Download - Curso biodigestor OTENIO, M.H. 16 09 2014
MÓDULO I
Introdução ao Biodigestor Caracterização dos Resíduos
A pesquisa sobre fontes alternativas de
energias tem se intensificado em todo
planeta, visando diminuir a poluição
ambiental.
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.
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.
HÁ DOIS TIPOS DE SISTEMAS:
• Contínuo
• Descontínuo
Contínuo
• Mais difundido;
• Se adapta à maioria das biomassas;
• Cargas diárias ou periódicas;
• Descarrega o biofertilizante de forma contínua.
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.
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)
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.
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.
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
• 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;
Modelo Indiano
Modelo Chinês
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.
• Embora apresente a vantagem de ser de fácil construção, possui menor durabilidade.
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.
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.
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.
Esterco animal
A degradação dependerá principalmente do tipo de animal e do alimento que tenham recebido.
• 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.
MÓDULO II
Histórico da Produção de Biogás Fundamentos Bioquímicos Para Produção de Biogás
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;
• 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.
• 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.
• 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…
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.
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.
Acidogênese
• Na acidogênese, esses monômeros são transformados em ácidos graxos voláteis (AGV), como ácido butírico e ácido propiônico.
Material orgânico simples
Ácidos orgânicos simples
Acetogênese
• Na acetogênese, esses ácidos graxos voláteis são transformados em ácido acético, gás carbônico e hidrogênio gasoso.
Ácidos graxos voláteis
CO2
H2
Ácido acético
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
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
• Bacteroides
• Lactobacillus
• Propionibacterium
• Sphingomonas
• Sporobacterium
• Megasphaera
• Bifidobacterium
Bactérias envolvidas na hidrólise
Lactobacillus sp
Gêneros:
Bactérias envolvidas na acidogênese:
PaenibacillusRuminococcus
Presentes em todas as fases, mas são dominantes na acidogênica.
Archaeas
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.
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:
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
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
• 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)
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.
• 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.
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.
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).
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.
Substâncias Tóxicas
Podem “contaminar” o esterco, afetando as bactérias envolvidas
no processo.
Uso de desinfetantes, antibióticos e bactericidas
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)
• 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.
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.
MÓDULO III
Viabilidade Econômica dos Biodigestores
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.
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.
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)
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
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
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.
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
Motor-gerador
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
Motor-bomba
• 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
• 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
Custo da eletricidade (MWh) para a propriedade 1 (bovinocultura), de acordo com o tempo de amortização e o tempo de operação do gerador:
Custo da eletricidade (MWh) para a propriedade 2 (suinocultura), de acordo com o tempo de amortização e tempo de operação do gerador:
• 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.
Tempo de retorno do investimento para a propriedade 1.
Tempo de retorno do investimento para a propriedade 2.
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.
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.
Caso de SucessoCaso de Sucesso
MÓDULO IV
Análises do Processo
Biofertilizante
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
Teor de Sólidos Não Voláteis
• É o resíduo inorgânico que permanece após a queima da matéria orgânica;
• Obtidos por calcinação.
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- =
Sólidos Sedimentáveis
• Representam os sólidos presentes na amostra que podem ser removidos por decantação.
• Teste volumétrico.
• pH • Alcalinidade • Acidez • Temperatura• DBO• DQO• Amônia
Análises Físico-químicas
• Amônio• Nitrito• Nitrato• Cálcio • Fósforo• Magnésio• Potássio
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
Alcalinidade e Acidez
Método Titulométrico
Temperatura do Biogás
Medição de temperatura deve ser realizada diariamente com auxílio de um termômetro diretamente do gasômetro.
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.
Análise de Nutrientes
Fotômetro de Bancada Multiparâmetro
• Análises laboratoriais de amônia, amônio, nitrito, nitrato, cálcio, fósforo, magnésio e potássio.
Análises Microbiológicas
• Avaliação quantitativa da recuperação bacteriana após cultura seletiva das amostras do afluente (carga inicial) e efluentes do biodigestor.
EMB
BE com Azida
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.
• Composição média do biogás ao longo do tempo;
Análise de Biogás
Análise em cromatografia gasosa do biogás produzido a partir de dejetos bovinos.
7. BIOFERTILIZANTES
Conceito
Matéria orgânica rica em elementos minerais.
Possui grande capacidade de recuperar os solos degradados!
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.
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.
• 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;
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.
• Reduz significativamente a quantidade emitida de
metano na atmosfera;
• Constitui uma fonte de renda para propriedades
rurais;
• Geração de créditos de
carbono.
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)
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.
Obrigado!
[email protected](32) 3311-7400