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MÓDULO I Introdução ao Biodigestor Caracterização dos Resíduos

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Curso Biodigestor - produção de energia elétrica a partir da biodigestão de dejetos bovinos

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MÓDULO I

Introdução ao Biodigestor Caracterização dos Resíduos

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A pesquisa sobre fontes alternativas de

energias tem se intensificado em todo

planeta, visando diminuir a poluição

ambiental.

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Os dejetos de animais têm se tornado um

norte para as pesquisas no intuito de

proteger o meio ambiente da poluição e melhorar a qualidade

de vida com os benefícios obtidos do

tratamento dos dejetos.

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1. INTRODUÇÃO AO BIODIGESTOR

Conceitos

Estrutura destinada a conter a biomassa e seu produto: o

BIOGÁS.BIODIGESTOR

O biodigestor não produz o biogás, mas proporciona condições adequadas para que as bactérias metanogênicas atuem sobre a biomassa para produção desse combustível.

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HÁ DOIS TIPOS DE SISTEMAS:

• Contínuo

• Descontínuo

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Contínuo

• Mais difundido;

• Se adapta à maioria das biomassas;

• Cargas diárias ou periódicas;

• Descarrega o biofertilizante de forma contínua.

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Descontínuo

• Específico para biomassas de decomposição lenta;

• Recebe a carga total, retendo-a até terminar o processo de biodigestão;

• Ao término do processo, o biodigestor é totalmente esvaziado.

• Para novo processo, o biodigestor deve ser recarregado.

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O sistema mais difundido é o sistema

contínuo, cujos modelos mais conhecidos são o chinês e o indiano, que são muito utilizados no

Brasil.

(Coldebella, 2006)

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BIODIGESTÃO AERÓBIA

Princípios de Funcionamento

É realizada por diferentes grupos de micro-organismos.

O processo envolve a oxidação direta de matéria orgânica e de matéria celular biodegradável.

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Nos estágios iniciais, os micro-organismos se reproduzem a uma taxa de crescimento

populacional logarítmica.

Progride a oxidação da matéria orgânica e a taxa de crescimento começa a diminuir.

Fontes de carbono orgânico disponível se tornam limitantes, reduzindo a taxa de consumo de oxigênio.

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BIODIGESTÃO ANAERÓBIA

Biogás e Biofertilizante

Mais de 90% da energia disponível por oxidação direta se transforma em metano.

Pode-se converter uma grande quantidade de resíduos, em subprodutos úteis.

Matéria Orgânica

decomposição complexa

Bactérias anaeróbias estritas e facultativas

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• Permite a reciclagem do efluente;

• Alternativa para o tratamento de resíduos;

• Permite a redução do potencial poluidor e dos riscos sanitários dos dejetos.

• Promove a geração do biogás;

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Modelo Indiano

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Modelo Chinês

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Modelo Canadense

• Modelo tipo horizontal;

• Caixa de carga em alvenaria e com a largura maior que a profundidade;

Grande produção de biogás

Área maior de exposição ao sol

• Amplamente difundido: é hoje a tecnologia mais utilizada;

• O biogás pode ser enviado para um gasômetro separado.

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• Embora apresente a vantagem de ser de fácil construção, possui menor durabilidade.

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A localização do biodigestor é de grande importância, uma vez que irá afetar o sucesso ou a falha da operação do sistema.

• Deve estar pelo menos de 30 a 50 metros de qualquer fonte de água para evitar a possibilidade de contaminação;

• Deve estar localizado preferencialmente em área protegida de ventos frios e onde a temperatura permanece relativamente estável, tentando receber o máximo de energia solar.

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Natureza e Bioquímica da Composição da Biomassa

2. CARACTERIZAÇÃO DOS RESÍDUOS

Fermentação metanogênica

Resíduos orgânicos de origem vegetal, animal,

agroindustrial e doméstico.

• As características bioquímicas devem permitir o desenvolvimento e a atividade microbiana anaeróbica.

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Processo Microbiológico

Requer não apenas fontes de carbono e nitrogênio, mas também devem estar presentes um certo equilíbrio de minerais.

Substâncias com alto teor

de lignina

Não são diretamente utilizáveis; devem ser submetidos a tratamentos prévios.

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Esterco animal

A degradação dependerá principalmente do tipo de animal e do alimento que tenham recebido.

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• As fontes de carbono mais utilizadas pelos micro-organismos são os carboidratos e compostos orgânicos, especialmente hexoses, que são degradadas por uma única via.

CARBONO: Fonte de energia para as bactérias;

NITROGÊNIO: Componente essencial para a formação de novas células bacterianas.

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MÓDULO II

Histórico da Produção de Biogás Fundamentos Bioquímicos Para Produção de Biogás

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3. HISTÓRICO DA PRODUÇÃO DE BIOGÁS

• Há relatos que o biogás já era conhecido há muito tempo, pois a produção do mesmo a partir de resíduos orgânicos é um processo extremamente antigo;

• Comprovações históricas mostram que a primeira instalação de biodigestores surgiu na segunda metade do século XIX;

• Alessandro Volta: pesquisador italiano descobre o gás metano, resultado da decomposição de restos vegetais em ambientes confinados;

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• Em 1939 foi criado na cidade de Kampur, na Índia, o Institute Gobár Gás: criação da primeira usina de gás de esterco.

• Esse trabalho pioneiro permitiu a construção de quase meio milhão de biodigestores na Índia.

• A utilização do biogás na Índia, como fonte de energia, motivou a China a adotar tal tecnologia a partir de 1958.

• Em 1972, a China já possuía aproximadamente 7,2 milhões de biodigestores em atividade.

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• Crise energética em 1973: a implantação de biodigestores passou a ser interessante para países ricos e de terceiro mundo.

• Guerra fria: Devido a questões militares, surgiu interesse pelo uso de biodigestores. A China temeu que um ataque nuclear impedisse toda e qualquer atividade econômica;

• Foram desenvolvidos na época dois modelos diferentes de biodigestor: o modelo chinês e o modelo indiano.

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• O governo chinês considerou viável aperfeiçoar as técnicas rudimentares de cultivo do solo, com os biodigestores ocupando papel de destaque;

• No caso da Índia, a fome e a falta de combustíveis fósseis é que motivaram o desenvolvimento da tecnologia dos biodigestores.

• Logo, os chineses priorizam o biofertilizante para produção dos alimentos necessários a sua nação populosa e indianos focam no biogás para cobrir o imenso déficit de energia.

• NOS DIAS ATUAIS…

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Estudos envolvendo o uso de biodigestores têm sido utilizados em duas principais vertentes:

• Tratamento de efluentes;• Uso energético do biogás.

NO BRASIL…

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.

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4. FUNDAMENTOS BIOQUÍMICOS PARA PRODUÇÃO DE BIOGÁS

Hidrólise

• As enzimas produzidas pelas bactérias transformam polímeros, como amido e proteínas, em monômeros, como açúcares e aminoácidos.

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Acidogênese

• Na acidogênese, esses monômeros são transformados em ácidos graxos voláteis (AGV), como ácido butírico e ácido propiônico.

Material orgânico simples

Ácidos orgânicos simples

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Acetogênese

• Na acetogênese, esses ácidos graxos voláteis são transformados em ácido acético, gás carbônico e hidrogênio gasoso.

Ácidos graxos voláteis

CO2

H2

Ácido acético

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Metanogênese

O Ácido acético é transformado em metano e gás carbônico pelas bactérias metanogênicas acetoclásticas e o gás carbônico e o hidrogênio são combinados, formando metano, pelas bactérias metanogênicas hidrogenotróficas.

AcetatoCO2

H2

METANO

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Micro-organismos envolvidos em cada etapa de digestão anaeróbia

• Os micro-organismos envolvidos no processo variará dependendo dos materiais a serem degradados.

• Álcoois, ácidos graxos, e os anéis aromáticos podem ser degradados pela respiração anaeróbica.

E. coli

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• Bacteroides

• Lactobacillus

• Propionibacterium

• Sphingomonas

• Sporobacterium

• Megasphaera

• Bifidobacterium

Bactérias envolvidas na hidrólise

Lactobacillus sp

Gêneros:

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Bactérias envolvidas na acidogênese:

PaenibacillusRuminococcus

Presentes em todas as fases, mas são dominantes na acidogênica.

Archaeas

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Bactérias envolvidas na acetogênese:

• Estas bactérias só podem sobreviver em simbiose com o gênero que consome hidrogênio;

• As bactérias acetogênicas redutoras de sulfato são capazes de degradar o lactato e o etanol, mas não são capazes de degradar os ácidos graxos e compostos aromáticos.

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As bactérias metanogênicas aparecem na segunda fase da fermentação, porém, a quantidade aumenta fase metanogênica.

Bactérias envolvidas em metanogênese:

• Methanosarcina• Methanobacterium• Methanospirillum hungatii

Principais espécies:

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Fatores que Afetam a Produção de Biogás

• Teor de Sólidos

• Concentração de nutrientes

• pH

• Temperatura

• Tempo de Retenção Hidráulica

• Concentrações de sólidos voláteis

• Substâncias tóxicas

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Temperatura

• A velocidade da reação depende da velocidade de crescimento dos micro-organismos envolvidos, que por sua vez dependem da temperatura.

• A temperatura de operação do digestor, é considerado um dos principais parâmetros, devido à grande influência deste fator na taxa de digestão anaeróbia.

Aumento da temperatura

Velocidade de crescimento de

micro-organismos é acelerada

Aumento da produção de biogás

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• As variações bruscas de temperatura no digestor pode desencadear a desestabilização do processo.

• Existem três intervalos de temperatura em que se pode trabalhar com micro-organismos anaeróbicos:

Psicrófilos (abaixo de 25 oC)Mesófilos (25 a 45 oC) Termófilos (entre 45 e 65 oC)

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Tempo de Retenção Hidráulica (TRH)

• É o tempo necessário para a mistura ser digerida no digestor.

• Ocorre quando a produção de gás é máxima, definindo o ponto de melhor qualidade do biogás no processo de biodigestão anaeróbia.

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• O tempo de retenção é determinado, num processo contínuo, pela relação entre volume do biodigestor e o volume diário de carga introduzida.

• Usualmente, o TRH dura de 30 a 45 dias.

• Em algumas situações é possível a existência do biogás logo na primeira semana.

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Teor de Sólido Total

• Material residual que fica em uma cápsula após secagem até peso constante em estufa em temperatura elevada (105oC);

• Falta de água: pode provocar entupimento na tubulação;

• Excesso de água: pode atrapalhar o processo da hidrólise, pois é exigida uma elevada carga de biomassa para que a mesma se processe adequadamente.

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Concentração de Nutrientes

• São necessários macro e micronutrientes do processo anaeróbio para a síntese de nova de biomassa;

• Deve existir uma relação carbono/nitrogênio mantida entre 20:1 e 30:1.

EXCESSO DE NITROGÊNIO: pode levar a redução da produção de biogás, podendo ter como produto final compostos nitrogenados como a amônia ( NH3).

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Concentrações de Sólidos Voláteis (SV)

• É a porção de sólidos totais que é liberada de uma amostra, volatilizando-se quando aquecida até peso constante a 600oC.

• Os SV contêm componentes orgânicos, que, teoricamente, deveriam ser convertidos em metano.

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Substâncias Tóxicas

Podem “contaminar” o esterco, afetando as bactérias envolvidas

no processo.

Uso de desinfetantes, antibióticos e bactericidas

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Características do Biogás

• O metano é altamente combustível e inflamável, produzindo chama azul-clara e queimando em CO2

e H2O.

• Possui alto poder calorífero.

Composição do biogás:

Fonte: LA FARGE (1979), APPUD COLDEBELLA (2006)

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• A qualidade do biogás depende da quantidade de metano na mistura, ou seja, quanto maior for a quantidade de metano, melhor será o biogás em termos energéticos.

• O Biogás com um teor de metano entre 50 e 80%, terá um poder calorífico entre 4,95 e 7,92 kWh/m .

• A produção inicial do biodigestor contém muito dióxido de carbono (CO2), sendo totalmente inviável sua imediata utilização.

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Capacidade de Geração de Biogás em Função de Diferentes Resíduos

• A geração de biogás depende da característica do resíduo, que é o substrato para o crescimento dos micro-organismos.

• A dieta dos animais e sistema digestório, interferem na distinção dos resíduos quanto à potencialidade de produção de biogás.

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MÓDULO III

Viabilidade Econômica dos Biodigestores

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5. VIABILIDADE ECONÔMICA 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 água de lavagem da sala de

ordenha e do barracão de confinamento;

• O biofertilizante é utilizado para fertirrigação;

• O biogás é utilizado para produção de energia

elétrica, por meio de um conjunto motor-gerador

instalado na propriedade.

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Propriedade 2:

• 1.000 matrizes;

• Os dejetos são conduzidos a um biodigestor com 10,5 x 55 x 4,5m de largura, comprimento e profundidade, respectivamente;

• Biofertilizante é utilizado para fertirrigação;

• Para a produção de energia elétrica, é usado o biogás.

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SV – sólidos voláteis; 1 – chorume diluído com águas de lavagem; 2 – chorume não diluído e sem material constituinte das camas dos animais, diluições podem variar entre 1:0,5 e 1:7, palha para cama entre 1 a 3 kg/animal/dia.

Produção de biogás a partir de resíduos pecuários

(Fonte: Coldebella, 2006)

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O sistema de cultivo e a quantidade de animais determinam a capacidade de produção de biogás.

127,4 m3/biogás/dia

• Propriedade 1:

130 Vacas

0,980 m3/animal/dia de biogás

• Propriedade 2:

933 m3/biogás/dia1000

Porcas0,933 m3/animal/dia

de biogás

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1 m3 de biogás equivale a 6,5 kWh

Eficiência (%) = (energia produzida kWh/m3 / 6,5 kWh/m3) * 100

• A energia produzida kWh/m3 é obtida convertendo-se a potência gerada em HP para kWh. Com essa conversão calcula-se a produção de energia em kWh/m3.

1HP equivale a 0,746 kW

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O gasômetro é conectado ao motor-gerador ou motor-bomba, que permanece em funcionamento até que o biogás seja

totalmente consumido.

A implantação do biodigestor equivale a, aproximadamente, R$ 200,00/suíno e do

conjunto motor-gerador cerca de R$ 440,00/kW.

A implantação do biodigestor equivale a, aproximadamente, R$ 200,00/suíno e do

conjunto motor-gerador cerca de R$ 440,00/kW.

Page 62: Curso biodigestor OTENIO, M.H. 16 09 2014

Conjunto Motor-gerador

Equipado com um quadro de comando para monitorar o seu funcionamento.

Motor originalmente a gasolina/diesel adaptado para o biogás

Gerador de energia elétrica

acoplado

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Motor-gerador

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O Conjunto Motor-bomba

Utilizado para o bombeamento dos efluentes líquidos (biofertilizante)

Motor originalmente a gasolina/diesel, convertido para o biogás

Bomba d’água acionada por um motor elétrico

acoplado

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Motor-bomba

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• O tempo de retorno do investimento está em função do tempo de operação do equipamento, quanto menor for o tempo de operação, maior será o custo da energia elétrica.

Propriedade 1 2,5h/diaPropriedade 2 10h/dia

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• Implantação do biodigestor: R$ 100.000,00

• Motor-gerador: R$ 20.000,00

• Produção de 36kWh de energia elétrica

Propriedade 1

• Implantação do biodigestor: R$ 50.000,00

• Motor-gerador: R$ 20.000,00

• Produção de 44 kWh de energia elétrica

Propriedade 2

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Custo da eletricidade (MWh) para a propriedade 1 (bovinocultura), de acordo com o tempo de amortização e o tempo de operação do gerador:

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Custo da eletricidade (MWh) para a propriedade 2 (suinocultura), de acordo com o tempo de amortização e tempo de operação do gerador:

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• O tempo de retorno deste investimento está relacionado com o valor pago pelo produtor por kWh à concessionária de energia elétrica.

• Quanto maior for o tempo diário de operação do sistema, menor será o tempo de retorno do investimento.

• Para propriedades rurais o custo cobrado gira em torno de R$ 300,00/MWh.

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Tempo de retorno do investimento para a propriedade 1.

Page 72: Curso biodigestor OTENIO, M.H. 16 09 2014

Tempo de retorno do investimento para a propriedade 2.

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Somando-se a produção de energia elétrica à economia

gerada pelo uso do biogás com o sistema de bombeamento para

irrigação, reduz o tempo de retorno do investimento.

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Cogeração de Energia Elétrica

• É a produção combinada de calor e eletricidade;

• Para o motor-gerador, a eficiência de conversão em energia elétrica é relativamente reduzida;

• A eficiência varia entre 25% e 38%, em relação à energia inicial presente no biogás;

• Geralmente, os motores a diesel apresentam rendimentos de 3 a 5 pontos percentuais a mais que os motores operados a gás.

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Caso de SucessoCaso de Sucesso

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MÓDULO IV

Análises do Processo

Biofertilizante

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6. ANÁLISES DO PROCESSO

Teor de Sólido Total

A mobilidade das bactérias metanogênicas no substrato é limitada à medida que aumenta o teor de sólidos e,

portanto, podem afetar a eficiência e produção de gás.

Material orgânico

ÁguaSólidos totais

Secagem até peso constante

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Teor de Sólidos Não Voláteis

• É o resíduo inorgânico que permanece após a queima da matéria orgânica;

• Obtidos por calcinação.

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Teor de Sólidos Voláteis

• Quanto maior a quantidade de matéria biodegradável, maior é o potencial de produção do biogás.

• A dosagem é realizada para caracterização da matéria biodegradável utilizando-se uma mufla.

Sólidos Totais

Sólidos Totais Fixos

Sólidos Voláteis- =

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Sólidos Sedimentáveis

• Representam os sólidos presentes na amostra que podem ser removidos por decantação.

• Teste volumétrico.

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• pH • Alcalinidade • Acidez • Temperatura• DBO• DQO• Amônia

Análises Físico-químicas

• Amônio• Nitrito• Nitrato• Cálcio • Fósforo• Magnésio• Potássio

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pH

• Processo anaeróbio é adversamente afetado por pequenas mudanças nos níveis de pH;

• Organismos metanogênicos são mais susceptíveis.

Ideal entre 5,5 e 6,5Bactérias

acidogênicas

Bactériasmetanogênicas Ideal entre 7,8 e 8,2

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Alcalinidade e Acidez

Método Titulométrico

Temperatura do Biogás

Medição de temperatura deve ser realizada diariamente com auxílio de um termômetro diretamente do gasômetro.

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DBO e DQO

Demanda Bioquímica de Oxigênio

Oxigênio consumido (mg L-1) após oxidação biológica.

Demanda Química de Oxigênio

Oxigênio consumido (mg L-1) após oxidação química.

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Análise de Nutrientes

Fotômetro de Bancada Multiparâmetro

• Análises laboratoriais de amônia, amônio, nitrito, nitrato, cálcio, fósforo, magnésio e potássio.

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Análises Microbiológicas

• Avaliação quantitativa da recuperação bacteriana após cultura seletiva das amostras do afluente (carga inicial) e efluentes do biodigestor.

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EMB

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BE com Azida

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Com a análise quantitativa, verificou-se a diminuição das populações bacterianas no decorrer da digestão anaeróbia. Este resultado indica a eliminação das bactérias patogênicas dos resíduos, o que permite a redução do potencial poluidor e dos riscos sanitários dos dejetos.

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• Composição média do biogás ao longo do tempo;

Análise de Biogás

Análise em cromatografia gasosa do biogás produzido a partir de dejetos bovinos.

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7. BIOFERTILIZANTES

Conceito

Matéria orgânica rica em elementos minerais.

Possui grande capacidade de recuperar os solos degradados!

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Composição Básica do Biofertilizante

Macro e Micronutrientes

Nitrogênio Enxofre Molibdênio

Fósforo Sódio Boro

Potássio Ferro Cobre

Cálcio Cloro Zinco

Magnésio Sílica Manganês

A composição varia de acordo com a matéria-prima a ser fermentada.

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Ação do Biofertilizante no Solo

• Mantém os sais minerais em formas aproveitáveis pelas plantas, evitando que esses sais sejam levados pelas águas;

Corretor de acidez (pH = 7,5)

Dificulta a multiplicação de fungos não benéficos.

• Melhora a estrutura e a textura, deixando-o mais fácil de ser trabalhado e facilitando a penetração das raízes.

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• Favorece a multiplicação das bactérias, fixando o nitrogênio atmosférico;

• Aumenta a produtividade e reduz o perigo de infestações nas lavouras.

• Dá firmeza ao solo, de modo que resistam à ação desagregadora da água;

• Deixa a terra com estrutura mais porosa, permitindo maior penetração do ar;

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8. VANTAGENS E DESVANTAGENS

Vantagens da tecnologia da biodigestão:

• Requer menos espaço que aterros sanitários e

compostagem;

• Diminui o volume de resíduo a ser descartado;

• Reduz o problema de saneamento ambiental com

o aproveitamente de dejetos animais e vegetais;

• Produção de biofertilizante.

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• Reduz significativamente a quantidade emitida de

metano na atmosfera;

• Constitui uma fonte de renda para propriedades

rurais;

• Geração de créditos de

carbono.

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Produtividade

Meio Ambiente

Saúde

• Aumento de forragem• Redução de custos energéticos

• Preservação da vegetação local• Melhoria da

qualidade do solo

• Melhoria da qualidade do ar no ambiente doméstico

• Melhoria das condições sanitárias

Fonte: adaptado de Instituto WINROCK, (2008)

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Desvantagens da tecnologia da biodigestão:

• Variabilidade da produção de biogás em função do

clima.

• A quantidade de energia gerada pelo biogás não é

constante;

• Formação de gás sulfídrico, aumentando custos de

manutenção devido à corrosão.

• Custo de investimento inicial

e de manutenção;

• Período de retorno do investimento

varia com a tecnologia disponível.

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