CENTRO DE ENGENHARIAS
CURSO DE ENGENHARIA AMBIENTAL E SANITÁRIA
Trabalho de Conclusão de Curso
Produção de biogás via co-digestão anaeróbia de efluente da parboilização do arroz e resíduos sólidos orgânicos
VITOR ALVES LOURENÇO
Produção de biogás via co-digestão anaeróbia de efluente da parboilização do arroz e resíduos sólidos orgânicos
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Centro de Engenharias da Universidade Federal de Pelotas, como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Engenheiro Ambiental e Sanitarista.
Orientador: Prof. Ms. Willian Cezar Nadaleti Coorientador: Prof. Dr. Bruno Muller Vieira
Produção de biogás via co-digestão anaeróbia de efluente da parboilização do arroz e resíduos sólidos orgânicos
Trabalho de Conclusão de Curso aprovado, como requisito parcial, para obtenção do título de Engenheiro Ambiental e Sanitarista, Centro de Engenharias, Universidade Federal de Pelotas.
Data da Defesa: 13 de novembro de 2017
Banca examinadora:
Prof. Ms. Willian Cezar Nadaleti (Orientador) – Centro de Engenharias/UFPel Prof. Dr. Bruno Muller Vieira (Coorientador) – Centro de Engenharias/UFPel Prof. Dra. Rubia Flores Romani – Centro de Engenharias/UFPel
À minha família, por sempre ter me dado forças para alcançar meus objetivos. Aos meus pais, Rogério e Walkíria Lourenço, por sempre incentivarem das melhores maneiras possíveis o interesse pelo conhecimento e sabedoria. À minha mãe, pelos incríveis genes de exatas. Ao meu pai, pelo rápido e eficaz raciocínio lógico. À minha irmã, Giovanna Alves, por sempre oferecer seu ombro e seus conselhos. Às minhas madrinhas de coração, Eliane e Geane Lourenço, que foram essenciais para que eu chegasse ao fim dessa etapa.
À minha namorada, Lais Cupertino, por ter, involuntariamente, me ensinado a enfrentar as dificuldades com mais calma e cautela. Assim como pelo imenso companheirismo e auxilio.
A todos meus amigos e colegas que me acompanham dentro e fora da universidade, com os quais pude não somente apreciar momentos de descontração como também de estudo e aprendizado.
Ao meu orientador, Willian Nadaleti, que mesmo à distância esteve sempre disponível e me auxiliou em todos os momentos. Ao meu coorientador, Bruno Vieira, que me aconselhou nos instantes de dúvidas e necessidades, e também pela disponibilidade do Laboratório de Águas e Efluentes da Agência de Desenvolvimento da Lagoa Mirim da Universidade Federal de Pelotas. A todos os professores que contribuíram para minha formação acadêmica e profissional.
Por fim, à minha avó, Maria José dos Santos, a pessoa mais sábia que tive a oportunidade conhecer, que me ensinou a resistir e perseverar.
LOURENÇO, Vitor Alves. Produção de biogás via co-digestão anaeróbia de efluente da parboilização do arroz e resíduos sólidos orgânicos. 2017. 57f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Ambiental e Sanitária) – Centro de Engenharias, Universidade Federal de Pelotas, Pelotas.
Além da necessidade de gerar novas fontes energéticas, outra problemática atual é a imprescindibilidade de reduzir os impactos ambientais causados pela extensa geração de resíduos e efluentes da agroindústria, da pecuária e dos centros urbanos, que provocam sérios danos ao meio ambiente, como a contaminação de solo e água. A biodigestão anaeróbia surge como uma tecnologia de tratamento biológico, que além de reduzir o teor de matéria orgânica do efluente, produz biogás capaz de gerar energia. As bactérias são as responsáveis pela produção de biogás no processo de digestão anaeróbia, sendo assim, diversas variáveis e condições podem afetar a produção do biocombustível. A co-digestão de resíduos sólidos orgânicos agrega positivamente, em muitos casos, na eficiência da produção de biogás. Principalmente pelo alcance de um melhor balanço de nutrientes e consequentemente proporções adequadas entre carbono e nitrogênio. Sendo assim, objetivo deste trabalho foi determinar o potencial de geração de biogás proveniente de duas diferentes linhas de co-digestão de efluente e lodo da produção de arroz parboilizado e resíduos sólidos orgânicos: a primeira delas realizada com casca de banana e a segunda com casca de laranja, resíduos estes oriundos do Restaurante Universitário da Universidade Federal de Pelotas. O experimento foi realizado durante 168 horas à 35°C. Como principal resultado observou-se que a co-digestão com casca de laranja apresentou maior eficiência na produção de biogás com volumes de até 11,730dm³, enquanto a alimentada com casca de banana obteve 8,490dm³ em sua produção máxima.
Palavras-chave: energias renováveis; agroindústria; tratamento biológico; carbono; nitrogênio; potencial energético; casca; banana; laranja; biodigestão anaeróbia; resíduos orgânicos.
LOURENÇO, Vitor Alves. Production of biogas via anaerobic co-digestion of rice parboiling effluent and organic solid residues. 2017. 57f. Final Paper (Environmental and Sanitary Engineering Graduation) - Center of Engineering, Federal University of Pelotas, Pelotas.
In addition to the need to generate new energy sources, another current problem is the need of reducing the environmental impacts caused by the extensive generation of residues and wastewater from agroindustry, livestock and urban centers, which cause serious damage to the environment, such as contamination of soil and water. Anaerobic biodigestion appears as a biological treatment technology that, in addition to reducing the organic matter content of the wastewater, produces biogas capable of generating energy. Bacteria are responsible for the production of biogas in the process of anaerobic digestion, thus, several variables and conditions can affect the production of biofuel. Co-digestion of organic solid residues increases positively, in many cases, to the efficiency of biogas production. Principally by the reach of a better balance of nutrients and consequently adequate proportions between carbon and nitrogen. Thus, the objective of this study is to determine the biogas generation potential of two different lines of wastewater and sludge co-digestion of parboiled rice and organic solid residues: the first with banana peel and the second with orange peel, these coming from the University Restaurant of the Federal University of Pelotas. The experiment was carried out for 168 hours at 35 ° C. As a main result it was observed that co-digestion with orange peel showed higher efficiency in biogas production with volumes up to 11,730dm³, while that fed with banana peel obtained 8,490dm³ in its maximum output.
Keywords: renewable energies; agroindustry; biological treatment; carbon; nitrogen; energy potential; peel; banana; orange; anaerobic co-digestion; organic residues.
Figura 1 – Imagem de Modelo de Biodigestor em Batelada, representação tridimensional em corte. ... 13 Figura 2 – Imagem de Biodigestor Anaeróbio (construído no Laboratório de Engenharia Ambiental do Centro Universitário Franciscano – UNIFRA) ... 22 Figura 3 – Imagem da Representação esquemática de um sistema de medição por deslocamento de líquido. ... 24 Figura 4 – Imagem do Sistema (biodigestor, frasco graduado e reservatório). 25 Figura 5 – Fotografias da Preparação da Alimentação dos Biodigestores ... 28 Figura 6 – Fotografias do Condicionamento dos Biodigestores ... 28 Figura 7 – Gráfico da Produção de Biogás dos Biodigestores BP1, BP2, BP3 e BP4. ... 33 Figura 8 – Gráfico da Produção de Biogás dos Biodigestores BP5, BP6, BP7 e BP8. ... 34 Figura 9 – Gráfico da Produção de Biogás dos Biodigestores do Ponto Central. ... 34 Figura 10 – Gráfico da DQO de Entrada e Saída da Co-digestão de Efluente de Arroz e Casca de Banana. ... 37 Figura 11 – Gráfico do pH de Entrada e Sáida da Co-digestão de Efluente de Arroz e Casca de Banana. ... 39 Figura 12 – Gráfico da Produção de Biogás dos Biodigestores LP1, LP2, LP3 e LP4. ... 39 Figura 15 – Gráfico da Produção de Biogás dos Biodigestores LP5, LP6, LP7 e LP8. ... 40 Figura 14 – Gráfico da Produção de Biogás dos Biodigestores do Ponto Central. ... 40 Figura 15 – Gráfico da DQO de Entrada e Sáida da Co-digestão de Efluente de Arroz e Casca de Laranja. ... 43 Figura 16 – Gráfico do pH de Entrada e Saída da Co-digestão de Efluente de Arroz e Casca de Laranja. ... 44 Figura 17 – Gráfico do Volume de Produção de Biogás Acumulado do Ponto Central de cada Co-digestão. ... 46
Tabela 1 – Plano Fatorial. ... 26
Tabela 2 – Alimentação dos Biodigestores. ... 27
Tabela 3 – Temperatura Interna ... 31
Tabela 4 – Razões C/N dos Substratos ... 32
Tabela 5 – Razões C/N de cada biodigestor ... 32
Tabela 6 – Volume de Biogás Produzido na Co-digestão de Efluente de Arroz e Casca de Banana ... 35
Tabela 7 – DQO de Entrada e Saída da Co-digestão de Efluente de Arroz e Casca de Banana ... 36
Tabela 8 – Taxa de Remoção de DQO da Co-digestão de Efluente de Arroz e Casca de Banana ... 37
Tabela 9 – pH de Entrada e Saída da Co-digestão de Efluente de Arroz e Casca de Banana ... 38
Tabela 10 – Volume de Biogás Produzido na Co-digestão de Efluente de Arroz e Casca de Laranja. ... 41
Tabela 11 – DQO de Entrada e Saída da Co-digestão de Efluente de Arroz e Casca de Laranja. ... 42
Tabela 12 – Taxa de Remoção de DQO da Co-digestão de Efluente de Arroz e Casca de Laranja ... 43
Tabela 13 – pH de Entrada e Saída da Co-digestão de Efluente de Arroz e Casca de Laranja. ... 44
Tabela 14 – Médias de Volume de Biogás Produzido no Ponto Central de cada Co-digestão ... 45 Tabela 15 – DQO de Entrada e Saída do Ponto Central de cada Co-digestão.47
1. Introdução ... 10 1.1 Objetivos ... 11 1.1.1 Objetivo Geral ... 11 1.1.2 Objetivos Específicos ... 11 2. Revisão Bibliográfica ... 12 2.1 Biodigestão Anaeróbia ... 12
2.1.1 Biodigestores Anaeróbios em Batelada ... 13
2.1.2 Biodigestão Anaeróbia de Efluente da Produção de Arroz Parboilizado... ... 14
2.1.3 Co-digestão Anaeróbia de Resíduos Sólidos Orgânicos ... 16
2.1.3.1Resíduos da Banana ... 16
2.1.3.2Resíduos da Laranja ... 17
2.2 Fatores que Influenciam a Biodigestão Anaeróbia ... 17
2.2.1 Temperatura ... 18 2.2.2 pH... ... 19 2.2.3 Relação C/N ... 19 2.2.4 Luminosidade ... 20 2.2.5 Teor de Umidade ... 20 2.3 Biogás ... 20
2.3.1 Produção de biogás através de Biodigestores ... 21
2.3.2 Produção de Gás Metano por Equivalência de DQO Removida ... 22
2.3.1 Métodos de medição de Biogás Produzido ... 22
3. Materiais e Métodos ... 25
3.1 Biodigestores ... 25
3.2 Medidores... 25
3.3 Delineamento Experimental ... 26
3.4 Alimentação dos Biodigestores ... 27
3.5 Condicionamento dos Biodigestores ... 28
3.6 Medições de Geração de Biogás ... 28
3.7 Análises ... 29
3.7.1 Temperatura ... 29
3.7.2 Relação C/N ... 29
3.7.3 Demanda Química de Oxigênio ... 30
3.7.4 Potencial Hidrogeniônico ... 30
4. Resultados e Discussão ... 31
4.3 Co-digestão de Efluente de Arroz e Casca de Banana ... 33
4.3.1 Produção de Biogás ... 33
4.3.2 Remoção de DQO ... 36
4.3.3 pH... ... 38
4.4 Co-digestão de Efluente de Arroz e Casca de Laranja ... 39
4.4.1 Produção de Biogás ... 39 4.4.2 Remoção de DQO ... 42 4.4.3 pH... ... 44 4.5 Resíduos Sólidos ... 45 5. Considerações Finais ... 48 Referências ... 49
1. Introdução
As perspectivas do cenário energético mundial apontam para ações que protagonizem energias renováveis, devido principalmente à escassez do petróleo e ao avanço dos estudos referentes à eficiência de energias limpas (PADOAN et al., 2015). Além da necessidade de gerar novas fontes energéticas, outra problemática atual é a imprescindibilidade de reduzir os impactos ambientais causados pela volumosa geração de resíduos das agroindústrias, da pecuária e dos centros urbanos, que provocam sérios danos ao meio ambiente, como a contaminação de solo e água (ZANETTI; ARRIECHE; SARTORI, 2015).
O Brasil é um dos maiores produtores de arroz parboilizado do mundo, tendo como maior produtor nacional o estado do Rio Grande do Sul que soma cerca de 71,4% da produção nacional (IBGE, 2017). O processo de parboilização do arroz gera a cada quilo beneficiado cerca de 4 litros de efluente rico em substâncias orgânicas, nitrogênio e fósforo, o lançamento incorreto deste efluente rico em nutrientes em corpos hídricos estimula o crescimento de organismo fotossintetizantes causando eutrofização (BASTOS et al., 2010; FARIA et al., 2006). A biodigestão anaeróbia surge como uma alternativa de tratamento biológico, que além de reduzir o teor de matéria orgânica do efluente, produz biogás capaz de gerar energia (ANGELIDAKI; AHRING, 1993).
Tendo em vista a grande disponibilidade de nutrientes em resíduos sólidos orgânicos, muitos estudos estão sendo direcionados à conversão dos mesmos em produtos comerciais pelo emprego da biomassa, onde a energia obtida provém da transformação de resíduos orgânicos em biocombustíveis como o bioálcool, o biodiesel e o biogás (PRATI, 2010; ZANETTI; ARRIECHE; SARTORI, 2015).
São gerados todos os dias quantidades significativas de resíduos de frutas e verduras, desde o transporte até o consumo humano e animal, podendo acarretar em proliferação de vetores, maus odores e diferentes formas de poluição ao meio ambiente (SGORLON et al., 2011). Uma solução apresentada para tratamento destes resíduos são os processos biológicos como compostagem, através da conversão em adubo orgânico, ou digestão
anaeróbia, produzindo biogás e/ou adubo orgânico (MBULIGWE; KASSENGA, 2004).
Segundo Zanetti; Arrieche; Sartori (2015), as bactérias são as responsáveis pela produção de biogás no processo de digestão anaeróbia, sendo assim, diversas variáveis e condições podem afetar a produção do combustível. Por conseguinte, a composição dos resíduos empregados no processo influi de maneira qualitativa e quantitativa. Mata-Alvarez; Mace; Llabres (2000), afirmam que a co-digestão de resíduos sólidos orgânicos com outros tipos de resíduos agrega positivamente, em muitos casos, na eficiência da produção de biogás. Principalmente pelo alcance de um melhor balanço de nutrientes e consequentemente proporções adequadas entre carbono e nitrogênio para a produção de biogás.
1.1 Objetivos 1.1.1 Objetivo Geral
O objetivo deste trabalho foi determinar o potencial de geração de biogás proveniente de duas diferentes linhas de co-digestão de efluente e lodo da produção de arroz parboilizado e resíduos sólidos orgânicos, com casca de banana e com casca de laranja, oriundos da geração de resíduos do Restaurante Universitário da Universidade Federal de Pelotas.
1.1.2 Objetivos Específicos
• Quantificar da geração de biogás;
• Analisar o pH e a DQO das amostras de entrada e saída dos biodigestores;
• Determinar qual dos resíduos sólidos apresenta maior eficiência para co-digestão quanto à produção de biogás.
2. Revisão Bibliográfica 2.1 Biodigestão Anaeróbia
A digestão anaeróbia é um processo fermentativo eficaz quanto à remoção da matéria orgânica (LIMA, 2006), que além de remover carga poluente é capaz de reduzir os microrganismos patogênicos, produzir biogás e biofertilizante. Sendo este último mais estável, rico em nutrientes assimiláveis e com melhor qualidade sanitária que o rejeito industrial original (OLIVEIRA, 2009). Os sistemas anaeróbios devem ser vistos como uma primeira etapa do tratamento, pois não geram efluentes finais com um grau de qualidade excelente, em especial por sua baixa remoção de nutrientes (CHERNICHARO,1997).
Os processos empregados para a realização da digestão anaeróbia podem ser classificados de acordo com o seu fluxo: descontínuo (ou em batelada) ou contínuo (PEREIRA, 2013). Segundo Oliveira (2009), um reator operado com fluxo descontínuo recebe alimentação apenas no início do seu processo e irá, consequentemente, possuir alimentação e produção de biogás descontínuas. Para um sistema possuir fornecimento constante de gás sua alimentação deve ocorrer de forma interrupta, sendo este caracterizado como um processo de fluxo contínuo.
O uso de inóculos para acelerar a partida do digestor tem sido testada e confirmada por vários estudos realizados (ANDRADE et al., 2011). Carneiro (2009) estudou a adição de lodo anaeróbio a biodigestores, gerando uma aceleração na degradação de ácidos graxos voláteis, uma antecipação no início da geração de biogás e um aumento da proporção de metano no mesmo. A biodigestão anaeróbia acontece em quatro estágios, que envolvem diferentes tipos de populações microbianas (SAGULA, 2012). Segundo Chernicharo (1997), o processo tem início com a hidrolise, onde ocorre a hidrolise de materiais particulados complexos em compostos orgânicos simples e capazes de atravessar paredes celulares das bactérias fermentativas. O segundo estágio é o da acidogenese, nesta etapa as bactérias fermentativas acidogênicas consomem os compostos orgânicos simples, transformando os mesmos em ácidos orgânicos que serão consumidos por bactérias acetogênicas e arqueas metanogênicas. Já na Acetogenese, as bactérias
acetogênicas fornecem substrato para os microrganismos metanogênicos, através da oxidação dos ácidos orgânicos (CHERNICHARO, 1997). De acordo com Lima (2011), o último estágio será responsável pela formação do biogás, onde os microrganismos metanogênicos presentes na metanogenese atuam sobre os produtos gerados durante todo o processo.
2.1.1 Biodigestores Anaeróbios em Batelada
Um Biodigestor é basicamente uma estrutura projetada de acordo com as condições mais propicias para a degradação da matéria orgânica (LEITE et al.; 2009). Os biodigestores anaeróbios que operam em batelada funcionam de forma descontínua (Figura 1), não ocorre entrada ou saída durante todo o processo, ou seja, sua alimentação é realizada apenas no início do seu ciclo (VOLTOLINI, 2011).
Figura 1 – Imagem de Modelo de Biodigestor em Batelada, representação tridimensional em corte.
Fonte: DEGANUTTI et al., 2002, p.5.
Dentro desta espécie de câmara fechada na qual a matéria orgânica é fermentada anaerobicamente, ocorre o fornecimento de biogás e biofertilizante como produto desta fermentação (DOTTO; WOLFF, 2012). O biodigestor deverá fornecer as condições propícias para que as bactérias metanogênicas,
degradem o material orgânico em total ausência de oxigênio e luz (DOTTO; WOLFF, 2012). Sendo assim, o biodigestor deve ser perfeitamente vedado para que a produção dos gases não seja inibida (ARRUDA et al., 2002).
Segundo Oliveira (2009), após o biodigestor ser alimentado com a matéria orgânica a ser degradada, o mesmo deve ser fechado de modo que fique selado e que haja apenas saída para o gás produzido na biodigestão. Ao final do processo a câmara de digestão deve ser higienizada, para que possa ser alimentada novamente, iniciando uma nova produção de biogás (OLIVEIRA, 2009). O término do processo é indicado pelo decaimento ou o fim da produção do biogás, sinalizando que a matéria orgânica já foi decomposta (LEITE et al., 2009). A biodigestão anaeróbia realizada em batelada não proporciona uma produção de biogás ininterrupta, ou seja, só será aplicável de forma eficiente em casos onde a demanda necessária não exija que a mesma ocorra diariamente (OLIVEIRA, 2009).
2.1.2 Biodigestão Anaeróbia de Efluente da Produção de Arroz Parboilizado
Sendo o arroz um dos constituintes básicos da dieta brasileira, seu consumo per capita no país fica em torno de 25 kg/ano, com projeções de 14,1 milhões de toneladas colhidas para os anos de 2019/2020 (SPINOSA et al., 2016). Segundo a Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO, 2017), o Brasil tem previsão de fechar 2017 com cerca de 11,9 milhões de toneladas de arroz colhidas e prognóstico de crescimento de 0,86% para os próximos anos, dado que coloca o Brasil entre os 10 maiores produtores de arroz no mundo (Spinosa et al, 2016; World Rice Production, 2017). O estado do Rio Grande do Sul soma cerca de 71,4% da produção nacional (IBGE, 2017). De um modo geral toda a região Sul tem um rendimento significativo no cenário nacional, isso ocorre devido ao seu clima ser favorável para tal cultivo e por apresentar grandes áreas de várzeas (ABIAP, 2006).
De acordo com a Agência Embrapa de Informação Tecnológica – AGEITEC (2016), o processo de beneficiamento do grão envolve a retirada da casca e do farelo para aquisição do arroz branco para consumo. Na indústria do arroz parboilizado, requer ainda uma unidade especifica de parboilização,
onde ocorrem banhos de imersão de água quente (encharcamento em tanques com água á 60°C por algumas horas) e vaporização seguida de secagem. Faria et al. (2006) afirmam que o processo de parboilização ocasiona aumentos no valor nutritivo e no rendimento, bem como melhor conservabilidade dos grãos e de seus subprodutos, aumentando os lucros.
O processo de parboilização do arroz gera cerca de 4 litros de efluente por quilo de arroz, estes efluentes possuem altas cargas de substancias orgânicas, nitrogênio, e fósforo, provenientes dos resíduos de adubação, o que gera um efluente caracterizado com altos níveis da DBO, DQO, sólidos e pH ácido (ABIAP, 2006). Um dos possíveis impactos ambientais está na associação da disponibilidade de nutrientes com o lançamento incorreto dos efluentes, impulsionando superpopulações de organismos fotossintetizantes em corpos hídricos e assim, acarretando eutrofização dos mesmos. (FARIA et al., 2006).
Em relação aos efluentes gerados em cada etapa do processo de parboilização, o ponto crítico está no encharcamento, onde a carga orgânica é extremamente alta (AMATO; BITTENCOURT; GUINDANI, 1989). Essa elevação ocorre pelo fato da temperatura não possuir homogeneidade em sua distribuição nesta fase, acarretando em uma maior lixiviação do material orgânico do grão (QUEIROZ; KOETZ, 1997).
De acordo com Bastos et al. (2010), a variabilidade dos parâmetros analisados na caracterização do efluente de arroz é decorrente dos aspectos sazonais, relacionados à produção do grão. Dentre todos os parâmetros analisados nas caracterizações de efluentes da produção de arroz parboilizado, o que apresenta maior variação é o da razão entre a carga de carbono para a carga de nitrogênio (relação C/N), sendo que o efluente caracterizado por Bastos et al. (2010) possuía relação C/N de 53,68. Já para Queiroz; Koetz (1997), a razão C/N calculada a partir dos valores médios de DQO foi de 37,90. Enquanto que nos estudos realizados por Isoldil et al. (2003) o efluente utilizado possuía relação C/N de 21,00.
A biodigestão anaeróbia é um tratamento biológico, capaz de reduzir o teor de matéria orgânica de um efluente, de alta eficiência e baixo custo, capaz de produzir energia pela valorização do metano (CREMONEZ et al., 2013).
2.1.3 Co-digestão Anaeróbia de Resíduos Sólidos Orgânicos
A co-digestão é uma alternativa capaz de melhorar o rendimento da digestão anaeróbia de resíduos sólidos, através da associação de diferentes resíduos orgânicos e/ou efluentes que possuam características complementares (AGDAG; SPONZA, 2007). Viabiliza a utilização de resíduos que sozinhos não possuem uma geração que justifique a construção de um sistema de digestão anaeróbia (CARNEIRO, 2009). A co-digestão tem como principal meta potencializar a produção de biogás, a diluição e consequentemente a inibição de tóxicos, além de estabelecer uma relação C/N ideal para o processo (MAZARELI, 2015; XIE et al., 2011).
Devido à relação C/N, a proporção entre os substratos a serem empregados no sistema é um fator primordial para que a co-digestão cumpra sua função de melhorar o aproveitamento e a estabilidade do processo (MAZARELI, 2015). Agregados de partículas, materiais flutuantes, resíduos com propriedades dinâmicas pouco favoráveis ao serem associados a outros substratos podem ser mais facilmente degradados pela digestão anaeróbia, a mistura obtida terá mais homogeneidade se existirem substratos líquidos ou com elevado teor de água (BRAUN; WELLINGER, 2002).
Em decorrência da agroindústria, o Brasil é um país com grande fartura ao que tange a disponibilidade de resíduos ricos em matéria orgânica. Com a necessidade de dispor tal resíduo surge a aplicabilidade de tecnologias que façam uso de suas propriedades para geração de energia (SOUZA et al., 2013).
2.1.3.1 Resíduos da Banana
Segundo Souza et al. (2013), para cada tonelada de banana colhida aproximadamente três toneladas de resíduos são geradas. Neste caso, entende-se como resíduo da banana a casca, o pseudocaule, as folhas e o engaço da bananeira. A possibilidade do uso dos resíduos da banana para a produção de biogás através da digestão anaeróbia já foi constatada por diferentes autores (FEDERIZZI, 2008; SOUZA et al., 2010). De acordo com Oliveira; Aquino; Castroneto (2005), no que diz respeito à caracterização deste
resíduo, a relação da disponibilidade de carbono para nitrogênio dos talos e cachos, das cascas e das folhas são respectivamente, 61; 21,3; e 19/1.
2.1.3.2 Resíduos da Laranja
O Brasil é o maior exportador de suco de laranja do mundo, sendo responsável por 60% da produção mundial (SANTOS, 2016). Grande parte dos resíduos gerados no processo da industrialização deste produto não passam por algum tipo de beneficiamento por conta do alto custo econômico, gerado principalmente por transporte e locais para armazenamento (TRIPODO et al., 2004). O bagaço de laranja (resíduo gerado pela extração de seu suco), no qual está contido a casca da mesma, contém aproximadamente 50% do total da fruta (SANTOS, 2016).
A principal destinação utilizada para os resíduos da laranja é a sua incorporação como complemento para ração animal (SANTOS, 2016). Segundo Alexandrino et al. (2007), o maior limitante para a coleta, transporte e armazenamento deste resíduo é o seu alto teor de água. Devido ao elevado custo para desidratação e armazenamento, há interesse das empresas em desenvolver mercados para o bagaço cítrico úmido.
Segundo Oliveira; Aquino; Castroneto (2005), a razão entre o carbono e o nitrogênio disponível no bagaço da laranja é 18, enquanto o da casca é de 40,5.
2.2 Fatores que Influenciam a Biodigestão Anaeróbia
As exigências nutricionais e do meio da digestão aeróbia são de grande complexidade, visto que dentro deste processo temos uma ampla diversidade de microrganismos (AZEITONA, 2012). Ainda segundo Azeitona (2012), os fatores que influenciam uma pior ou melhor eficiência estão atrelados às características dos resíduos utilizados, em alguns casos é possível a realização de correções, para que as matérias orgânicas alcancem condições ótimas para o crescimento das populações envolvidas na digestão anaeróbia.
Deublein; Steinhauser (2008) afirmam que variações destes fatores podem acarretar até mesmo uma falha na degradação da matéria orgânica e, consequentemente, na produção de biogás. Segundo os autores, as condições
ótimas para o processo só são atendidas através de um digestor de dois estágios, onde a hidrólise/acidificação e a acetogênese/metanogênese ocorrem separadamente.
Caso a utilização de um digestor de dois estágios não seja viável, as condições a serem atendidas serão prioritariamente das bactérias metanogênicas, já que possuem crescimento lento e mais sensibilidade aos fatores ambientais (MCCARTY, 1964).
2.2.1 Temperatura
Dentre os fatores de maior influência na digestão anaeróbia, temos a temperatura. Tal fator é capaz de modificar, por exemplo, a velocidade de crescimento, a duração do arranque e na resiliência quanto a variações na carga do digestor (CARNEIRO, 2009). Existem três gamas de funcionamento do processo: psicrofílica, temperaturas inferiores a 20ºC, mesofílica, entre 20 a 40ºC, e termofílica entre os 45 e os 60ºC (CANTRELL et al., 2008). A grande influência das gamas em questão está na associação de seus respectivos microrganismos e seus níveis de especialização das bactérias, ocasionando diferentes eficiências no processo biológico e na produção de biogás (FERREIRA, 2010).
Independente da gama escolhida para operar o processo, é de extrema importância que a temperatura se mantenha constante já que variações podem perturbar o metabolismo de microrganismos (CARNEIRO, 2009). Oscilações de 2ºC podem causar efeitos adversos na digestão mesófila, já na termofílica mudanças de apenas 0,5ºC já são capazes de interferir na degradação da matéria orgânica presente no sistema (GUNNERSON; STUCKEY, 1986)
Segundo Carneiro (2009), para a operação do processo, as temperaturas aplicadas, na maioria dos casos, ficam entre 30 e 40°C. Kim; Ahn; Speece (2002) afirmam que esta faixa, entre 30 e 40°C, é onde a produção de biogás ocorre de maneira eficiente e demanda menor gasto energético para manter a quantidade de calor no digestor. Além disto, os autores afirmam que por ser a gama da digestão mesófila, existe maior facilidade para manter o sistema estável quanto ao metabolismo dos microrganismos.
As bactérias metanogênicas, responsáveis pela produção de metano, são sensíveis a rápidas variações de temperatura (AZEITONA, 2012). Portanto, a temperatura não deve oscilar mais que 2ºC, pois tais variações podem acarretar em perdas de pelo menos 30% na produção de biogás (DEUBLEIN; STEINHAUSER, 2008).
2.2.2 pH
A faixa mais ampla de pH para uma biodigestão anaeróbia eficiente fica entre 6,0 e 8,0, de forma mais restritiva, o pH ideal compreende 6,8 a 7,5 (FORESTI, 1998). Os valores de pH que tangem a neutralidade são os mais indicados, tendo em vista que em meios ácidos a atividade enzimática das bactérias é anulada e que em meio alcalino a fermentação produz anidridro sulfuroso e hidrogênio (AZEITONA, 2012).
Segundo Khalid et al. (2011) o pH ideal para o desenvolvimento de bactérias metanogênicas se encontra na neutralidade. Em contrapartida Weiland (2010), afirma que o de pH onde ocorre a produção de metano fica entre 6,5 e 8,5, tendo sua faixa ótima entre 7,0 e 8,0 e sendo inibido abaixo de 6,0 ou acima de 8,5.
Ao fim do processo, de maneira geral, ocorre um aumento no pH final em relação ao inicial, isso se dá devido à acumulação de amônia durante o processo de degradação de proteínas (AZEITONA, 2012).
2.2.3 Relação C/N
A proporção de Carbono para Nitrogênio (razão C/N) no meio é um fator de grande relevância para a Digestão Anaeróbia (SGORLON et al., 2011). Segundo Pereira (2013), o desequilíbrio de nutrientes é um determinante de limitação da digestão anaeróbia em resíduos orgânicos. O carbono tem a função de oferecer energia para os microrganismos enquanto o nitrogênio estimula seu crescimento, através da síntese de proteínas (SILVEIRA, 2009).
A literatura recomenda que os digestores anaeróbios sejam operados com uma razão C/N entre 20/1 e 30/1, ou seja, vinte ou trinta vezes mais carbono que nitrogênio (PEREIRA, 2013). A relação entre os elementos se estabelece com base no fato de que o carbono disponível no meio, durante o
processo, é utilizado pelas bactérias cerca de 30 a 35 vezes mais rapidamente do que o nitrogênio (SILVEIRA, 2009). Dentro da faixa fornecida pela literatura, à razão ótima para cada processo será determinada de acordo com o tipo de matéria a ser digerida (LI; PARK; ZHU, 2011).
A co-digestão é uma excelente alternativa para que a ótima relação seja alcançada, através da mistura de diferentes materiais como substratos orgânicos, como por exemplo lamas de ETAR (Estação de Tratamento de Águas Residuais), resíduos de frutas, resíduos verdes, entre muitos outros resíduos (KHALID et al., 2011). Após o processo de digestão anaeróbia a razão C/N da matéria orgânica deverá sofrer uma queda, pois o aumento no teor de nitrogênio e demais nutrientes ocasiona perda de carbono (ARRUDA et al., 2002).
2.2.4 Luminosidade
Segundo Almeida; Bueno; Del Bianchi (2010), além de não apresentar efeito positivo, a luminosidade, pode acarretar em instabilidade dos processos referentes à redução de DQO, e consequentemente na produção de biogás.
2.2.5 Teor de Umidade
O alto teor de umidade é um requisito essencial para a digestão anaeróbica e consequentemente para a produção de biogás (OLIVEIRA; SILVA, 2014; PIERI; VELHO; GOMES, 2016), viabilizando as reações bioquímicas e disponibilizando nutrientes aos microrganismos (REIS, 2012).
2.3 Biogás
De acordo com a Britannica Academic (2014), apesar da constituição básica do gás natural e do biogás serem similares, gás metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2), suas respectivas origens se diferem quanto ao biogás ser uma fonte de energia renovável enquanto o gás natural é um tipo de combustível fóssil decorrente de processos geológicos. Em média, o biogás é constituído por 60% de metano e 40% de dióxido de carbono (WEILAND, 2010).
O biogás, formado durante a biodigestão anaeróbia, possui ainda, vestígios de nitrogênio (N), hidrogênio (H) e gás sulfídrico (H2S) (BARBOSA; LANGER, 2011), e pode ser utilizado na queima para geração de calor ou até mesmo em motores de combustão para gerar energia elétrica (BRITANNICA ACADEMIC, 2014).
Entretanto, segundo Arruda et al. (2002) o biogás só é um combustível eficiente quando o teor de metano for superior ao de dióxido de carbono. Neste caso, se torna uma fonte de energia viável economicamente que pode ser utilizada, por exemplo, em aquecedores de água, geladeiras, fogão, calefação, iluminação, veículos de grande e pequeno porte, grupos geradores e embarcações.
As bactérias metanogênicas são responsáveis pela formação de biogás na etapa final do processo da biodigestão anaeróbia. As bactérias produtoras de metano multiplicam-se em uma velocidade cerca de cinco vezes inferior às velocidades de crescimento de outros grupos de bactérias presentes no processo. As bactérias metanogênicas são divididas em dois grupos, de acordo com o tipo e substrato fazem uso: as hidrogenotróficas, que produzem metano através de H2 e CO2 e as acetoclásticas, que utilizam o acetato como substrato principal (AZEITONA, 2012).
2.3.1 Produção de biogás através de Biodigestores
Os biodigestores são basicamente digestores desenvolvidos de modo a potencializar a produção de biogás, como o apresentado na Figura 2 (SOLANO; VARGAS; WATSON, 2010), que poderão ser alimentados com material orgânico oriundo de diferentes atividades que gerem resíduos animais, industriais e/ou urbanos (BRITANNICA ACADEMIC, 2014). O sistema presente no interior do biorreator depende de diversos grupos de microorganismos para ser estabilizado, tais grupos são responsáveis por transformar as macromoléculas orgânicas em metano e dióxido de carbono (Farias et al., 2012).
Converter o biogás obtido em energia é uma alternativa tecnológica e econômica que auxilia na sustentabilidade de diversas atividades ao valorizar
rejeitos que possuem, atualmente, pouco ou nenhum valor comercial (SUZUKI et al., 2012).
Figura 2 – Imagem de Biodigestor Anaeróbio (construído no Laboratório de Engenharia Ambiental do Centro Universitário Franciscano – UNIFRA)
Fonte: DOTTO; WOLF, 2012, p.17.
2.3.2 Produção de Gás Metano por Equivalência de DQO Removida
Segundo Angonese; Campos; Welter (2007), o gás metano (CH4) é inodoro, asfixiante, inflamável e explosivo, sendo assim demanda cuidados quando manuseado, para que seus benefícios, potencial energético e tratamento de efluentes, não sejam invalidados pela geração de gases tóxicos que podem influenciar negativamente a saúde e integridade física.
A Demanda Química de Oxigênio (DQO) é a quantidade de oxigênio necessária para oxidação da matéria orgânica de uma amostra por meio de um agente químico (APHA, 2005). Os efluentes tratados em simultâneo com a produção de gás metano, possuem altas taxas de matéria orgânica que são normalmente medidas em termos de DBO (demanda bioquímica de oxigênio) e DQO (demanda química de oxigênio), por meio destes parâmetros é possível avaliar o grau de perda do oxigênio natural e assim, a contaminação do meio, ou seja, os processos anaeróbios de tratamento relacionam diretamente a remoção de DQO com a produção de metano (METCALF; EDDY, 2016). De acordo com Inventário de Gases do Efeito Estufa (2011), a própria produção potencial de CH4 a partir de efluentes de industriais é baseado na DQO tratada.
2.3.1 Métodos de medição de Biogás Produzido
Os equipamentos utilizados para medir o biogás produzido por biodigestores anaeróbios podem ser divididos, segundo Veiga (1990), em dois
tipos: aparelhos para medir altas taxas de fluxo de gás de porte industrial e os de escala laboratorial sendo mais versáteis e com maior precisão, estes tendem a ser desenvolvidos de acordo com a aplicação e funcionalidade do sistema para que atendam a demanda de produção.
Veiga (1990) ainda cita a importância das funcionalidades dos medidores, que possuam partes metálicas, por longos períodos, visto que um problema comum é a corrosão causada pelo sulfeto de hidrogênio (H2S) produzido no sistema, além da estabilidade dos medidores quanto às variações de pressão dentro do digestor, a facilidade de manuseio e baixos custos quanto a montagem.
A medição de menores taxas de fluxo de gás tem sido feita através de dispositivos que funcionam com base no princípio de deslocamento de liquido (MARTÍNEZ-SIBAJA et al., 2011). Girardi Neto et al. (2014) salientam que pela limitada opção em instrumentos de medição, muitos pesquisadores acabam por desenvolver seus próprios métodos e instrumentos que atendam a demanda de seus projetos.
A dinâmica do deslocamento de fluidos, Lei de Pascal, contribui para o desenvolvimento de um sistema de medição de processos de pequena escala, como os utilizados em áreas de pesquisa, já que é possível que se realize a quantificação do volume de gás gerado através da utilização de vasos comunicantes com um medidor abastecido de água, onde o volume de água deslocado pela pressão proveniente do biogás do biorreator será o mesmo que o de gás gerado (NETO, 2014).
Abreu (2011) apresentou em seus estudos um exemplo de um medidor volumétrico de gás baseado no princípio de deslocamento de líquido (Figura 3). O medidor ilustrado é uma espécie de célula volumétrica que possui dois sensores para detecção do nível do líquido, uma válvula solenoide de três vias e um circuito para controle e operação da válvula. A operação da válvula se dá por sensores óticos alocados na parede de célula volumétrica. Na válvula solenóide, a via comum (A) é conectada ao tubo de vidro em forma de U (célula volumétrica que recebe o líquido utilizado na medição), a abertura (B) permanece, na maior parte do tempo, fechada e funciona como saída de gás para a atmosfera, já a abertura (C) permanece maioritariamente aberta para a
entrada de gás. Durante a entrada de gás neste sistema de medição, a válvula permanece aberta para a passagem do mesmo, sem comunicação com a atmosfera, assim o gás desloca o líquido até o nível do sensor superior. Neste momento a válvula comuta e o gás é liberado para a atmosfera, fechando um ciclo de gás gerado, o líquido retorna a sua condição inicial e o procedimento reinicia. O volume de gás gerado é obtido através do volume do líquido deslocado (previamente determinado), ele será o produto deste volume conhecido e número de ciclos ocorridos no processo (ABREU, 2011).
Figura 3 – Imagem da Representação esquemática de um sistema de medição por deslocamento de líquido.
3. Materiais e Métodos 3.1 Biodigestores
Os biodigestores foram elaborados para possuírem operação eficiente e de baixo custo. Sendo assim, foram desenvolvidos a partir da reutilização de garrafas de Politereftalato de Etileno (PET) de 2 litros, com um volume útil total de 2,15dm³. Para a comunicação entre cada biodigestor e seu respectivo medidor, foi necessária a instalação de conexões entre os recipientes. Para tal conexão, foi realizada a inserção de um tubo flexível de silicone, de 4mm de diâmetro e 38,5cm de comprimento, no centro da tampa do biodigestor. O local onde o tubo foi instalado foi vedado com silicone acético incolor, impedindo futuras perdas de biogás para a atmosfera.
Para controle da temperatura interna foi instalado um termômetro próximo ao local de permanência do inóculo, através de orifício feito na lateral do biorreator vedado com silicone acético incolor. Visando a não interferência da luminosidade nos processos de biodigestão, cada biodigestor foi revestido com folhas finas de alumínio.
3.2 Medidores
O sistema de medição foi elaborado a partir do princípio do deslocamento de líquidos entre dois frascos comunicantes (graduado e reservatório) e o biodigestor, onde o frasco graduado é conectado à parte superior do reator através do tubo flexível citado no tópico anterior (Figura 4).
O frasco graduado possui um reservatório conectado a ele através de um pequeno tubo flexível, de 4mm de diâmetro, próximo a sua base. Tal reservatório se faz necessário para armazenamento do líquido que será deslocado através do medidor pelo biogás gerado. Para evitar o vazamento de líquido do reservatório durante o deslocamento, foi projetado um prolongamento na saída para a atmosfera.
Para quantificação do biogás gerado, o medidor recebeu uma graduação de volume em mililitros. Considerando que o volume de líquido deslocado representa o volume de gás gerado no biodigestor, os recipientes foram preenchidos com uma pipeta automática de 1 em 1mL, desse modo foi possível graduar o medidor a cada 10mL.
Instalou-se na entrada de cada medidor um divisor de ar modular valve terminal, que quando aberto garante a saída do gás para atmosfera proporcionando o retorno do líquido para sua marca inicial. Assim, ao fim de cada medição, o sistema pode liberar para atmosfera o biogás já quantificado, zerando o medidor. Além disso, os medidores receberam uma fina camada de óleo de soja acima da água, para evitar a dissolução do Dióxido de Carbono contido no biogás.
3.3 Delineamento Experimental
Os volumes utilizados na alimentação dos biodigestores foram obtidos através de um planejamento experimental 2³ (Tabela 1), resultando em oito pontos e um ponto central (PC), realizado em triplicata.
Tabela 1 – Plano Fatorial. PLANO FATORIAL - - - + - - - + - + + - - - + + - + - + + + + +
Para o delineamento experimental foi considerado um volume total de apenas 1,7dm³ (Tabela 2), o restante do volume do biodigestor funcionou como headspace do mesmo.
Tabela 2 – Alimentação dos Biodigestores.
ALIMENTAÇÃO DOS BIODIGESTORES Ponto Efluente de
Arroz Resíduo Sólido Lodo de Arroz
Água Destilada [%] [dm³] [%] [dm³] [%] [dm³] [%] [dm³] P1 40 0,680 10 0,170 20 0,340 30 0,510 P2 50 0,850 10 0,170 20 0,340 20 0,340 P3 40 0,680 20 0,340 20 0,340 20 0,340 P4 50 0,850 20 0,340 20 0,340 10 0,170 P5 40 0,680 10 0,170 30 0,510 20 0,340 P6 50 0,850 10 0,170 30 0,510 10 0,170 P7 40 0,680 20 0,340 30 0,510 10 0,170 P8 50 0,850 20 0,340 30 0,510 0 0,000 PC 45 0,765 15 0,255 25 0,425 15 0,255
Cada biodigestor foi nomeado de acordo com o ponto atribuído à sua alimentação e o tipo de resíduo sólido que recebeu. Sendo assim, os biodigestores alimentados com casca de laranja receberam como prefixo a letra “L” seguida do ponto utilizado na alimentação, enquanto os que receberam casca de banana possuem a letra “B” como prefixo.
3.4 Alimentação dos Biodigestores
Os biodigestores foram operados em batelada, recebendo alimentação apenas no início de seu ciclo. A quantificação do volume de cada matéria introduzida nos biodigestores foi realizada através de provetas graduadas.
O efluente e o lodo introduzidos foram obtidos do UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor) de uma estação de tratamento de efluentes de uma indústria de arroz parboilizado de Pelotas-RS. Já os resíduos sólidos foram cedidos pelo Restaurante Universitário da Universidade Federal de Pelotas. Os resíduos sólidos foram triturados com o auxílio de um liquidificador e diluídos, para cada 100g de resíduo foi adicionado 200mL de água destilada (Figura 5).
Figura 5 – Fotografias da Preparação da Alimentação dos Biodigestores
3.5 Condicionamento dos Biodigestores
Os biodigestores foram alocados em banhos de aquecimento com termostato Fisatom (modelo 572), à 35°C (Figura 6). Durante o experimento foi necessário o reabastecimento do banho de aquecimento, já que parte da água evaporou ao longo dos dias.
Figura 6 – Fotografias do Condicionamento dos Biodigestores
3.6 Medições de Geração de Biogás
As medições foram realizadas diariamente de 12 em 12 horas por um período de sete dias (168 horas), zerando-se o medidor a cada intervalo. Em cada volume obtido através da escala do medidor foi acrescido 0,155dm³ referentes ao headspace e ao volume de gás contido no tubo flexível entre o biodigestor e o medidor.
3.7 Análises
As análises foram realizadas no Laboratório de Águas e Efluentes da Agência de Desenvolvimento da Lagoa Mirim da Universidade Federal de Pelotas.
3.7.1 Temperatura
O controle das temperaturas, dentro dos biodigestores e do banho de aquecimento, foi realizado através do uso de termômetros químicos. Estes também foram utilizados para manter as temperaturas constantes durante a reposição de água no banho de aquecimento.
3.7.2 Relação C/N
As metodologias a seguir foram aplicadas para a determinação da relação entre o carbono e o nitrogênio presentes no efluente oriundo da produção de arroz parboilizado.
3.7.2.1 Matéria Orgânica
A determinação do teor de Matéria Orgânica foi realizada pelo método da mufla, de Goldin (1987), com algumas modificações. A análise foi realizada em triplicata, em alíquotas de 50mL da amostra. Para a secagem prévia das amostras, contidas em cadinhos, foi necessário a permanência das mesmas em estufa a 105ºC, eliminando assim toda a umidade presente nos resíduos. Durante o período de secagem foi realizada a pesagem regularmente dos cadinhos até que a suas respectivas massas apresentassem constância. Em seguida as amostras foram incineradas em uma temperatura de 550ºC, por 3 h. Os cadinhos foram alocados em dessecador até que suas temperaturas reduzissem à temperatura ambiente para que pudessem ser pesados.
O carbono foi determinado em razão da perda de massa, considerando-se o material perdido pela queima no intervalo de variação da temperatura de 105ºC à 550°C.
3.7.2.2 Nitrogênio Total Kjeldhal (NTK)
O Nitrogênio Kjeldahl (NTK) é a soma dos nitrogênios orgânico e amoniacal, sua análise foi realizada segundo Standard Methods for the Examination of Water & Wastewater (APHA, AWWA e WEF, 2005) através de uma diluição 10:50 mL da amostra em água destilada. O método se baseia na decomposição da matéria orgânica através da digestão da amostra, com ácido sulfúrico concentrado, em presença de sulfato de cobre como catalisador. O nitrogênio presente na solução ácida resultante é determinado por destilação de arraste de vapor, seguida de titulação com ácido diluído.
3.7.3 Demanda Química de Oxigênio
A Demanda Química de Oxigênio (DQO), foi determinada com base na metodologia de refluxo fechado segundo Standard Methods for the Examination of Water & Wastewater (APHA, AWWA e WEF, 2005). Todas as amostras de entrada e saída de cada biodigestor foram submetidas a esta análise através de uma diluição de 2:50 mL. Para viabilização da análise foi necessária a filtragem das amostras em papel filtro, com auxílio de uma bomba a vácuo.
3.7.4 Potencial Hidrogeniônico
As analises referentes ao Potencial Hidrogeniônico (pH) de cada amostra de entrada e saída foram realizadas através de um pHmetro de acordo com Standard Methods for the Examination of Water & Wastewater (APHA, AWWA e WEF, 2005), sua determinação é baseada no método potenciométrico, no qual a medida da atividade do íon hidrogênio é verificada com um eletrodo padrão de hidrogênio e um de referência.
4. Resultados e Discussão 4.1 Temperatura
Com relação ao controle da temperatura, apesar do banho de aquecimento utilizado no experimento possuir um termostato, que teoricamente deveria controlar as variações de temperatura mantendo-a constante, ocorreram oscilações que variaram entre 5°C no interior dos biodigestores que receberam casca de banana e de 4°C nos que receberam casca de laranja (Tabela 3). Tais variações podem ter ocorrido por possíveis problemas no funcionamento da resistência do banho de aquecimento.
Tabela 3 – Temperatura Interna TEMPO [h] Casca de Banana [°C] Casca de Laranja [°C] 0 37 36 12 35 37 24 36 35 36 39 35 48 37 35 60 35 35 72 40 35 84 35 35 96 36 39 108 35 38 120 41 35 132 37 36 144 37 35 156 37 36 168 37 35 Média 36,93 35,80 Desvio Padrão 1,83 1,26
Caso essas oscilações tenham ocorrido de maneira brusca, é possível que tenham acarretado em perdas de até 30% na produção de biogás, já que as bactérias metanogênicas apresentam alta sensibilidade a variações rápidas de temperatura que excedam 2°C (AZEITONA, 2012; DEUBLEIN; STEINHAUSER, 2008). Nesse estudo não foi possível determinar a estabilidade do processo em relação a velocidade das oscilações, já que o controle de temperatura foi realizado em intervalos de 12 horas.
Em relação às médias das temperaturas ao longo das 168 horas, pode-se afirmar que pode-se encontram dentro do intervalo adequado para a produção de biogás. Em pesquisa realizada por Miranda; Amaral; Júnior (2006) para determinar a influência da temperatura na biodigestão anaeróbia de dejetos de bovinos e suínos, as temperaturas 35 e 40ºC acarretaram em melhor desempenho na produção de biogás e diminuição da fase de partida dos biodigestores, sendo que os biodigestores operados a 35°C apresentaram os maiores volumes produzidos.
4.2 Relação C/N
Com base da recomendação literária para que os biodigestores anaeróbios operem com uma relação C/N entre 20 e 30 (PEREIRA, 2013), foi necessária a realização de análises laboratoriais para determinação desse fator presente no efluente de arroz (Tabela 4), já que o uso de valores encontrados em literatura não é viável por conta de variações sazonais de produção do grão (BASTOS et al., 2010). No caso da casca de laranja e casca de banana, os valores utilizados foram obtidos em literatura (OLIVEIRA; AQUINO; CASTRONETO, 2005).
Tabela 4 – Razões C/N dos Substratos Razão C/N
Efluente de Arroz 25,75
Casca de Banana 21,30
Casca de Laranja 40,50
Através dos valores apresentados na Tabela 4 e dos volumes de substratos utilizados nas alimentações foi possível determinar a relação C/N na qual cada biodigestor foi operado (Tabela 5).
Tabela 5 – Razões C/N de cada Biodigestor BIDIGESTORES Razão C/N BP1 24,86 LP1 28,70 BP2 25,01 LP2 28,21 BP3 24,27 LP3 30,67 BP4 24,48 LP4 29,96 BP5 24,86 LP5 28,70
BP6 25,01 LP6 28,21 BP7 24,27 LP7 30,67 BP8 24,48 LP8 29,96 BPC 24,64 LPC 29,44
4.3 Co-digestão de Efluente de Arroz e Casca de Banana 4.3.1 Produção de Biogás
Como pode ser observado nas Figuras 7, 8 e 9, de uma maneira geral os biodigestores tiveram o seu pico de produção ao longo das 12 primeiras horas do experimento, excetuando os pontos BP1, BP2 e BP5. Segundo Zeeuw; Lettinga (1983), esta característica se deve ao fato de que a partida inicial na produção acontece em decorrência do lodo presente no sistema, que funciona como inoculo. O uso de inoculo não somente antecipa o pico de produção de biogás como também pode aumentar o potencial efetivo da biomassa.
Figura 7 – Gráfico da Produção de Biogás dos Biodigestores BP1, BP2, BP3 e BP4. 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 V o lum e [d m ³] Horas [h] Produção de Biogás BP1, BP2, BP3 e BP4 BP1 (ml) BP2 (ml) BP3 (ml) BP4 (ml)
Figura 8 – Gráfico da Produção de Biogás dos Biodigestores BP5, BP6, BP7 e BP8.
Dentre os biodigestores que apresentaram o seu pico de produção nas primeiras 12 horas, o BPC2 (Figura 9) foi o que obteve maior volume gerado, com 1,040dm³, seguido do ponto BP3 que também teve uma geração de mais de 1 litro de biogás em seu pico, com 1,035dm³. Apesar de BP7, BPC1, BP4, BP8 e BPC3 não terem apresentado gerações superiores a 1dm³ durante os seus picos, não apresentaram produções altamente inferiores.
Figura 9 – Gráfico da Produção de Biogás dos Biodigestores do Ponto Central. 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 V o lu m e [d m ³] Horas [h] Produção de Biogás BP5, BP6, BP7 e BP8 BP5 (ml) BP6 (ml) BP7 (ml) BP8 (ml) 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 V olu m e [d m ³] Horas [h] Produção de Biogás Ponto Central BPC1 (ml) BPC2 (ml) BPC3 (ml)
Os menores volumes de biogás gerados nas primeiras 12 horas foram apresentados em BP2, BP1 e BP5, com uma geração de 0,257dm³, 0,395dm³ e 0,535dm³, respectivamente (Tabela 6). Cabe destacar que seus picos não ocorreram com 12 horas de experimento e sim com 36 horas, no caso do BP1, e com 48 horas, no caso do BP5 e BP2. Ainda assim seus picos de produção foram consideravelmente baixos quando comparados com o restante dos pontos. Com relação a tendência de estabilização da produção, foi possível observar que a mesma se deu 84 horas após o início da operação dos biodigestores.
Tabela 6 – Volume de Biogás Produzido na Co-digestão de Efluente de Arroz e Casca de Banana
VOLUME DE BIOGÁS PRODUZIDO Tempo (h) BP1 (dm³) BP2 (dm³) BP3 (dm³) BP4 (dm³) BP5 (dm³) BP6 (dm³) BP7 (dm³) BP8 (dm³) BPC1 (dm³) BPC2 (dm³) BPC3 (dm³) 12 0,395 0,257 1,035 0,915 0,535 0,995 0,960 0,905 0,935 1,040 0,895 24 0,535 0,225 0,905 0,735 0,545 0,905 0,855 0,720 0,735 0,805 0,685 36 0,555 0,635 0,715 0,845 0,595 0,765 0,735 0,805 0,645 0,835 0,725 48 0,475 0,695 0,565 0,745 0,685 0,695 0,630 0,735 0,625 0,875 0,805 60 0,485 0,465 0,585 0,665 0,635 0,565 0,755 0,615 0,605 0,705 0,605 72 0,405 0,360 0,665 0,525 0,425 0,525 0,605 0,543 0,595 0,690 0,585 84 0,355 0,445 0,585 0,475 0,305 0,475 0,575 0,525 0,435 0,435 0,355 96 0,335 0,435 0,615 0,495 0,225 0,455 0,545 0,485 0,375 0,420 0,415 108 0,330 0,325 0,625 0,525 0,190 0,445 0,505 0,465 0,325 0,355 0,385 120 0,305 0,325 0,505 0,505 0,165 0,435 0,525 0,485 0,305 0,385 0,390 132 0,235 0,275 0,455 0,485 0,185 0,430 0,475 0,330 0,295 0,205 0,255 144 0,215 0,275 0,355 0,480 0,195 0,415 0,455 0,310 0,185 0,205 0,205 156 0,185 0,265 0,455 0,365 0,205 0,405 0,465 0,465 0,185 0,195 0,185 168 0,165 0,245 0,395 0,365 0,195 0,405 0,405 0,405 0,175 0,175 0,165 TOTAL 4,975 5,227 8,460 8,125 5,085 7,915 8,490 7,793 6,420 7,325 6,655
Ao observar as produções totais apresentadas na Tabela 6, nota-se que os biodigestores com picos inferiores, foram também os com as menores produções de biogás. BP1 apresentou o menor volume de biogás gerado, totalizando apenas 4.975dm³, seguido de BP5 e BP2 que produziram, respectivamente, 5,085dm³ e 5,227dm³. Já os apresentaram maiores produções totais foram, BP7, com 8,490dm³ de geração, BP3 com 8,460dm³ e BP4 com 8,125dm³.
É importante salientar que apesar da triplicata referente ao ponto central obtido no delineamento experimental ter apresentado valores divergentes quanto à produção de biogás ao longo do experimento, estas divergências não foram altamente significativas e podem estar associadas a erros humanos ou a vazamentos no sistema de medição e/ou biodigestor. No gráfico apresentado na Figura 9, pode-se observar que o comportamento de produção de biogás nos três biodigestores foi bastante similar, principalmente entre o BPC1 e BPC3, com 6,420dm³ e 6,655dm³, respectivamente.
De acordo com a alimentação fornecida a cada biodigestor é possível constatar que os pontos que receberam maior volume de casca de banana (0,340dm³) apresentaram melhor desempenho, enquanto os que receberam volumes menores (0,170dm³) se mantiveram com resultados inferiores, excetuando o ponto BP6, que recebeu apenas 0,170dm³ de casca de banana e apresentou o quarto melhor resultado. Porém, o mesmo recebeu maiores volumes de efluente e de lodo.
4.3.2 Remoção de DQO
Os processos anaeróbios de tratamento relacionam diretamente a remoção de DQO com a produção de metano (METCALF; EDDY, 2016), sendo assim espera-se que a carga de remoção de DQO sejam superiores nos biodigestores onde houve maior produção de biogás.
Tabela 7 – DQO de Entrada e Saída da Co-digestão de Efluente de Arroz e Casca de Banana DQO [mgO.L-1]
Biodigestor Entrada Saída DQO Removida
BP1 3438,02 675,85 2762,17 BP2 3805,33 896,24 2909,09 BP3 5054,18 602,39 4451,79 BP4 4466,48 308,54 4157,94 BP5 3070,71 161,62 2909,09 BP6 4025,71 308,54 3717,17 BP7 5054,18 367,31 4686,87 BP8 4686,87 808,08 3878,79 BPC1 3511,48 440,77 3070,71 BPC2 3952,25 367,31 3584,94 BPC3 4025,71 734,62 3291,09
De acordo com os dados apresentados na Tabela 7 e Figura 10, pode-se constatar que houve significativa remoção das cargas de DQO em todos os pontos do delineamento experimental e que os biodigestores que apresentaram maiores valores de remoção de DQO foram também os que mais produziram biogás, BP7, BP3 e BP4, com uma remoção de 4686,88mgO.L-1, 4451,79mgO.L-1 e 4157,94mgO.L-1, respectivamente.
Figura 10 – Gráfico da DQO de Entrada e Saída da Co-digestão de Efluente de Arroz e Casca de Banana.
Em relação a entrada e saída de cada ponto, as taxas de remoção de DQO apresentadas na Tabela 8, podemos observar que o biodigestor BP5 teve maior eficiência em relação aos demais, com 94,74% de remoção. A menor taxa de remoção ocorreu no biodigestor BP2, com apenas 76,45% de remoção.
Tabela 8 – Taxa de Remoção de DQO da Co-digestão de Efluente de Arroz e Casca de Banana Biodigestor Remoção [%] BP1 80,34 BP2 76,45 BP3 88,08 BP4 93,09 BP5 94,74 BP6 92,34 BP7 92,73 BP8 82,76 BPC1 87,45 BPC2 90,71 BPC3 81,75 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 BP1 BP2 BP3 BP4 BP5 BP6 BP7 BP8 BPC1BPC2BPC3 D QO [ m g O.L -1]
DQO
ENTRADA SAIDA4.3.3 pH
Os valores obtidos nas análises de pH das amostras de entrada dos biodigestores variaram de 4,20 a 4,65 (Tabela 9). Segundo Weiland (2010), a faixa ideal para a produção de biogás ocorre entre 7,0 e 8,0. O autor afirma ainda que a produção é inibida em um pH abaixo de 6,0. Sendo assim, presume-se que a geração de biogás não tenha alcançado sua potencialidade máxima.
Tabela 9 – pH de Entrada e Saída da Co-digestão de Efluente de Arroz e Casca de Banana pH
Biodigestor Entrada Saída Variação
BP1 4,35 7,75 3,40 BP2 4,20 7,65 3,45 BP3 4,45 7,93 3,48 BP4 4,57 8,08 3,51 BP5 4,36 7,59 3,23 BP6 4,23 7,61 3,38 BP7 4,59 7,84 3,48 BP8 4,54 8,07 3,68 BPC1 4,52 8,22 3,77 BPC2 4,65 8,29 3,64 BPC3 4,40 8,27 3,87
Foi possível observar um aumento significativo do pH após os processos de digestão anaeróbia, atingindo a neutralidade no efluente de saída de todos os biodigestores (Figura 11).
Figura 11 – Gráfico do pH de Entrada e Saída da Co-digestão de Efluente de Arroz e Casca de Banana.
4.4 Co-digestão de Efluente de Arroz e Casca de Laranja 4.4.1 Produção de Biogás
De acordo com os gráficos apresentados nas Figuras 12, 13 e 14, todos os biodigestores apresentaram seu pico de produção nas primeiras 12 horas do experimento.
Figura 12 – Gráfico da Produção de Biogás dos Biodigestores LP1, LP2, LP3 e LP4. 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 BP1 BP2 BP3 BP4 BP5 BP6 BP7 BP8 BPC1BPC2BPC3 pH pH ENTRADA SAÍDA 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 V ol um e [dm ³] Horas [h] Produção de Biogás LP1, LP2, LP3 e LP4 LP1 (ml) LP2 (ml) LP3 (ml) LP4 (ml)
Figura 13 – Gráfico da Produção de Biogás dos Biodigestores LP5, LP6, LP7 e LP8.
Após as primeiras 12 horas de produção todos os biodigestores apresentaram queda gradativa na produção ao longo das 168 horas, excetuando LP2 que sofreu uma queda brusca logo após as primeiras 12 horas (Figura 12). A triplicata referente ao ponto central apresentou diferenças moderadas em suas produções, porém apresentaram tendências similares em relação aos seus picos e quedas durante os sete dias de atividade (Figura 14).
Figura 14 – Gráfico da Produção de Biogás dos Biodigestores do Ponto Central.
De acordo com a Tabela 10, o biodigestor que apresentou maior geração de biogás nas primeiras 12 horas de experimento foi o LP7, com 1,135dm³. LP8 e LPC3 também obtiveram uma produção acima de 1,0 dm³. Já
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 V ol um e [dm ³] Horas [h] Produção de Biogás LP5, LP6, LP7 e LP8 LP5 (ml) LP6 (ml) LP7 (ml) LP8 (ml) 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 V ol um e [dm ³] HORAS (h) Produção de Biogás Ponto Central LPC1 (ml) LPC2 (ml) LPC3 (ml)
LP3 e LP1, foram responsáveis pelos menores picos com, respectivamente, 0,555dm³ e 0,525dm³ de biogás gerado. Os demais biodigestores apresentaram resultados medianos, variando de 0,975dm³ a 0,825dm³.
Tabela 10 – Volume de Biogás Produzido na Co-digestão de Efluente de Arroz e Casca de Laranja.
VOLUME DE BIOGÁS PRODUZIDO Tempo (h) LP1 (dm³) LP2 (dm³) LP3 (dm³) LP4 (dm³) LP5 (dm³) LP6 (dm³) LP7 (dm³) LP8 (dm³) LPC1 (dm³) LPC2 (dm³) LPC3 (dm³) 12 0,525 0,925 0,555 0,975 0,825 0,955 1,135 1,065 0,875 0,935 1,025 24 0,435 0,715 0,465 0,945 0,725 0,935 1,055 1,045 0,825 0,755 0,985 36 0,365 0,575 0,405 0,835 0,705 0,875 1,025 1,005 0,825 0,905 0,965 48 0,325 0,485 0,325 0,775 0,675 0,845 1,005 0,985 0,805 0,835 0,945 60 0,305 0,375 0,275 0,785 0,645 0,705 0,975 0,965 0,785 0,855 0,875 72 0,335 0,255 0,255 0,715 0,605 0,775 0,935 0,905 0,785 0,825 0,865 84 0,345 0,270 0,235 0,605 0,555 0,675 0,875 0,865 0,755 0,795 0,835 96 0,255 0,245 0,225 0,725 0,515 0,545 0,845 0,775 0,830 0,765 0,765 108 0,265 0,215 0,255 0,655 0,395 0,465 0,725 0,735 0,655 0,685 0,805 120 0,245 0,185 0,205 0,605 0,345 0,385 0,755 0,655 0,535 0,715 0,765 132 0,205 0,175 0,185 0,555 0,305 0,335 0,685 0,635 0,555 0,575 0,785 144 0,185 0,165 0,165 0,475 0,235 0,275 0,615 0,595 0,535 0,535 0,655 156 0,175 0,170 0,160 0,545 0,205 0,245 0,575 0,585 0,455 0,355 0,565 168 0,165 0,165 0,160 0,575 0,185 0,215 0,525 0,505 0,405 0,430 0,425 TOTAL 4,130 4,920 3,870 9,770 6,920 8,230 11,730 11,320 9,625 9,965 11,260
Relativo à produção total ao longo das 168 horas, os biodigestores com maiores produções de biogás foram os mesmos pontos que apresentaram os maiores picos, LP7, LP8 e LPC3, com um total de 11,730dm³, 11,320dm³ e 11,260dm³ de gás gerado, respectivamente. Seguidos pelos pontos LPC2, LP4 e LPC1, que apresentaram produções totais acima de 0,900dm³. Os menores volumes gerados foram encontrados em LP2, LP1 e LP3, com volumes abaixo de 0,500dm³.
Os biodigestores que obtiveram produções inferiores foram os que receberam menores cargas de casca de laranja (0,170dm³), excetuando LP3 que recebeu uma carga maior do resíduo sólido (0,340dm³) e apresentou o pior desempenho. Porém, esse biodigestor recebeu uma quantidade inferior de efluente e de lodo. Os dois melhores resultados foram observados nos
processos que receberam a maior carga de casca de laranja (0,340dm³) e maior quantidade de lodo (0,510dm³).
4.4.2 Remoção de DQO
De acordo com os resultados das análises de DQO apresentados na Tabela 11, é possível constatar que os valores das cargas de DQO removidas durante os processos de biodigestão apresentaram distinções significativas, com valores quase 6 vezes inferiores a maior carga de DQO consumida. O ponto com maior carga removida foi o LP7, 6479,33mgO.L-1.
Tabela 11 – DQO de Entrada e Saída da Co-digestão de Efluente de Arroz e Casca de Laranja. DQO [mgO.L-1]
Biodigestor Entrada Saída Remoção
LP1 3364,55 1300,28 2064,27 LP2 3584,94 1300,28 2284,66 LP3 5862,26 4606,06 1256,20 LP4 9674,93 4495,87 5179,06 LP5 4172,64 859,50 3313,14 LP6 5818,18 1529,60 4288,58 LP7 9454,55 2644,63 6809,92 LP8 10115,70 3636,36 6479,34 LPC1 6809,92 1652,89 5157,03 LPC2 6148,76 991,74 5157,02 LPC3 7471,07 991,74 6479,33
Observa-se que os pontos centrais apresentaram valores de DQO com notável distinção em suas entradas, de forma que, tal diferença pode ser atribuída a alguma falha humana durante a alimentação do biodigestor (Figura 15).
Figura 15 – Gráfico da DQO de Entrada e Saída da Co-digestão de Efluente de Arroz e Casca de Laranja.
Com relação à taxa de remoção de DQO, foram constatadas variações de 86,73% a 21,43% (Tabela 12). Os biodigestores que apresentaram remoções cima de 70% foram, em ordem crescente, LP6, LPC1, LP5, LPC2 e LPC3. Já os pontos LP8, LP2, LP1 e LP4 obtiveram resultados entre 50 e 65%. A pior remoção ocorreu no biodigestor LP3.
Tabela 12 – Taxa de Remoção de DQO da Co-digestão de Efluente de Arroz e Casca de Laranja Biodigestor Remoção [%] LP1 61,35 LP2 63,73 LP3 21,43 LP4 53,53 LP5 79,4 LP6 73,71 LP7 72,03 LP8 64,05 LPC1 75,73 LPC2 83,87 LPC3 86,73 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 LP1 LP2 LP3 LP4 LP5 LP6 LP7 LP8 LPC1LPC2LPC3 D QO (( m g O) /L ))
