presentes nas
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fases iniciais da digestão anaeróbia são responsáveis por produzir os ácidos, as metanogênicas
os consomem para gerar o biogás, mantendo o meio neutro (CASSINI, 2003).
2.5.3.4 Quantidade de água
A quantidade de água no biorreator deve oscilar entre 60% e 90% da massa do
conteúdo total, tanto o excesso, quanto a falta de água são prejudiciais ao rendimento. O teor
de água varia de acordo com as matérias-primas destinadas à fermentação (CASSINI, 2003).
2.5.3.5 Nutrientes
As principais fontes de nutrientes para as bactérias são carbono, nitrogênio e sais
orgânicos. A relação entre carbono e nitrogênio deve ser mantida entre 20:1 e 30:1. Os dejetos
humanos, animais e lodos são as principais fontes de nitrogênio, e os açúcares presentes no
restante das culturas de origem vegetal representam a principal fonte de carbono. A produção
de biogás é bem sucedida se os nutrientes estiverem presentes ou na relação ideal (CASSINI,
2003).
2.6 Óleo vegetal
Segundo Silveira (2011), os óleos e gorduras são substâncias de origem vegetal ou
animal, insolúveis em água, constituídas principalmente de ésteres. Os óleos diferem de
gorduras pelo estado físico que apresentam a temperatura de 20ºC. Nesta temperatura os óleos
são líquidos e as gorduras sólidas, sendo que a maioria dos óleos é de origem vegetal e as
gorduras de origem animal.
Os óleos e/ou gorduras possuem moléculas de triacilgliceróis constituídos de três
ácidos graxos de cadeias carbônicas longas, os quais são ligados a uma única molécula do
glicerol. Estes ácidos graxos diferem pelo comprimento da cadeia carbônica, do número, da
orientação e da posição das duplas ligações presentes na cadeia como apresentado na Figura 4
(MAPA, 2008).
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Figura 4 – Estrutura química do óleo de soja
Fonte: MAPA – Ministério da Agricultura Pecuária e Abastecimento (2013).
2.7 Óleo vegetal residual
Os pontos nos quais há maior concentração de geração de óleos e gorduras residuais
são cozinhas industriais e lanchonetes, indústrias onde ocorre a fritura de produtos
alimentícios e água residual de processos de indústrias alimentícias (BIODIESELBR, 2013).
Para Barbosa & Pasqualetto (2007), no Brasil, parte do óleo vegetal residual oriundo
do consumo humano é destinado à fabricação de sabões e à produção de biodiesel, sendo que
maior parte deste resíduo é descartado na rede de esgotos, considerado um crime ambiental. A
pequena solubilidade dos óleos vegetais na água constitui como um fator negativo e quando
presentes em mananciais utilizados para abastecimento público causam problemas no
tratamento da água.
Segundo a Associação Brasileira para Sensibilização, Coleta e Reciclagem de
Resíduos de Óleo Comestível (ECÓLEO), o Brasil produz 9 bilhões de litros de óleos
vegetais por ano e 1/3 deste volume destinado a óleos comestíveis, e um consumo per capita
em torno de 20 litros/ano, que resulta em uma produção de 3 bilhões de litros de óleo residual
por ano no país.
No país uma quantidade muito pequena do óleo produzido é coletado e destinado de
forma correta, o restante é lançado diretamente no sistema de esgoto. O montante coletado
resulta em menos de 1%, representando 6 milhões e meio de litros óleo residual coletado,
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mais de 200 milhões de litros por mês são destinados incorretamente, indo parar em recursos
hídricos (ECÓLEO, 2013).
2.8 Codigestão anaeróbia de resíduos orgânicos
A codigestão anaeróbia apresenta muitas vantagens, entre elas a diluição de
substâncias tóxicas provenientes de qualquer um dos substratos envolvidos, um melhor
equilíbrio de nutrientes, efeitos sinérgicos sobre microorganismos, uma elevada taxa de
digestão e possível desintoxicação baseado no processo de cometabolismo (PASTOR et al.,
2013).
A digestão anaeróbia, com a adição de cosubstratos, ou seja, codigestão tem sido
considerada uma forma eficaz, de baixo custo, e comercialmente flexível para reduzir as
limitações do processo e melhorar o rendimento de geração do metano (LI & ANDERSON,
2011).
Os lipídios, caracterizados como gorduras ou óleos e graxas apresentam incremento na
produção de metano mais acentuado quando comparado com os carboidratos e proteínas. Ao
ser codigerido juntamente com lodo de esgoto, lipídios fornecem carbono, aumentam a
geralmente baixa relação C/N deste subtrato (PASTOR et al., 2013).
Lipídios como óleo vegetal são constituídos de longas cadeias carbônicas (MAPA,
2013), muito semelhante a glicerina, rica em carbono de fácil degradação, o que favorece sua
participação na codigestão anaeróbica em biodigestores (ROBRA, 2006).
O óleo vegetal residual também se mostra uma promissora fonte de energia para
codigestão devido a semelhança em relação a glicerina como fonte de carbono. Experimentos
realizados por Amon et al. (2006), que avaliaram a produção de metano codigerindo glicerina
em substratos de dejeto suíno, silagem de milho e colza, indicaram que a adição deste
composto elevou a produção de metano, principalmente quando adicionada na concentração
de 3% e 6%.
Konrad et al. (2010) constataram o incremento na produção de biogás em função da
adição de glicerina residual nos percentuais de 3% e 6% em amostra de lodo de estação de
tratamento de efluentes. A maior produção de biogás foi obtida na amostra cuja adição de
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glicerina foi de 3%. Na amostra com adição de 6% de glicerina, o aumento na geração de
biogás foi de 59,2%, quando comparado à amostra controle. A taxa de metano verificada nos
experimentos foi de 72% na amostra com adição de 3% de glicerina, permanecendo após a
adição do produto rico em carbono, como visto na tabela 6, o que não ocorreu no experimento
com adição de 6 % de glicerina, no qual os índices de metano decaíram até próximo de 10 %.
Tabela 6 - Resultados obtidos com aplicação de glicerina em lodo. Produção de biogás (mL) Percentual máximo de metano (%)
Controle 2.400 68
Glicerina 3% 12.920 72
Glicerina 6% 5.800 61
Fonte: Konrad et al. (2010).
Tendo em vista os resultados obtidos pelos autores descritos acima, procurou-se
avaliar a suplementação com composto carbônico oriundo de óleo residual vegetal. Buscou-se
repetir os dados publicados, tendo-os como referência para o desenvolvimento deste estudo
em escala laboratorial.
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3 METODOLOGIA
O experimento foi realizado no Laboratório de Biorreatores do Centro Universitário
UNIVATES, o qual está vinculado ao curso de Engenharia Ambiental entre os meses de
agosto e novembro.
A metodologia para avaliar a quantidade de biogás gerada foi desenvolvida pelo
próprio Laboratório e consiste em conectar os biodigestores com capacidade de um litro a um
sistema de medição de biogás. O sistema é composto por um coletor de biogás constituído por
um tubo de vidro em forma de U, um sensor óptico, uma esfera de isopor e um circuito
eletrônico que registra e armazena a passagem do biogás pelo sistema.
Iniciou-se o experimento com 24 reatores em batelada, contendo cada um contendo 600
mL de lodo de estação de tratamento de efluentes, acondicionados em uma incubadora
bacteriológica adaptada para este fim, capaz de manter a temperatura constante de 37°C dentro
dos reatores, digestão mesofílica (FIGURA 6). Dentre os 24 reatores, foram selecionados 12 com
melhor aproveitamento para formarem quatro triplicatas (Controle, 3%, 6% e 9% de óleo
residual). Cada grupo de três reatores foi escolhido de modo que a média de geração de biogás
fosse a mais próxima possível, ou seja, a média de cada triplicata foi praticamente a mesma no 12º
dia de incubação. Os 12 reatores restantes foram eliminados.
O substrato foi coletado em um reator anaeróbio em escala real, operando com o objetivo
de geração de biometano. Este tipo de material possui a vantagem de possuir microorganismos
adaptados à digestão anaeróbia. O ponto de coleta do material foi entre os dois reatores existentes
no local, na saída do reator 1(R1) e entrada do reator 2(R2) (FIGURA 5).
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Figura 5 – Imagem indicando o reator 1 (R1), reator 2 (R2), ponto de coleta do lodo (PC) e balão
para armazenamento do biogás (AB).
Fonte: Autor
O óleo residual vegetal foi padronizado e utilizado sob certas condições controladas para
evitar interferentes, expondo o mesmo à fritura de batatas durante 50 minutos. Aproximadamente
1 kg de batas fritas com 750 ml de óleo de soja, não havendo uso de sal de cozinha diretamente no
alimento antes de colocá-lo na gordura.
Figura 6 – Reatores acondicionados na incubadora e conectados ao sistema de medição
automatizado de biogás
Fonte: Autor
R1
R2
PC
AB
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Cada reator no interior da incubadora é conectado por uma tubulação ao tubo em U, o
princípio de funcionamento do dispositivo é o deslocamento de fluidos, sendo a quantificação do
biogás realizada quando o mesmo, à medida que enche um dos lados do tubo em forma de U
(FIGURA 7), desloca o fluido nele contido (água) e eleva o nível de fluido no lado oposto, que é
detectado por um sensor óptico o qual envia essa informação a um circuito eletrônico e o
armazena sob forma de “eventos” (FIGURA 8).
Figura 7 – Tubo em forma de “U” com sensor óptico para a leitura do volume de biogás gerado
durante o experimento
Fonte: Autor
O volume de biogás gerado é determinado através da equação combinada dos gases ideais,
que descreve que a relação entre a temperatura, a pressão e o volume de um gás é constante
(HALLIDAY et al., 2009).
No entanto cada dispositivo (tubo em U) precisa ser calibrado antes de iniciar o
experimento, com uma pressão, temperatura e volume no momento da calibração. Ao ocorrer o
evento, o sensor eletrônico além de identificar o ocorrido, ainda mensura a pressão e temperatura
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no instante, sendo assim possível completar a equação e determinar o volume de biogás que cada
evento contém.
Figura 8 – Circuito eletrônico para quantificar a produção de biogás
Fonte: Autor
Para a avaliação qualitativa do biogás, o percentual de metano presente nas amostras foi
verificado através de um sensor específico para a medição em misturas gasosas, denominado
Advanced Gasmeter (FIGURA 9), produzido pela PRONOVA Analysentechnik GmbH & Co.
Com o conhecimento do volume de biogás gerado e a porcentagem de metano, pode-se calcular o
volume deste e o montante de outros gases presente no biogás.
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Figura 9 – Sensor utilizado para determinação de metano presente no biogás
Fonte: Autor
Para atender aos objetivos propostos, dividiu-se os reatores em quatro grupos
identificados como Controle (sem adição de óleo residual), óleo 3%, óleo 6% e óleo 9%.
Estas concentrações foram estipuladas em função de experimentos realizados por Schmitz et
al. (2010), Konrad et al. (2010) e Amon et al. (2006) nos quais se empregou glicerina nos
percentuais de 3% e 6% e 9%.
Conforme Schmitz et al. (2010), os períodos para o acréscimo da glicerina foram
determinados em função da geração de biogás (monitorado diariamente), sendo que a medida
que houve decréscimo nos valores de produção, o óleo residual foi adicionado.
Para caracterização dos substratos, realizou-se análises de carbono, nitrogênio,
demanda bioquímica de oxigênio (DBO5), potencial hidrogeniônico (pH), sólidos totais (ST),
sólidos voláteis (SV) e sólidos fixos (SF) antes e após os tratamentos. Os ensaios de carbono e
nitrogênio serão realizados no Laboratório de Biorreatores, de acordo com Standard Methods
(CLESCERI et al., 2005).
Determinou-se a demanda bioquímica de oxigênio por sensores de pressão para testes
e medições de DBO5, modelo WTW OXITOP IS 6 (FIGURA 10).
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Figura 10 - Equipamento para medições de DBO5 da marca Oxitop®
Fonte: Autor
Os parâmetros de ST, SV e SF foram determinados segundo metodologia AOAC
(1995). Na análise de ST, as amostras serão pesadas em um cadinho e após permanecerão por
cerca de 24 horas em uma estufa a 105°C (estufa digital time microprocessada para
esterilização e secagem – Modelo SP 400 – SPLABOR). Para os SV, após as amostras srem
retiradas da estufa, foram submetidas à combustão em mufla à temperatura de 550°C (forno
mufla SP – 1200 – marca Splabor).
O pH pré experimento foi verificado utilizando pHmetro digital, marca Digimed DM-
20, logo depois da coleta do material. Após o término da digestão anaeróbia, o teste foi
realizado novamente em todos os percentuais de suplementação e nos reatores sem adição de
óleo.
Realizou-se a análise estatística dos resultados obtidos através da análise de variância,
pelo teste de comparação de médias de Tukey (P<0,05). Consideraram-se quatro tratamentos
e duas repetições para cada um deles, sendo feitas, portanto, oito observações. Utilizou-se
correlação não paramétrica de Pearson (p) para analisar a relação entre o volume de biogás e o
volume de metano e coeficiente de determinação (R²).
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4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Este capítulo trará os resultados coletados ao longo de 85 dias de experimentação, bem
como a caracterização do substrato pré e pós experimento. A avaliação dos dados obtidos foi
relacionada com resultados de outros autores. Os dados serão apresentados por meio de
tabelas, figuras, gráficos e texto, determinando qual percentual de aplicação de óleo residual
em lodo de estação de tratamento de efluente possui maior potencial para geração de biogás.
4.1 Caracterização do substrato
O substrato em estudo foi caracterizado pré e pós experimentação com base em
análises fisicoquímicas, conforme o exposto na Tabela 7.
Tabela 7 – Parâmetros analisados da amostra pré tratamento (lodo) e das amostras Controle,
3%, 6% e 9% de óleo pós experimentação.
Parâmetros
PRÉ PÓS
Lodo Controle 3 % oleo 6 % oleo 9 % óleo
Carbono (mg/L) 30.925,51 13.614,48 14.213,81 21.848,89 29.508,63
DBO5 (mg O2/L) 27.000 2.000 2.000 2.500 10.500
Nitrogênio (mg/L) 1.736,47 378,95 505,27 2.824,23 1.398,18
pH 7,44 8,31 7,70 7,74 7,84
Relação C/N 17,81 35,93 28,13 7,74 21,11
SF (%) 36,92 50,52 48,43 48,89 45,92
ST (%) 6,64 4,90 4,94 5,14 6,06
SV (%) 63,08 49,48 51,57 51,11 54,08
Tempo de retenção hidráulica (dias) - 37 72 85 85
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Analisando os resultados é possível constatar que o lodo possui potencial de geração
de biogás, evidenciado pelo índice de ST de 6,64% pré experimento. Desta porcentagem,
63,08% são SV e 36,92% SF. A alta concentração de SV indica a quantidade de substrato
passivo de volatilização, ou seja, podendo ser digerido e volatizado em forma de biogás por
via metabólica microbiana.
Comparando os dados pré e pós experimento em cada triplicata, observa-se a redução
na carga de SV, o qual na entrada foi 6,64% e saída Controle de 4,90%. Nos reatores que
houve aplicação de 9% de óleo o resultado indicou um acréscimo de SV, o que pode ser
explanado devido a não digestão de todos os SV aplicados na forma de óleo.
O pH da amostra inicial foi 7,44, indicando condições favoráveis para o
desenvolvimento, não inibindo a primeira e seguintes fases da digestão anaeróbia.
Observando os dados após a digestão, conclui-se que o Controle apresentou pH de 8,31,
considerado normal para este tipo de processo conforme também reforçado em outros
trabalhos publicados por Cassini (2003).
O parâmetro DBO5 pré e pós teste indica a eficácia de remoção da digestão anaeróbia
como tratamento de resíduos. O aumento no valor de DBO5 apresentado pela triplicata dosada
com 9% quando comparado a relação Controle, pode ser devido a não degradação por
completo dos compostos orgânicos durante o teste. A remoção de DBO5 nos reatores dosados
com 3% foi total quando comparado ao Controle, já o 6% obteve um leve aumento, podendo
ser este também vinculado a não remoção de toda a carga orgânica aplicada.
Sustenta-se a existência de compostos orgânicos não digeridos no reator pelo índice de
Carbono orgânico total, sendo este o mais alto apresentado pela amostra de 9% de óleo. Os
outros reatores dopados com 3% e 6% também apresentaram mais carbono que o Controle,
indicando a presença de carbono residual não digerido mesmo após o tratamento anaeróbio.
4.2 Suplementação com compostos carbônicos
De acordo com Schmitz et al. (2010), Konrad et al. (2010), Amon et al. (2006) e
Pastor et al. (2013) a adição de compostos ricos em carbono resulta basicamente no mesmo
princípio, ou seja, equilibra a relação C/N, pois esta geralmente possui mais partes de
nutriente do que carbono neste tipo de substrato em questão.
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Para o bom desenvolvimento das colônias bacterianas são necessárias certas condições
nutricionais e fisicoquímicas, possibilitando parâmetros ideais para a produção de biogás,
resultando em alto rendimento (GERARDI, 2003). Portanto, a vantagem em codigerir estes
substratos está em equilibrar a disponibilidade de recursos para o desenvolvimento
microbiano.
4.2.1 Relação C/N do substrato
Com base nos resultados analíticos, constatou-se que o lodo utilizado no estudo
continha relação C/N de 17,8/1, inferior à considerada como ideal, que seria entre 20/1 e 30/1
(CASSINI, 2003), o que maximiza a aceitação de carbono oriundo de outro substrato na sua
digestão, resultando em alta produção de biogás e metano.
Os tratamentos mostraram uma tendência, conforme observado na Tabela 7, de
redução na relação C/N conforme o aumento do percentual aplicado, o qual não seguiu esta
indicação foi o percentual 6%.
4.3 Aspectos comportamentais do experimento
Ao longo do estudo percebeu-se a importância da agitação dos reatores nos quais foi
aplicado óleo, por se tratar de um composto apolar, o qual não se dissolve diretamente no
substrato, ficando na parte superior retardando a reação. Com o passar do tempo, o óleo foi
sendo hidrolisado, ficando com coloração esbranquiçada e aglutinado em flocos como
evidenciado pela Figura 11, sendo posteriormente dissolvido no meio. Houve formação de
camada sobrenadante, principalmente no reator com 9%, mas sempre desmanchada pela
agitação, fazendo o material rico em carbono entrar em contato com o meio composto por
bactérias.
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Figura 11 – Reator com aplicação de 9 % de óleo (1) e três dias após a aplicação (2).
Fonte: Autor
O processo de agitação em reatores onde substâncias apolares estão presentes é muito
importante, pois evita o acúmulo da substância na superfície e faz com que entre em contato
com o substrato rico em bactérias. Durante a agitação o óleo se divide em pequenas bolhas
(FIGURA 12), facilitando a ação dos microrganismos, resultando em alta taxa de degradação
e consequente volatização.
Figura 12 – Reator no terceiro dia após aplicação de 9% de óleo e posterior agitação.
Fonte: Autor
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Tempo (Dias)
Biogás Metano presente no biogás Concentração de Metano
Observa-se nos gráficos que o pico de produção seguinte, nos testes realizados com
3%, 6% e 9% até a terceira aplicação sempre foi maior que o anterior, este comportamento
pode indicar a adaptação dos microrganismos ao meio durante as aplicações. Isto demostra
potencial de incremento no rendimento ao longo do tempo com relação à produção de biogás,
otimizando a volatização dos compostos orgânicos contidos no óleo. Ainda, observa-se que há
proximidade entre a relação do volume de óleo aplicado e o rendimento à medida que a
dosagem aumenta, tendendo a se estabilizar.
Neste caso, o cosubstrato utilizado é oriundo da fritura de batatas, no qual não foi
adicionado cloreto de sódio artificialmente (NaCl) antes do cozimento, ou seja. O sal contém
sódio, o qual para Fang et al. (2011) e Suwatsuwannoppadol & Ralf (2012) é inibidor do
processo de produção de biogás quando presente em alta concentração.
4.4 Quantificação do biogás e metano gerado nos testes
A triplicata Controle visualizada na Figura 13, demonstra intensa produção até o 9º
dia, gerando montante de 12,9 L de biogás ao longo de 37 dias de digestão. O teor de metano
presente no biogás para esta triplicata manteve-se alto até os últimos dias, resultando em 9,2 L
de metano.
Figura 13 – Gráfico da geração de biogás e percentual de metano da triplicata Controle (sem
adição de óleo) durante 35 dias de experimentação.
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Tempo (Dias)
Biogás Metano presente no biogás Concentração de Metano Adição de óleo
A representação gráfica dos reatores suplementados com 3% de óleo residual indicou
incremento de 141,87% em relação ao Controle, totalizando 30,8 L de biogás após 72 dias de
experimentação conforme pode ser observado na Figura 14.
Durante as três aplicações iniciais de óleo os picos de produção apresentados pelos
reatores foram baixos quando comparados à parte inicial, aumentando sutilmente com o
passar do teste. Desta forma, nenhum pico de produção seguinte voltou a ser de intensidade
igual ou superior ao primeiro quando ainda não havia suplementação. A concentração de
metano foi em média de 74,47 %. Resultando em 22,2 L de metano, o que representa um
incremento de 142,22% quando comparado ao Controle.
Conclui-se, observando a Figura 14 que o pico de geração de biogás entre as
aplicações (ciclo de geração) manteve-se praticamente constante, sendo este de
aproximadamente 12 dias, exceto na 3º aplicação, a qual apresentou comportamento com
aumento de produção de biogás e já em seguida diminuição na geração, na sequência
posteriormente uma tendência de aumento. Como se acrescentou novamente nesta situação
(4º aplicação) acredita-se que a geração acumulada após a 4º aplicação sofreu influencia da 3º
adição, visualizado na Figura 14.
Figura 14 – Gráfico da geração de biogás e percentual de metano da triplicata 3% de óleo
residual vegetal durante 72 dias de experimentação.
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Tempo (Dias)
Biogás Metano presente no biogás Concentração de Metano Adição de óleo
O substrato no qual foi dosado 6% de óleo permaneceu em estudo durante 85 dias,
gerando volume total de biogás de 58,5 L, o que resultou em aumento na produção de 89,9%
em relação ao 3% de óleo e 359,31% em relação ao controle. O volume gerado entre cada
ciclo pode ser determinado com base no gráfico, indicando volume praticamente constante,
variando apenas a intensidade de geração, explicado por menor tempo ao longo das
suplementações, resultando em maior taxa de geração ao longo do tempo. A mesma situação
foi apresentada pelo ensaio 3%.
Com isso, os picos apresentam-se de forma crescentes após as adições, porém com um
tempo de degradação relativamente menor, indicando possível adaptação das bactérias ao
processo de codigestão anaeróbia. Este comportamento não foi observado na última aplicação,
pois o pico não foi maior que o anterior como visto na Figura 15.
Como se acrescentou novamente nesta situação (4º aplicação) acredita-se que a
geração acumulada após a 4º aplicação também sofreu influencia da 3º adição, visualizado na
Figura 15.
O incremento na geração de metano presente no biogás também foi significativo nesta
triplicata, provocando aumento de 93,44% em relação aos reatores nos quais foram
adicionados 3% e 368,55% em relação à amostra Controle.
Figura 15 – Gráfico da geração de biogás e percentual de metano da triplicata 6% de óleo
residual vegetal durante 85 dias de experimentação.
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Tempo (Dias)
Biogás Metano presente no biogás Concentração de Metano Adição de óleo
Os reatores suplementados com 9% de óleo vegetal ficaram em experimentação
durante 85 dias, totalizando 84,1 L de biogás. O comportamento foi similar aos reatores
dopados com 3%, gerando 172,87% mais de biogás em relação ao mesmo. Comparado com a
triplicata 6% de óleo vegetal residual, o rendimento foi de 43,70%, quando analisado
juntamente com o Controle (reatores sem adição de óleo) o percentual foi de 560% maior.
Em termos de volume de metano, a triplicata gerou em média 60,1 L durante o
experimento, resultando em um incremento em relação ao 3% de 101,70%, e de 39,66%
quando comparado ao 6%. Quando relacionado com a amostra Controle os reatores dopados
com 9% obtiveram geração de 554,4% maior.
Também há equilíbrio na geração de biogás entre os ciclos de aplicação, com aumento
dos picos e estreitamento dos mesmos, indicando diminuição no tempo de geração, mas com
quantidade de biogás similar como mostrado na Figura 16. Este comportamento pode estar
relacionado com a adaptação dos microrganismos ao meio.
Figura 16 – Gráfico da geração de biogás e percentual de metano da triplicata 9% de óleo
residual vegetal durante 85 dias de experimentação.
O
O equilíbrio de geração entre cada aplicação é verificada com base na Tabela 8, na
qual está exposto o total de biogás gerado entre cada aplicação em relação ao total produzido
pelos reatores em porcentagem, comprovando a regularidade principalmente para o reatore
com 9%.
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Tabela 8 – Rendimento de biogás em porcentagem e volume (L) gerado em cada ciclo após
aplicação de óleo em relação ao volume total de cada triplicata.
Ciclos
3 % Óleo 6 % Óleo 9 % Óleo
%
Volume
(L) %
Volume
(L) %
Volume
(L)
Sem adição 34,15 10,53 17,12 9,92 11,76 9,89
1ª ciclo 10,44 3,22 15,72 9,10 15,75 13,26
2ª ciclo 10,84 3,34 12,78 7,40 17,17 14,45
3ª ciclo 3,13 0,97 5,95 3,45 18,81 15,83
4ª ciclo 23,35 7,20 25,77 14,92 18,46 15,53
5ª ciclo 18,09 5,58 22,66 13,77 18,05 15,18
Total 100 30,84 100 58,56 100 84,14
Nos reatores dosados com 3% e 6% o comportamento foi anômalo na 3ª aplicação,
não apresentando pico de produção imediato após a suplementação e nem significativa
produção. O motivo para este distúrbio pode ser um processo de readequação dos
microorganismos ao substrato suplementado, indicando a instabilidade e variabilidade do
processo envolvendo bactérias metanogênicas.
Com base na Tabela 8, verifica-se que a aplicação que resultou em maior volume de
biogás nos percentuais 3% e 6% de óleo foi a 4ª, possivelmente por ainda conter material rico
em carbono não degradado na aplicação anterior, visto que esta não gerou volume
significativo. Os reatores dopados com 9% de óleo resultaram em maior equilíbrio, tanto em
intervalo de tempo entre cada aplicação como em volume de biogás gerado, tendendo a um
volume praticamente constante para cada aplicação de óleo.
4.5 Determinação do percentual com melhor rendimento
Com base nos dados pode-se sustentar, neste caso, que o percentual de óleo com a
melhor aplicabilidade em lodo de estação de tratamento de efluentes em escala laboratorial é
9% do volume total de substrato, o qual gerou média diária e desvio padrão respectivamente,
0,989 ± 0,454 L/dia de biogás e 0,707 ± 0,361 L/dia de metano, totalizando 84,1 L de biogás e
60,1 L de metano, o que corresponde a 560% a mais de biogás que o tratamento Controle .
O tratamento 6% também apresentou geração expressiva, produzindo 0,688 ± 0,479
L/dia de biogás e 0,506 ± 0,367 L/dia de metano, com total de 58,5 L de biogás e 43 L de
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metano, indicando possibilidade de suplementação, mas com incremento ligeiramente menor
se comparado ao 9%. No entanto, o 3% ao ser analisado juntamente com o Controle, também
resultou em ganho tanto na geração de biogás (FIGURA 17) bem como no volume de metano,
demonstrado na Figura 18, porém muito abaixo dos demais percentuais testados.
Figura 17 - Volume médio de biogás acumulado em cada triplicata
Na Figura 18, está representado sob forma de gráfico o volume acumulado de metano
gerado por cada triplicata, e observa-se que o tratamento dosado com 9% de óleo
proporcionou maior incremento. Apesar da diferença em volume, o material dopado com 6%
de óleo também demostrou expressiva geração de biogás, com rendimento proporcional muito
próximo a amostra 9%.
Em todos os casos estudados, o teor de metano manteve-se entre 65% e 80%, caindo
logo após a adição de óleo e retornando a concentração anterior rapidamente. Tal
comportamento também foi evidenciado por Konrad et al. (2010) com o uso de glicerina
residual, porém com intensidade e duração diferente, ou seja, depende do composto carbônico
aplicado.
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Figura 18 – Volume médio de metano acumulado em cada triplicata
4.5.1 Análise estatística
Para fins de observação e validação dos dados obtidos durante o experimento,
realizou-se análise estatística através do software Sisvar 4.6. A Tabela 9 demonstra a
Correlação de Pearson (r) entre o volume de biogás e de metano dos tratamentos Controle,
3%, 6 % e 9 % óleo residual vegetal.
Tabela 9 - Correlação de Pearson (r)
Controle 3 % óleo 6 % óleo 9 % óleo
0,993 0,987 0,996 0,981
Obteve-se forte correlação positiva entre a geração de biogás e de metano em todos os
tratamentos (TABELA 9), sendo que a amostra que recebeu a dopagem de 6 % de óleo
apresentou correlação superior aos demais tratamentos (r=99,6%), o que representa maior
correlação entre a produção de biogás e de metano, ou seja, maior rendimento.
Quanto mais próximo de 1 o número apontado pelo teste, maior será a correlação entre
duas variáveis, ou seja, quando uma se eleva a outra também esboça o mesmo
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comportamento. Em alguns casos pode haver correlação negativa, o que não foi evidenciado
nesta análise, representada por números negativos.
Tabela 10 apresenta a análise de variância da geração de biogás dos grupos Controle,
3%, 6% e 9% de óleo vegetal residual através do teste de Tukey a 5% de probabilidade.
Tabela 10 – Teste de Tukey
Tratamento Média Resultado
Controle 12.957.640 a1
3% 30.835.375 a1
6% 57.911.930
a2
9% 68.632.080 a2
Na coluna “Resultado”, letras seguidas pelo mesmo número não diferem entre si.
Média harmônica do número de repetições (r): 2
Erro padrão: 3265,94472013682 C.V (%): 10,85 n:8
Conforme a Tabela 10 visualiza-se que apenas a suplementação com 3 % não
apresentou ganhos na geração de biogás em comparação a amostra controle e ainda, que não
houve significativa diferença na geração de biogás entre os percentuais 6 % e 9 %, o que
indica que neste caso mesmo aumentando-se o percentual de óleo dosado a geração de biogás
praticamente não se altera estatisticamente.
4.6 Comparação com outros autores
Lansing et al. (2010) aplicou percentuais de 2,5 %, 5 % e 10 % de óleo de cozinha
usado a dejetos suínos e obteve melhor rendimento tanto de biogás quando de metano no
tratamento com menor percentual, o qual proporcionou concentração de metano de 66,9%,
enquanto que nos demais percentuais a relação entre a geração de biogás ocorreu de maneira
inversa. A mesma situação não ocorreu no presente estudo, pois percebeu-se que maiores
percentuais de óleo geraram maior rendimento de biogás e de metano.
Os resultados obtidos corroboram os resultados de Pastor et al. (2013) em que a maior
concentração de óleo resulta em maior rendimento na geração de biogás. Porém, contradizem
o estudo realizado por Rodrigues (2012) ao adicionar óleo e lipase à mistura, o qual descreve
que menores inclusões resultam em maior potencial de geração de biogás.
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Referente a outras fontes de carbono, a partir do presente estudo constatou-se que a
suplementação de óleo vegetal é menos tóxica aos microrganismos do que a glicerina
residual. Em estudo realizado por Konrad et al. (2010), o maior incremento de biogás se deu
com 3% de glicerina, sendo que quantidades maiores geraram acentuado decréscimo no
percentual de metano.
A adição de 6% de glicerina residual também foi feita em dejetos de aves poedeiras
por Minho et al. (2012) e constatou-se que há alterações no teor de metano após o acréscimo
da mesma. Tal situação também ocorre na adição de 6% óleo residual vegetal, porém a queda
não é tão acentuada como o observado nestes estudos. Com isso, faz-se necessário analisar de
maneira mais criteriosa o momento exato das suplementações e o comportamento microbiano.
E ressalta-se ainda, que os cosubstratos podem proporcionar resultados diferentes dependendo
do tipo de substrato utilizado.
Outro aspecto interessante ao comparar os dados é a queda de produção de biogás e
concentração de metano no dia seguinte à aplicação. Este comportamento pode ser
classificado com período de adaptação ao novo substrato, pois as características do meio
foram alteradas subitamente, ocorrendo principalmente a primeira etapa do processo de
biodigestão anaeróbia (hidrólise), na qual não há volatilização do substrato.
Isto indica, neste caso, que o óleo é mais facilmente assimilado que a glicerina,
podendo gerar subprodutos menos tóxicos para os microrganismos, não havendo inibição das
fases seguintes do processo. Nos reatores alimentados com óleo a queda de geração de biogás,
bem como teor de metano, não é tão brusca quanto nos reatores com adição de glicerina.
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5 CONCLUSÃO
O presente assunto mostrou-se promissor tendo em vista a característica dos resíduos
em questão, que apresentam potencial poluidor (óleo e lodo), bem como o mecanismo de
tratamento com geração de energia sob forma de biometano. O rendimento destes materiais
codigeridos foi satisfatório neste caso, confirmando a eficácia da aplicação de óleo de cozinha
em lodos de estação de tratamento de efluentes.
A partir dos resultados obtidos é possível determinar o percentual de adição de óleo
que obteve maior geração de biogás, neste caso, consequentemente maior volume de metano.
Os reatores alimentados com 9% de óleo apresentaram maior produção de biogás, sendo que o
experimento, para estes reatores, ainda estavam gerando uma certa quantidade de biogás no
momento da análise dos dados.
Neste contexto, pesquisas mais aprofundadas podem ser realizadas para confirmar os
resultados obtidos, bem como testar novos substrato para a suplementação e percentuais
diferentes. O período entre as adições pode ser ajustado para diminuir tempo de detenção
hidráulica do reator, com isso otimizando a produção de biogás para fins energéticos.
Experimentos futuros objetivando testar óleo residual vegetal com nível de saturação e
exposição à fritura maior, provenientes de estabelecimentos comerciais como restaurantes e
lancheiras, pois o comportamento nessas condições pode mudar, devido a maior concentração
de sais e outras substâncias toxicas aos microrganismos envolvidos na geração de biogás.
Outra questão bastante interessante para futuras pesquisas seria a avaliação de
percentual limite para adição de óleo, pois os percentuais utilizados neste trabalho foram
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estipulados com base na suplementação com glicerina, sendo 9% o limite superior de adição,
em muitos casos inviabilizando a produção de biogás quando adicionada nesta proporção.
Com o óleo, o maior percentual testado obteve rendimento superior, não inibindo o processo
em nenhuma das aplicações. Sugere-se aplicações em porcentagens superiores a 9% para
verificar o quanto de óleo pode-se aplicar no reator sem prejudicar a geração.
Estudos mais aprofundados sobre equilíbrio de relação C/N com resíduos também
podem ser relevantes neste caso. Por exemplo, utilizar resíduos que separadamente não
possuem rendimento satisfatório, mas quando codigeridos produzem grande quantidade de
biogás. Geralmente, alguns tipos de resíduos são constituídos de altas cargas de nitrogênio,
mas ao combiná-los com materiais ricos em carbono pode resultar em incremento na geração
de biogás e metano.
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