Produção de biogás e balanço energético

O biogás produzido apresentou valor médio de 65% (±0,06) em metano, com valor máximo de 70% e mínimo de 56%. As concentrações de metano não oscilaram relevantemente mesmo com a oscilação de temperatura entre os meses de inverno e verão (Figura 2.6).

0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 (% ) C H4 V az ão d e B iogá s (m ³ m ês -1) Meses Biogás (%) CH4

Figura 2.6 - Produção de biogás calculada e percentual de metano medido por cormatografia

Mesmo no inverno a produção de metano ainda manteve-se relevante, atingindo 68% a uma temperatura média mensal de 15°C (± 1,2). Tal fato foi reportado à recirculação de biomassa do fundo do biodigestor, que proporcionou duas funções fundamentais na melhoria da qualidade do biogás: 1 - O revolvimento/agitação eficiente da biomassa no interior do digestor; 2 - O retorno de parte da biomassa bacteriana para a entrada do biodigestor, garantiu estabilidade no processo de metanogênese. Segundo Noorollahi et al. (2015) o biogás gerado no processo de digestão anaeróbia de dejetos de bovinos apresenta valores de metano entre 55 e 65 %. A concentração média de CH4 atingiu o valor máximo descrito pela literatura, apresentando um baixo desvio padrão. Em comparação com as concentrações de metano produzidas por aterros sanitários, que podem variar entre de 50% a 55% (DUBOIS e MERCIER, 2009), os resultados obtidos na presente pesquisa apresentaram maiores concentrações.

Foram registrados rendimentos médios em produção de biogás de 0,23 m³ Kg CODAdd- 1

Tabela 2.3 - Produção de biogás e rendimento em metano

Meses 1T 2CODQO 3

CH4 4

QVol Biogás (Yield) CH4 (Yield) (°C) Kg DQO d-1 (%) m³ m-3 d-1 m³ Kg DQOAd-1 m³ Kg DQORem-1 m³ Kg DQORem-1 Jan 30(3,5) 265 70(0,5) 0,135 0,28 0,39 0,28 Fev 29(3,6) 182 68(0,2) 0,049 0,15 0,31 0,22 Mar 23(3,5) 294 69(0,8) 0,173 0,32 0,41 0,29 Abr 18(2,2) 146 61(0,3) 0,019 0,08 0,24 0,14 Mai 17,5(3) 195 56(0,5) 0,112 0,31 0,48 0,25 Jun 15(1,2) 220 68(2,9) 0,130 0,31 0,40 0,27 Jul 17(0,9) 224 65(1,1) 0,126 0,30 0,42 0,28 Ago 19(4,5) 114 62(0,2) 0,026 0,12 0,30 0,19 Méd 21 205 65 0,096 0,23 0,37 0,24 Máx 30 294 70 0,173 0,32 0,48 0,29 Mín 15 114 54 0,019 0,08 0,24 0,14 DP ±5,7 ±59 ±0,06 ±0,057 ±0,1 ±0,078 ±0,052

1_{Temperatura média mensal,} 2_{Carga orgânica de DQO aplicada,} 3_{Percentual de metano medido no} biogás, 4Produção de biogás por metro cúbico de reator. DQOAd = DQO adicionada, DQORem = DQO removida.

O rendimento médio em produção de biogás (por adição de DQO), apresentou valor intermédio aos reportados por Güngör-Demirci e Demirer (2004) de 0,18 a 0,27 m³ Kg CODAdd-1, quando aplicadas concentrações de DQO de 12.000 mg L-1. Em relação ao rendimento por Kg de DQO removida, foi observado que quanto maior a carga de DQO aplicada, maiores eram os valores obtidos (Tabela 2.3). Efeito operacional similar foi reportado por Maranon et al. (2001) em reatores UASB operados a 37° C, registrando rendimentos de 0,20 a 0,39 m³ biogás kg DQOrem-1.

Os rendimentos em metano variaram de 0,14 a 0,29 m³ CH4 Kg CODrem-1, apresentando baixo desvio padrão (± 0,052). Menores valores de rendimento em metano (0,14 e 0,19 CH4 Kg DQOrem-1) e menores produções volumétricas e mensais de biogás (Tabela 2.3) e (Figura 2.6), foram registradas nos meses de abril e agosto. Estas reduções foram associadas às baixas cargas de DQO aplicadas nestes períodos. Valores abaixo de 146 Kg COD d-1 afetaram consideravelmente o rendimento na produção de biogás e metano. Cada redução do rendimento em metano verificada, está relacionada à estresse fisiológico da biomassa devido baixa disponibilidade de energia contida no substrato. Neste trabalho, valores acima de 0,27 m³ CH4 Kg DQOrem-1 foram considerados relevantes e somente alcançados aplicando-se

cargas acima de 220 Kg DQO d-1. Cheng e Liu, (2002) registraram rendimentos em metano de 0,23 a 0,24 m³ CH4 Kg DQOrem-1 ao tratar efluentes de suínos em um reator anaeróbio híbrido com meio suporte flutuante a 35° C. Considerando que águas residuais de suínos possuem melhor biodegradabilidade que águas residuais de bovinos (HILL 1991; WILKIE et al., 2004), os valores de rendimento em metano e produção de biogás registrados no biodigestor da presente pesquisa podem ser considerados promissores.

Os valores da produção volumétrica de biogás na presente pesquisa apresentaram variação entre 0,026 a 0,173 m³ m-3 d-1 (Tabela 2.3). Resende et al. (2015) operando biodigestores plug flow em escala piloto, em condições climáticas semelhantes ao da presente pesquisa, atingiram uma produção volumétrica de biogás superiores de 0,311 no verão e 0,266 m³ m-3 d-1 no inverno. Os autores utilizaram um TRH de 60 dias, aplicando concentrações de DQO da gama de 44.680 mg L-1 (± 3,6) a 55.500 mg L-1 (± 4,2), valores 4 a 6 vezes superiores ao da presente pesquisa, o que justifica os maiores valores da geração de biogás por metro cúbico de reator.

Em termos de produção volumétrica de biogás, valores superiores aos obtidos neste trabalho também foram reportadas por Rico et al. (2011) e Dareioti et al. (2010), ambos operando com o reator CSTR (continuous stirred tank reactor), à temperatura mesófila (35 - 37°C), referindo produtividades de cerca de 1,3 m³ m-3 d-1, recorrendo a TRHs de 10 e 19 dias, respectivamente. A maior produtividade registrada por esses autores em relação a presente pesquisa é atribuída à condução do experimento em condições de temperatuas constantes e mesófilas, e ausência de oscilação nas cargas orgânicas aplicadas.

Na Itália, um reator plug flow operado por Tilche et al. (1984) chegou a produzir 1,7 m³ de biogás por metro cúbico de reator (56 % CH4) a um TRH de 20 dias e temperatura próxima a 35°C. Este reator recebeu elevadas cargas de SV (85.600 - 116.000 mg L-1), 12 a 15 vezes maiores do que os aplicados na presente pesquisa, o que refletiu em maiores produções de biogás. Contudo, concentração de metano registrada pelos autores pode ser considerada baixa quando comparados aos valores da Tabela 2.3.

Em relação ao potencial energético, segundo Coldebella et al. (2006), um biogás com teores CH4 de 50% e 80% possui capacidade de geração energética de 4,95 KWh m-³ e 7,92 KWh m-³, respectivamente. Nesta pesquisa a média dos teores de CH4 medidos ao longo da pesquisa foi de 65 % (±0,06), o que possibilitou um potencial energético de aproximadamente 6,5 KWh m-³.

Na tabela 2.4 é apresentado o potencial para geração de energia em conformidade com a vazão de biogás e percentual de produção de metano para cada mês analisado.

Tabela 2.4 - Produção de energia por metro cúbico de biogás e mensal

*PE Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago

kWh m-3 6,93 6,73 6,83 5,94 5,35 6,73 6,44 6,14

PE kWh mês-1 15.149 5.380 19.168 2.070 9.689 13.177 13.177 2.614

*PE = Potencial energético

Na Tabela 2.5 estão apresentados os consumos mensais de energia elétrica da fazenda considerando todos os equipamentos elétricos utilizados na produção e os utilizados para funcionamento do sistema de tratamento da ARB.

Tabela 2.5 - Consumo mensal de energia elétrica na fazenda

1

CEEF Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago

kWh mês-1 2 CCG 2.550 2.907 2.618 2.661 3.272 3.056 2.172 2.522 3 CTE 1.778 1.655 1.369 1.560 1.742 1.302 1.115 1.763 4 CT 4.328 4.562 3.987 4.221 5.014 4.358 3.287 4.285

1_{Consumo de energia elétrica da fazenda;} 2_{Consumo na criação de gado;} 3_{Consumo no} tratamento do efluente; 4Consumo total. Criação entre 120 e 150 cabeças.

A energia elétrica gerada por meio do biogás atingiu máximo valor (15.146 KWh mês1) no mês de janeiro e menor valor (2.070 KWh mês-1) no mês de abril. Tal variação foi atribuída à oscilação das TCOs aplicadas em função da variação número de animais confinados nos respectivos períodos.

Comparando os valores da Tabela 2.4 com os da Tabela 2.5, a produção de energia elétrica gerada pelo biogás apenas não atenderia ao consumo total de energia da fazenda nos meses de abril e agosto, embora para o período estudado supriria a demanda de energia necessária para funcionamento do sistema de tratamento da água residual, tornando-o 100% sustentável. Por outro lado, em função da existência da campânula acumuladora de biogás (270 m³) posicionada na parte superior do sistema, excedentes de biogás eram armazenados, suprindo a demanda nos meses de menores produtividades, o que possibilitou o contínuo e controlado uso do biogás para operação dos equipamentos elétricos da fazenda.

O excedente de biogás, que não é utilizado, era queimado por sistema tipo flare. Embora parte do biogás produzido não ser aproveitado e emitido para atmosfera após sua queima, a conversão de CH4 em CO2 acaba por refletir em efeito benéfico, uma vez que, o metano possui 25 vezes mais tempo de permanência na atmosfera e possui efeito de aquecimento 72 vezes maior que a do dióxido de carbono (IPCC, 2007). Este excedente de biogás poderia ser melhor aproveitado, uma vez que a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL - Brasil) em 1996 regulamentou a compra de energia produzida por biodigestores, assegurando que se houver excedente de produção elétrica, o produtor poderia vendê-la para a concessionária de energia elétrica local.

Na Figura 2.7, é apresentado o gráfico de acúmulo de biogás ao longo de 8 meses, durante janeiro a agosto de 2014.

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 B iogá s ac u m u lad o (m ³ m ês -1) Meses

Figura 2.7 - Volume de biogás acumulado

Considerando o volume acumulado durante 8 meses, o biodigestor produziu um volume de 12.503,3 m³ de biogás, que equivale a um montante de 81.234 (KWh) ou 81,234 MWh.

Considerando que uma residência comum no Brasil, para habitação entre 3 a 4 pessoas, consome em média 150 KWh mês-1, a produção acumulada de biogás registrada na presente pesquisa, poderia suprir as necessidades energéticas de aproximadamente 542 residências.

Esta pesquisa aponta promissores resultados no tratamento da ARB, assim como seu potencial para geração de biogás e energia de forma descentralizada, assim como verificado

por outros diversos autores no mundo (BLANCO et al., 2014; CASTANO et al., 2014; RESENDE et al., 2015; MOURI e AISAKI, 2015).

Em muitos países Europeus a digestão anaeróbia voltada para geração de energia elétrica ou térmica atualmente é uma realidade Ferreira; Marques e Malico (2012). Por outro lado, o uso do biogás no Brasil ainda é cercado de empirismo e incertezas, principalmente pelas políticas energéticas e receio dos próprios produtores de gado.