Curso biodigestor OTENIO, M.H. 16 09 2014

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Curso Biodigestor - produo de energia eltrica a partir da biodigesto de dejetos bovinos

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1. MDULO I Introduo ao Biodigestor Caracterizao dos Resduos 2. A pesquisa sobre fontes alternativas de energias tem se intensificado em todo planeta, visando diminuir a poluio ambiental. 3. Os dejetos de animais tm se tornado um norte para as pesquisas no intuito de proteger o meio ambiente da poluio e melhorar a qualidade de vida com os benefcios obtidos do tratamento dos dejetos. 4. 1. INTRODUO AO BIODIGESTOR Conceitos Estrutura destinada a conter a biomassa e seu produto: o BIOGS. BIODIGESTOR O biodigestor no produz o biogs, mas proporciona condies adequadas para que as bactrias metanognicas atuem sobre a biomassa para produo desse combustvel. 5. H DOIS TIPOS DE SISTEMAS: Contnuo Descontnuo 6. Contnuo Mais difundido; Se adapta maioria das biomassas; Cargas dirias ou peridicas; Descarrega o biofertilizante de forma contnua. 7. Descontnuo Especfico para biomassas de decomposio lenta; Recebe a carga total, retendo-a at terminar o processo de biodigesto; Ao trmino do processo, o biodigestor totalmente esvaziado. Para novo processo, o biodigestor deve ser recarregado. 8. O sistema mais difundido o sistema contnuo, cujos modelos mais conhecidos so o chins e o indiano, que so muito utilizados no Brasil. (Coldebella, 2006) 9. Princpios de Funcionamento BIODIGESTO AERBIA O processo envolve a oxidao direta de matria orgnica e de matria celular biodegradvel. realizada por diferentes grupos de micro-organismos. 10. Nos estgios iniciais, os micro-organismos se reproduzem a uma taxa de crescimento populacional logartmica. Progride a oxidao da matria orgnica e a taxa de crescimento comea a diminuir. Fontes de carbono orgnico disponvel se tornam limitantes, reduzindo a taxa de consumo de oxignio. 11. BIODIGESTO ANAERBIA Biogs e Biofertilizante Matria Orgnica Bactrias anaerbias estritas e facultativas decomposio complexa Pode-se converter uma grande quantidade de resduos, em subprodutos teis. Mais de 90% da energia disponvel por oxidao direta se transforma em metano. 12. Promove a gerao do biogs; Permite a reciclagem do efluente; Alternativa para o tratamento de resduos; Permite a reduo do potencial poluidor e dos riscos sanitrios dos dejetos. 13. Modelo Indiano 14. Modelo Chins 15. Modelo Canadense Modelo tipo horizontal; Caixa de carga em alvenaria e com a largura maior que a profundidade; Grande producao de biogas rea maior de exposicao ao sol Amplamente difundido: hoje a tecnologia mais utilizada; O biogs pode ser enviado para um gasmetro separado. 16. Embora apresente a vantagem de ser de fcil construo, possui menor durabilidade. 17. A localizao do biodigestor de grande importncia, uma vez que ir afetar o sucesso ou a falha da operao do sistema. Deve estar pelo menos de 30 a 50 metros de qualquer fonte de gua para evitar a possibilidade de contaminao; Deve estar localizado preferencialmente em rea protegida de ventos frios e onde a temperatura permanece relativamente estvel, tentando receber o mximo de energia solar. 18. 2. CARACTERIZAO DOS RESDUOS Natureza e Bioqumica da Composio da Biomassa Fermentao metanognica Resduos orgnicos de origem vegetal, animal, agroindustrial e domstico. As caractersticas bioqumicas devem permitir o desenvolvimento e a atividade microbiana anaerbica. 19. Processo Microbiolgico Requer no apenas fontes de carbono e nitrognio, mas tambm devem estar presentes um certo equilbrio de minerais. Substncias com alto teor de lignina No so diretamente utilizveis; devem ser submetidos a tratamentos prvios. 20. Esterco animal A degradao depender principalmente do tipo de animal e do alimento que tenham recebido. 21. As fontes de carbono mais utilizadas pelos micro-organismos so os carboidratos e compostos orgnicos, especialmente hexoses, que so degradadas por uma nica via. CARBONO: Fonte de energia para as bactrias; NITROGNIO: Componente essencial para a formao de novas clulas bacterianas. 22. MDULO II Histrico da Produo de Biogs Fundamentos Bioqumicos Para Produo de Biogs 23. 3. HISTRICO DA PRODUO DE BIOGS Ha relatos que o biogas ja era conhecido ha muito tempo, pois a producao do mesmo a partir de residuos organicos e um processo extremamente antigo; Comprovacoes historicas mostram que a primeira instalacao de biodigestores surgiu na segunda metade do seculo XIX; Alessandro Volta: pesquisador italiano descobre o gs metano, resultado da decomposicao de restos vegetais em ambientes confinados; 24. Em 1939 foi criado na cidade de Kampur, na ndia, o Institute Gobr Gs: criao da primeira usina de gs de esterco. Esse trabalho pioneiro permitiu a construcao de quase meio milhao de biodigestores na India. A utilizacao do biogas na India, como fonte de energia, motivou a China a adotar tal tecnologia a partir de 1958. Em 1972, a China ja possuia aproximadamente 7,2 milhoes de biodigestores em atividade. 25. Crise energtica em 1973: a implantao de biodigestores passou a ser interessante para pases ricos e de terceiro mundo. Guerra fria: Devido a questes militares, surgiu interesse pelo uso de biodigestores. A China temeu que um ataque nuclear impedisse toda e qualquer atividade economica; Foram desenvolvidos na epoca dois modelos diferentes de biodigestor: o modelo chines e o modelo indiano. 26. NOS DIAS ATUAIS O governo chines considerou viavel aperfeicoar as tecnicas rudimentares de cultivo do solo, com os biodigestores ocupando papel de destaque; No caso da India, a fome e a falta de combustiveis fosseis e que motivaram o desenvolvimento da tecnologia dos biodigestores. Logo, os chineses priorizam o biofertilizante para producao dos alimentos necessarios a sua nacao populosa e indianos focam no biogas para cobrir o imenso deficit de energia. 27. NO BRASIL Estudos envolvendo o uso de biodigestores tm sido utilizados em duas principais vertentes: Tratamento de efluentes; Uso energtico do biogs. Existe uma terceira vertente importante relacionada ao uso do efluente para melhorar a fertilidade de solo e, com isso, aumentar a sustentabilidade do sistema produtivo. 28. 4. FUNDAMENTOS BIOQUMICOS PARA PRODUO DE BIOGS Hidrlise As enzimas produzidas pelas bactrias transformam polmeros, como amido e protenas, em monmeros, como acares e aminocidos. 29. Acidognese Na acidognese, esses monmeros so transformados em cidos graxos volteis (AGV), como cido butrico e cido propinico. Material orgnico simples cidos orgnicos simples 30. Acetognese Na acetognese, esses cidos graxos volteis so transformados em cido actico, gs carbnico e hidrognio gasoso. cidos graxos volteis CO2 H2 cido actico 31. Metanognese O cido actico transformado em metano e gs carbnico pelas bactrias metanognicas acetoclsticas e o gs carbnico e o hidrognio so combinados, formando metano, pelas bactrias metanognicas hidrogenotrficas. Acetato CO2 H2 METANO 32. Micro-organismos envolvidos em cada etapa de digesto anaerbia Os micro-organismos envolvidos no processo variar dependendo dos materiais a serem degradados. lcoois, cidos graxos, e os anis aromticos podem ser degradados pela respirao anaerbica. E. coli 33. Bactrias envolvidas na hidrlise Bacteroides Lactobacillus Propionibacterium Sphingomonas Sporobacterium Megasphaera Bifidobacterium Lactobacillus sp Gneros: 34. Bactrias envolvidas na acidognese: Paenibacillus Ruminococcus Presentes em todas as fases, Archaeas mas so dominantes na acidognica. 35. Bactrias envolvidas na acetognese: Estas bactrias s podem sobreviver em simbiose com o gnero que consome hidrognio; As bactrias acetognicas redutoras de sulfato so capazes de degradar o lactato e o etanol, mas no so capazes de degradar os cidos graxos e compostos aromticos. 36. Bactrias envolvidas em metanognese: As bactrias metanognicas aparecem na segunda fase da fermentao, porm, a quantidade aumenta fase metanognica. Principais espcies: Methanosarcina Methanobacterium Methanospirillum hungatii 37. Fatores que Afetam a Produo de Biogs Temperatura Tempo de Reteno Hidrulica Teor de Slidos Concentrao de nutrientes Concentraes de slidos volteis Substncias txicas pH 38. Temperatura A temperatura de operao do digestor, considerado um dos principais parmetros, devido grande influncia deste fator na taxa de digesto anaerbia. A velocidade da reao 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 acelerada Aumento da produo de biogs 39. As variaes bruscas de temperatura no digestor pode desencadear a desestabilizao do processo. Existem trs intervalos de temperatura em que se pode trabalhar com micro-organismos anaerbicos: Psicrfilos (abaixo de 25 oC) Mesfilos (25 a 45 oC) Termfilos (entre 45 e 65 oC) 40. Tempo de Reteno Hidrulica (TRH) o tempo necessrio para a mistura ser digerida no digestor. Ocorre quando a produo de gs mxima, definindo o ponto de melhor qualidade do biogs no processo de biodigesto anaerbia. 41. O tempo de reteno determinado, num processo contnuo, pela relao entre volume do biodigestor e o volume dirio de carga introduzida. Usualmente, o TRH dura de 30 a 45 dias. Em algumas situaes possvel a existncia do biogs logo na primeira semana. 42. Teor de Slido Total Material residual que fica em uma cpsula aps secagem at peso constante em estufa em temperatura elevada (105oC); Falta de gua: pode provocar entupimento na tubulao; Excesso de gua: pode atrapalhar o processo da hidrlise, pois exigida uma elevada carga de biomassa para que a mesma se processe adequadamente. 43. Concentrao de Nutrientes So necessrios macro e micronutrientes do processo anaerbio para a sntese de nova de biomassa; Deve existir uma relao carbono/nitrognio mantida entre 20:1 e 30:1. EXCESSO DE NITROGNIO: pode levar a reduo da produo de biogs, podendo ter como produto final compostos nitrogenados como a amnia ( NH3). 44. Concentraes de Slidos Volteis (SV) a poro de slidos totais que liberada de uma amostra, volatilizando-se quando aquecida at peso constante a 600oC. Os SV contm componentes orgnicos, que, teoricamente, deveriam ser convertidos em metano. 45. Substncias Txicas Uso de desinfetantes, antibiticos e bactericidas Podem contaminar o esterco, afetando as bactrias envolvidas no processo. 46. Caractersticas do Biogs O metano altamente combustivel e inflamavel, produzindo chama azul-clara e queimando em CO2 e H2O. Possui alto poder calorfero. Composio do biogs: Fonte: LA FARGE (1979), APPUD COLDEBELLA (2006) 47. A qualidade do biogs depende da quantidade de metano na mistura, ou seja, quanto maior for a quantidade de metano, melhor ser o biogs em termos energticos. O Biogs com um teor de metano entre 50 e 80%, ter um poder calorfico entre 4,95 e 7,92 kWh/m . A produo inicial do biodigestor contm muito dixido de carbono (CO2), sendo totalmente invivel sua imediata utilizao. 48. Capacidade de Gerao de Biogs em Funo de Diferentes Resduos A gerao de biogs depende da caracterstica do resduo, que o substrato para o crescimento dos micro-organismos. A dieta dos animais e sistema digestrio, interferem na distino dos resduos quanto potencialidade de produo de biogs. 49. MDULO III Viabilidade Econmica dos Biodigestores 50. 5. VIABILIDADE ECONMICA SEGUNDO COLDEBELLA, 2006. Propriedade 1: 130 bovinos em regime de confinamento; Biodigestor com 7 x 40 x 3 m de largura, comprimento e profundidade, respectivamente; O sistema aproveita toda agua de lavagem da sala de ordenha e do barracao de confinamento; O biofertilizante e utilizado para fertirrigacao; O biogas e utilizado para producao de energia eletrica, por meio de um conjunto motor-gerador instalado na propriedade. 51. Propriedade 2: 1.000 matrizes; Os dejetos so conduzidos a um biodigestor com 10,5 x 55 x 4,5m de largura, comprimento e profundidade, respectivamente; Biofertilizante utilizado para fertirrigao; Para a produo de energia eltrica, usado o biogs. 52. Produo de biogs a partir de resduos pecurios SV slidos volteis; 1 chorume diludo com guas de lavagem; 2 chorume no diludo e sem material constituinte das camas dos animais, diluies podem variar entre 1:0,5 e 1:7, palha para cama entre 1 a 3 kg/animal/dia. (Fonte: Coldebella, 2006) 53. O sistema de cultivo e a quantidade de animais determinam a capacidade de produo de biogs. 127,4 m3/biogs/dia Propriedade 1: 130 Vacas 0,980 m3/animal/dia de biogs Propriedade 2: 933 m3/biogs/dia 1000 Porcas 0,933 m3/animal/dia de biogs 54. 1 m3 de biogs equivale a 6,5 kWh Eficincia (%) = (energia produzida kWh/m3 / 6,5 kWh/m3) * 100 A energia produzida kWh/m3 obtida convertendo-se a potncia gerada em HP para kWh. Com essa converso calcula-se a produo de energia em kWh/m3. 1HP equivale a 0,746 kW 55. O gasmetro conectado ao motor-gerador ou motor-bomba, que permanece em funcionamento at que o biogs seja totalmente consumido. A implantao do biodigestor equivale a, aproximadamente, R$ 200,00/suno e do conjunto motor-gerador cerca de R$ A implantao do biodigestor equivale a, aproximadamente, R$ 200,00/suno e do conjunto motor-gerador cerca de R$ 440,00/kW. 440,00/kW. 56. Conjunto Motor-gerador Motor originalmente a gasolina/diesel adaptado para o biogs acoplado Gerador de energia eltrica Equipado com um quadro de comando para monitorar o seu funcionamento. 57. Motor-gerador 58. O Conjunto Motor-bomba Motor originalmente a gasolina/diesel, convertido para o biogs acoplado Bomba dgua acionada por um motor eltrico Utilizado para o bombeamento dos efluentes liquidos (biofertilizante) 59. Motor-bomba 60. O tempo de retorno do investimento est em funo do tempo de operao do equipamento, quanto menor for o tempo de operao, maior ser o custo da energia eltrica. Propriedade 1 2,5h/dia Propriedade 2 10h/dia 61. Propriedade 1 Implantao do biodigestor: R$ 50.000,00 Motor-gerador: R$ 20.000,00 Produo de 44 kWh de energia eltrica Propriedade 2 Implantao do biodigestor: R$ 100.000,00 Motor-gerador: R$ 20.000,00 Produo de 36kWh de energia eltrica 62. Custo da eletricidade (MWh) para a propriedade 1 (bovinocultura), de acordo com o tempo de amortizao e o tempo de operao do gerador: 63. Custo da eletricidade (MWh) para a propriedade 2 (suinocultura), de acordo com o tempo de amortizao e tempo de operao do gerador: 64. O tempo de retorno deste investimento est relacionado com o valor pago pelo produtor por kWh concessionria de energia eltrica. Quanto maior for o tempo diario de operacao do sistema, menor sera o tempo de retorno do investimento. Para propriedades rurais o custo cobrado gira em torno de R$ 300,00/MWh. 65. Tempo de retorno do investimento para a propriedade 1. 66. Tempo de retorno do investimento para a propriedade 2. 67. Somando-se a produo de energia eltrica economia gerada pelo uso do biogs com o sistema de bombeamento para irrigao, reduz o tempo de retorno do investimento. 68. Cogerao de Energia Eltrica a produo combinada de calor e eletricidade; Para o motor-gerador, a eficincia de converso em energia eltrica relativamente reduzida; A eficincia varia entre 25% e 38%, em relao energia inicial presente no biogs; Geralmente, os motores a diesel apresentam rendimentos de 3 a 5 pontos percentuais a mais que os motores operados a gs. 69. CCaassoo ddee SSuucceessssoo 70. MDULO IV Anlises do Processo Biofertilizante 71. 6. ANLISES DO PROCESSO Teor de Slido Total Material orgnico gua Slidos totais Secagem at peso constante A mobilidade das bactrias metanognicas no substrato limitada medida que aumenta o teor de slidos e, portanto, podem afetar a eficincia e produo de gs. 72. Teor de Slidos No Volteis o resduo inorgnico que permanece aps a queima da matria orgnica; Obtidos por calcinao. 73. Teor de Slidos Volteis Slidos Totais Slidos Volteis - = Slidos Totais Fixos A dosagem realizada para caracterizao da matria biodegradvel utilizando-se uma mufla. Quanto maior a quantidade de matria biodegradvel, maior o potencial de produo do biogs. 74. Slidos Sedimentveis Representam os slidos presentes na amostra que podem ser removidos por decantao. Teste volumtrico. 75. Anlises Fsico-qumicas pH Alcalinidade Acidez Temperatura DBO DQO Amnia Amnio Nitrito Nitrato Clcio Fsforo Magnsio Potssio 76. pH Processo anaerbio adversamente afetado por pequenas mudanas nos nveis de pH; Organismos metanognicos so mais susceptveis. Ideal entre 5,5 e 6,5 Bactrias acidognicas Bactrias metanognicas Ideal entre 7,8 e 8,2 77. Alcalinidade e Acidez Mtodo Titulomtrico Temperatura do Biogs Medio de temperatura deve ser realizada diariamente com auxlio de um termmetro diretamente do gasmetro. 78. DBO e DQO Demanda Bioqumica de Oxignio Oxignio consumido (mg L-1) aps oxidao biolgica. Demanda Qumica de Oxignio Oxignio consumido (mg L-1) aps oxidao qumica. 79. Anlise de Nutrientes Anlises laboratoriais de amnia, amnio, nitrito, nitrato, clcio, fsforo, magnsio e potssio. Fotmetro de Bancada Multiparmetro 80. Anlises Microbiolgicas Avaliao quantitativa da recuperao bacteriana aps cultura seletiva das amostras do afluente (carga inicial) e efluentes do biodigestor. 81. EMB 82. BE com Azida 83. Com a anlise quantitativa, verificou-se a diminuio das populaes bacterianas no decorrer da digesto anaerbia. Este resultado indica a eliminao das bactrias patognicas dos resduos, o que permite a reduo do potencial poluidor e dos riscos sanitrios dos dejetos. 84. Anlise de Biogs Composio mdia do biogs ao longo do tempo; Anlise em cromatografia gasosa do biogs produzido a partir de dejetos bovinos. 85. 7. BIOFERTILIZANTES Conceito Matria orgnica rica em elementos minerais. Possui grande capacidade de recuperar os solos degradados! 86. Composio Bsica do Biofertilizante Macro e Micronutrientes Nitrognio Enxofre Molibdnio Fsforo Sdio Boro Potssio Ferro Cobre Clcio Cloro Zinco Magnsio Slica Mangans A composio varia de acordo com a matria-prima a ser fermentada. 87. Ao do Biofertilizante no Solo Corretor de acidez (pH = 7,5) Dificulta a multiplicacao de fungos nao beneficos. Mantem os sais minerais em formas aproveitaveis pelas plantas, evitando que esses sais sejam levados pelas aguas; Melhora a estrutura e a textura, deixando-o mais facil de ser trabalhado e facilitando a penetracao das raizes. 88. D firmeza ao solo, de modo que resistam ao desagregadora da gua; Deixa a terra com estrutura mais porosa, permitindo maior penetrao do ar; Favorece a multiplicao das bactrias, fixando o nitrognio atmosfrico; Aumenta a produtividade e reduz o perigo de infestaes nas lavouras. 89. 8. VANTAGENS E DESVANTAGENS Vantagens da tecnologia da biodigesto: Requer menos espao que aterros sanitrios e compostagem; Diminui o volume de resduo a ser descartado; Reduz o problema de saneamento ambiental com o aproveitamente de dejetos animais e vegetais; Produo de biofertilizante. 90. Reduz significativamente a quantidade emitida de metano na atmosfera; Constitui uma fonte de renda para propriedades rurais; Gerao de crditos de carbono. 91. Produtividade Aumento de forragem Reduo de custos energticos Meio Ambiente Sade Preservao da vegetao local Melhoria da qualidade do solo Melhoria da qualidade do ar no ambiente domstico Melhoria das condies sanitrias Fonte: adaptado de Instituto WINROCK, (2008) 92. Desvantagens da tecnologia da biodigesto: Variabilidade da produo de biogs em funo do clima. A quantidade de energia gerada pelo biogs no constante; Formao de gs sulfdrico, aumentando custos de manuteno devido corroso. Custo de investimento inicial e de manuteno; Perodo de retorno do investimento varia com a tecnologia disponvel. 93. Obrigado! marcelo.otenio@embrapa.br (32) 3311-7400