Produção de biogás na digestão anaeróbia

A digestão anaeróbia (DA) consiste num processo bioquímico no qual vários tipos de microrganismos decompõem a matéria orgânica complexa em outros componentes mais simples, na ausência de oxigénio. Este processo divide-se nas seguintes fases independentes: hidrólise, acidogénese, acetogénese e metanogénese (Rutz, 2015; Piatek et al., 2016).

Factores de influência no processo de DA

Dado que se trata de um processo biológico, a DA é dependente do potencial metabólico dos organismos e das condições ambientais. Assim, vários factores podem afetar o processo de DA entre os quais se destacam o tipo e concentração do substrato, temperatura, humidade, pH, razão C/N, entre outros (Khalid et al., 2011).

Entre estes factores, a temperatura é um dos mais relevantes dada a sua influência sendo que temperaturas baixas podem inviabilizar o processo, uma vez que originam uma diminuição das taxas de crescimento dos microrganismos e, por outro lado temperaturas excessivamente elevadas podem induzir uma diminuição dos substratos disponíveis, assim como o aumento da concentração de amónia que suprime a atividade metanogénica (Khalid et al., 2011).

Assim, a produção de biogás pode ser realizada em digestores em três gamas de temperatura, geralmente aquecidos pela fração de energia térmica produzida que tende a variar entre 20% a 40% de forma a potenciar a degradação da matéria orgânica por ação dos microrganismos. Os três níveis de temperatura são: psicrófilo (abaixo de 25ºC), mesófilo (25ºC a 45ºC) e termófilo (45ºC a 70ºC) (Rutz, 2015).

A temperatura mais frequentemente utilizada é a mesófila (Bachmann, 2015), sendo que de acordo com Khalid et al., 2011, a melhor temperatura operacional é de a 35ºC durante um período de digestão de 18 dias. Relativamente ao pH, constitui igualmente um factor influente sendo que de acordo com Khalid et al. (2011), o valor para que um digestor opere nas melhores circunstâncias, é um valor próximo de 7, idealmente, entre 6,8 e 7,2.

Por outro lado, os principais elementos necessários à síntese do material orgânico são o carbono, o azoto e o hidrogénio, entre outros elementos em menores quantidades como enxofre, fósforo, fosfolípidos, ATP, potássio, cálcio, magnésio e ferro. Destes o azoto assume uma grande importância, sendo que para um bom funcionamento do processo anaeróbio a relação entre o carbono e o azoto (razão C/N) deve ser entre 15 e 30 (Santos, 2000).

Características dos digestores anaeróbios

Este processo é realizado em digestores anaeróbios, cujo sistema de alimentação pode ser efetuado por dois modos: sistema de alimentação descontínuo, nos quais a alimentação da lama

ao digestor não é efetuada em permanência; e sistemas de alimentação contínuos, o formato mais frequente, onde o volume de lamas no digestor é constante (Santos, 2000).

Estes digestores podem ainda ser agrupados de acordo com duas categorias: digestores de biomassa suspensa e biomassa fixa. No primeiro tipo de digestores a biomassa encontra-se suspensa no líquido do digestor, dotado de alimentação continua ou semi-contínua e ainda com a possibilidade de serem providos de aquecimento e sistema de agitação. São indicados para tratamento de resíduos semi-sólidos. Os tipos de digestores mais comuns dentro desta categoria são: reator de mistura completa, reator de contacto, reator de leito de lamas de fluxo ascendente e reator de fluxo pistão (Santos, 2000).

Por outro lado, nos digestores de biomassa fixa, a biomassa encontra-se fixa a um meio de suporte inerte induzindo um tempo de retenção superior ao tempo de retenção do efluente a tratar. São adequados para o tratamento de substratos com baixo teor em sólidos. Dentro desta categoria destacam-se os digestores mais comuns: filtro anaeróbio ascendente, filtro hibrido anaeróbio e reator de leito expandido e reactor de leito fluidizado (Santos, 2000).

Biogás como recurso energético

O processo de DA em ETAR, associado à linha de tratamento da fase sólida, tem como finalidade mineralizar as lamas produzidas visando a produção de biogás, cuja composição é sobretudo metano (40-80%), dióxido de carbono (15-45%) e ainda por outros compostos em menores quantidades como o sulfureto de hidrogénio, amónia, azoto, entre outros (Rutz, 2015). O biogás produzido é então submetido a secagem e remoção de componentes indesejáveis como o sulfureto de hidrogénio de forma a alcançar o maior teor em metano possível pois quanto maior for, mais eficiente é o processo de conversão em energia (Rutz, 2015; Bachmann, 2015). O metano é um gás inodoro e incolor, e possui um poder calorífico de 39,8 MJ/m3_{. Por outro lado,} o Sulfureto de Hidrogénio é um gás tóxico e corrosivo, pelo que para teores superiores a 50 ppm, é recomendada a dessulfurização do biogás, de forma a evitar danos de corrosão nos dos aparelhos de conversão de energia (Portal das Energias Renováveis, 2016). Em condições normais de pressão e temperatura (PTN), o metano puro apresenta um PCI de 9,44 kWh/m3_{. Por} outro lado, o biogás com um teor de metano entre 50% e 80% terá um PCI entre 4,72 kWh/m3 _e 7,55 kWh/m3 _{(Santos, 2000).}

O processo de conversão de biogás em biometano pode ser efetuado com recurso a equipamentos de conversão energética, como os motor-geradores, através de um processo de cogeração, que se consiste na produção de duas ou mais formas de energia a partir de uma fonte de energia primária. Desta forma é obtida uma produção de energia elétrica e térmica em simultâneo (Bachmann, 2015). Seguidamente são apresentadas algumas das vantagens (de i a x) e as desvantagens (de xi a xv) deste método de produção energética (Shen et al., 2015; Khalid

et al., 2011):

i) É uma fonte de energia renovável;

iii) Tecnologia bem implementada no mercado;

iv) Permite uma redução do consumo de energia primária, bem como do impacto ambiental associado à produção de energia elétrica de fontes não renováveis;

v) Reduz as necessidades de inputs energéticos de fontes externas; vi) Permite gerar receitas adicionais;

vii) Produz um combustível de alta qualidade;

viii) Diminui as emissões de GEE, amónia e partículas; ix) Promove o sequestro de carbono;

x) Promove a criação de emprego

xi) Custos de investimento e de operação consideráveis; xii) Tempos de retenção longos;

xiii) Sensibilidade dos microrganismos;

xiv) Dificuldade na biodegradação de materiais com estrutura lenho-celulósica; xv) Pode existir produção de maus odores.