UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
FELIPE PETTINATI SANT’ANNA
Biogás: modelos de biodigestores e métodos para remoção do sulfeto de hidrogênio
Lorena - SP 2018
FELIPE PETTINATI SANT’ANNA
Biogás: modelos de biodigestores e métodos para remoção do sulfeto de hidrogênio
Lorena - SP 2018
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito parcial para obtenção de Título de Engenheiro Químico da Escola de Engenharia de Lorena – Universidade de São Paulo.
Orientadora: Prof. Dra. Rita de Cássia Lacerda Brambilla Rodrigues
Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Automatizado da Escola de Engenharia de Lorena,
com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)
Sant'anna, Felipe Pettinati
Biogás: modelos de biodigestores e métodos para remoção do sulfeto de hidrogênio. / Felipe Pettinati Sant'anna; orientadora Dra. Rita de Cássia Lacerda Brambilla Rodrigues. - Lorena, 2018.
49 p.
Monografia apresentada como requisito parcial para a conclusão de Graduação do Curso de Engenharia Química - Escola de Engenharia de Lorena da
Universidade de São Paulo. 2018
1. Biogás. 2. Metano. 3. Sulfeto de hidrogênio. 4. Biodigestores. 5. Resíduo agroindustrial. I. Título. II. Rodrigues, Dra. Rita de Cássia Lacerda Brambilla, orient.
RESUMO
SANT’ANNA, F. P. Biogás: modelos de biodigestores e métodos para remoção do sulfeto de hidrogênio. 2018. (49f) Trabalho de Conclusão de Curso em Engenharia Química – Escola de Engenharia de Lorena – Universidade de São Paulo, Lorena, 2018.
O biogás é proveniente de diferentes tipos de biomassas geradas nos setores agroindustrial, urbano e aterros de resíduos sólidos urbanos (RSU). Este efluente resulta da degradação biológica anaeróbia da matéria orgânica presente nestes resíduos podendo encontrar em sua composição metano (50-70%), gás carbônico (25-45%) e pequenas quantidades de hidrogênio, nitrogênio e ácido sulfídrico (H2S). A presença de metano confere ao biogás elevado poder calorífico
enquanto a presença de sulfeto de hidrogênio limita o seu uso. O ácido sulfídrico traz danos à saúde humana e para que o biogás possa ser utilizado como combustível é necessária a sua remoção. Existem diversos modelos de biodigestores como indiano, paquistanês, chinês, tailandês, filipino e outros. Cada um apresenta suas vantagens e desvantagens e características específicas de operação. Neste trabalho foi constatado que no Brasil tem-se o uso mais frequência de biodigestores dos modelos indiano e chinês, que operam em sistema contínuo, e o modelo em batelada que tem seu uso condicionado a disponibilidade de biomassa. Além disso, para a produção de biogás em biodigestores devem ser controlados diversos aspectos, como microrganismos presentes no material inoculante; aeração de gás oxigênio para o processo aeróbio; temperatura, umidade e pH ideais; assim como equilíbrio na relação carbono/nitrogênio. No processamento do biogás há necessidade de seu tratamento e purificação para remoção do sulfeto de hidrogênio através de processos físico-químicos (adsorção, absorção e oxidação a seco) e biológicos (biofiltro, bioperculador e biolavador). O biogás apresentou-se promissor em diversas aplicações e uma excelente forma de energia limpa e sustentável obtida pelo reaproveitamento de dejetos e resíduos.
Palavras-chaves: Biogás, metano, sulfeto de hidrogênio, biodigestores, resíduo agroindustrial.
ABSTRACT
SANT’ANNA, F. P. Biogas: biodigester models and methods for hydrogen sulphide removal. 2018. (49f) Completion of course work in Chemical Engineering – Engineering School of Lorena – University of São Paulo, Lorena, 2018.
Biogas comes from different types of biomass generated in the agroindustrial, urban and landfill sectors of municipal solid waste (RSU). This effluent results from the anaerobic biological degradation of the organic matter present in these residues. It may contain methane (50-70%), carbon dioxide (25-45%) and small amounts of hydrogen, nitrogen and hydrogen sulfide (H2S). The
presence of methane gives the biogas high calorific value while the presence of hydrogen sulphide limits its use. Hydrogen sulphide causes damage to human health and for biogas to be used as fuel it is necessary to remove it. There are several models of biodigestors such as Indian, Pakistani, Chinese, Thai, Filipino and others. Each one presents its advantages and disadvantages and specific features of operation. In this work, it was observed that in Brazil the biodigestors of the Indian and Chinese models, which operate in a continuous system, are used more frequently, as well as the batch model that has its use conditioned the availability of biomass. In addition, for biogas production in biodigesters, several aspects must be controlled, such as the microorganisms present in the inoculant material; aeration of oxygen gas for the aerobic process; ideal temperature, humidity and pH; as well as equilibrium in the carbon/nitrogen ratio. In biogás processing, it is necessary to treat and purify it for the removal of hydrogen sulphide through physical-chemical (adsorption, absorption and dry oxidation) and biological processes (biofilter, biotrickling and bioscrubber). Biogas was promising in several applications and an excellent form of clean and sustainable energy obtained by the reuse of waste and residues.
Keywords: Biogas, methane, hydrogen sulfide, biodigesters, agroindustrial residue.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Classificação de resíduos sólidos pela Norma ABNT NBR 10.004:2004
... 14
Figura 2 - Representação de um lixão. ... 16
Figura 3 – Representação de um aterro controlado. ... 17
Figura 4 – Representação de um aterro sanitário. ... 18
Figura 5 – Representação em corte da vista frontal de um biodigestor no modelo indiano. ... 26
Figura 6 – Representação tridimensional em corte do modelo indiano ... 27
Figura 7 - Representação em corte da vista frontal de um biodigestor no modelo chinês. ... 28
Figura 8 - Representação tridimensional em corte do modelo chinês. ... 29
Figura 9 - Representação em corte da vista frontal de um biodigestor em batelada. ... 31
Figura 10 - Representação tridimensional em corte do modelo em batelada. ... 32
Figura 11 - Visualização ampliada do biofilme no interior do filtro. ... 39
Figura 12 - Modelo típico de um sistema de biofiltração. ... 40
Figura 13 - Representação esquemática de um processo de biotrickling ... 41
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Desempenho de biodigestores modelo Indiano e Chinês, com capacidade de 5,5 m³ de biomassa, operados com esterco bovino... 29 Tabela 2 – Principais propriedades físico-químicas do sulfeto de hidrogênio ... 34
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 - Destinação final de resíduos sólidos no Brasil, por unidade descartada – 1989/2008 ... 19 Quadro 2 – Vantagens e desvantagens da biodigestão ... 21 Quadro 3 – Comparação de características entre os modelos contínuos indiano e chinês. ... 30 Quadro 4 - Relação entre o grau de concentrações de H2S e os sintomas
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 9 2 OBJETIVOS ... 10 2.1 Objetivos gerais ... 10 2.2 Objetivos específicos ... 10 3 METODOLOGIA ... 11 3.1 Tipos de pesquisa ... 11 4 DESENVOLVIMENTO... 12 4.1 Resíduos sólidos ... 122
4.1.1 Classificação de resíduos sólidos ... 122
4.1.2 Destinação final dos resíduos sólidos ... 144
4.1.3 Disposição do lixo ... 188
4.2 Biodigestão de resíduos sólidos ... 199
4.2.1 Breve histórico ... 199
4.2.2 Biodigestão ... 20
4.2.3 Composto orgânico ... 20
4.2.4 Biogás ... 20
4.2.5 Vantagens e desvantagens da biodigestão ... 21
4.3 Processo de biodigestão ... 23
4.3.1 Condições básicas para a decomposição da matéria orgânica ... 23
4.3.2 Modelos de biodigestores ... 24
4.3.3 Etapas do processo de biodigestão ... 32
4.3.4 Purificação do biogás ... 33
4.3.5 Tratamentos para remoção do sulfeto de hidrogênio ... 33
4.3.5.1 Processos de adsorção ... 37
4.3.5.2 Processos de absorção ... 37
4.3.5.3 Processos de oxidação a seco ... 38
4.3.5.4 Processos biológicos ... 39
4.3.6 Aplicações do processo de biodigestão ... 42
5 CONCLUSÕES ... 44
1 INTRODUÇÃO
Resíduos agroindustriais são gerados em grandes quantidades trazendo problemas ambientais. Uma solução ambiental e economicamente viável para o tratamento destes resíduos é a digestão anaeróbia que se utiliza de microrganismos para converter subprodutos em energia renovável na forma de biogás que apresenta em sua composição, principalmente, metano (50-70%), gás carbônico (25-45%) e pequenas quantidades de hidrogênio, nitrogênio e sulfeto de hidrogênio (H2S). O poder calorífico do biogás deve-se a grande quantidade do
gás metano em sua composição. No entanto, o sulfeto de hidrogênio traz problemas sérios à saúde humana e para que o biogás possa ser utilizado como combustível é necessário sua remoção. Com relação aos efeitos tóxicos do sulfeto de hidrogênio refere-se ao seu grande potencial irritante, para os olhos e nariz e em situações de exposição severas pode causar coma imediato com ou sem convulsão e até a morte.
O biogás produzido na maioria dos biodigestores anaeróbios contém de 0,3 a 2% de ácido sulfídrico (SALOMON, 2007). Segundo Gadre (1989) e Mainier (2003), existem vários métodos físico-químicos disponíveis para a remoção deste ácido a partir de correntes gasosas. Existem diversos modelos de biodigestores como o indiano, o chinês, o paquistanês, o tailandês, o filipino, etc. Cada um apresenta características específicas, vantagens e desvantagens, e são classificados de acordo com a frequência de operação: biodigestores contínuos ou biodigestores em batelada. No Brasil, os modelos de biodigestores mais comuns são o indiano, o chinês e o em batelada.
Neste sentido, este trabalho pretende descrever o funcionamento dos modelos de biodigestores mais comuns no Brasil, bem como descrever sobre possíveis métodos para a remoção do sulfeto de hidrogênio do efluente biogás nos biodigestores e contribuir para o entendimento do processo de produção do biogás a partir de resíduo agroindustrial.
2 OBJETIVOS
2.1 Objetivos gerais
Contribuir para o entendimento do processo de produção de biogás a partir de resíduos agroindustriais.
2.2 Objetivos específicos
Descrever sobre o aproveitamento de resíduos agroindustriais em biodigestores anaeróbicos para produção de biogás.
Descrever o funcionamento de um biodigestor anaeróbico e seus parâmetros importantes.
Analisar formas de purificação do sulfeto de hidrogênio (H2S) do
3 METODOLOGIA
3.1 Tipos de Pesquisa
Foi empregado o estudo exploratório-descritivo através de pesquisa bibliográfica e da utilização de dados secundários, oriundos de publicações e resultados de pesquisas específicas sobre a produção de biogás a partir de resíduos agroindustriais em biodigestores anaeróbicos para produção de biogás enfocando também sobre o funcionamento de um biodigestor anaeróbico e métodos de separação do ácido sulfídrico da corrente gasosa do biodigestor.
4 DESENVOLVIMENTO
4.1 Resíduos sólidos
4.1.1 Classificação de resíduos sólidos
A classificação de resíduos sólidos pode ser feita de diversas formas. Segundo D’Almeida (2000), outra forma de classificação é referente ao tipo de origem do lixo, ou seja:
Domiciliar – com origem na vida diária residencial, abrangendo restos alimentícios, produtos deteriorados, papel higiênico, fraldas descartáveis, garrafas e embalagens;
Comercial – aquele proveniente de estabelecimentos comerciais ou de serviços, como por exemplo, supermercados, lojas, bares e até bancos. Estes locais contemplam grande quantidade de papel, plástico, embalagens;
Público – proveniente do serviço de limpeza urbana. Inclui restos de podas de árvores, restos vegetais diversos, embalagens resíduos de limpeza das vias públicas e de praias em áreas litorâneas;
Serviços de saúde e hospitalar – é o lixo hospitalar, o qual pode possuir resíduos sépticos como agulhas, bandagens, gazes, luvas descartáveis, meios de cultura e animais usados em testes, órgãos removidos, remédios vencidos, etc. Proveniente de hospitais, laboratórios, farmácias, clínicas e postos de saúde. Estes resíduos devem ser separados semelhantes aos domiciliares também produzidos nestes locais;
Portos, aeroportos, terminais rodoviários e ferroviários – são resíduos que podem potencialmente trazer germes patogênicos provenientes de
outras cidades, estados ou países. Incluem materiais higiênicos e restos alimentares;
Industrial – lixo bastante variado proveniente de diversos ramos industriais como químico, petroquímico, alimentício, metalúrgico, etc;
Agrícola – resíduos sólidos agrícolas, incluindo embalagens de fertilizantes e defensivos agrícolas e resíduos pecuários, tendo em vista a grande quantidade de esterco animal gerado por estes em práticas intensivas;
Entulhos – composto geralmente de materiais inertes, excelentes para o reaproveitamento, como restos de obras, materiais de demolição ou escavação, mas há também materiais tóxicos que devem receber tratamento especializado como restos de tintas, solventes e diferentes metais.
Segundo James (1997), de acordo com o local de origem e as fontes geradoras, assim como as características e hábitos de consumo na sociedade, como por exemplo:
Natureza física – seco ou molhado;
Composição química – matéria orgânica e inorgânica;
Potencial risco ao meio ambiente – perigosos, não inertes e inertes.
Segundo as normas de classificação de resíduos da Associação Brasileira de Empresas de Tratamento de Resíduos – ABETRE – para a classificação de acordo com o potencial risco ao meio ambiente:
Resíduos de classe I – Perigosos: Aqueles que apresentam periculosidade, conforme definido em 3.2 (risco à saúde pública ou risco ao meio ambiente), ou uma das características de: inflamabilidade corrosividade reatividade toxicidade patogenicidade ou constem ou constem nos anexos A ou B. (ABNT, 2004);
Resíduos de classe II A – Não inertes: Aqueles que não se enquadram nas classificações de resíduos de classe I – Perigosos ou de resíduos de classe II B – Inertes. Os resíduos de classe II A – Não Inertes podem ter propriedades, tais como: biodegradabilidade, combustibilidade ou solubilidade em água (ABNT, 2004);
Resíduos de classe II B – Inertes: Quaisquer resíduos que não tiverem nenhum de seus constituintes solubilizados a concentrações superiores aos padrões de potabilidade de água, excetuando-se aspecto, cor, turbidez, dureza e sabor, conforme padrões para o ensaio de solubilização (ABNT, 2004).
Essa caracterização está representada na Figura 1.
Figura 1 - Classificação de resíduos sólidos pela Norma ABNT NBR 10.004:2004
FONTE: Adaptado de Associação Brasileira de Empresas de Tratamento de Resíduos - ABETRE (2016).
4.1.2 Destinação final dos resíduos sólidos
O descarte dos resíduos sólidos urbanos em todo o mundo sempre foi um problema para o meio ambiente e também à saúde humana, dependendo do tipo de resíduo em questão. Segundo James (1997), depósitos em áreas urbanas durante séculos tratados sem os devidos cuidados, sempre estiveram associados à propagação de doenças, seja diretamente via pessoas e animais coexistindo
nestes locais, seja por meio da contaminação dos mananciais de água, dos solos e dos alimentos.
Segundo D’Almeida (2000), por isso, é importante compreender as formas de disposição de lixo mais conhecidas, como lixões, aterro controlado e aterro sanitário. A seguir uma descrição sobre estas disposições de lixo:
Lixões: locais afastados do centro das cidades nos quais são depositados todos os tipos de resíduos coletados no solo a céu aberto. Sem qualquer preparo anterior do solo, o chorume (líquido preto que escorre do lixo) penetra pela terra contaminando o solo e o lençol freático (Figura 2). A água da chuva também impulsiona a influência negativa dos fluidos residuais no solo. Há ainda a presença de moscas, ratos e pássaros no local que se tornam veículos de doenças;
A Política Nacional de Resíduos Sólidos, aprovada em 2010 determinou que todos os lixões do país deveriam ter sido fechados até 2 de agosto de 2014. Porém, de acordo com Verdélio (2016):
O Projeto de Lei 2289/2015, aprovado no Senado e em tramitação na Câmara dos Deputados, dá prazo até 31 de julho de 2018, para capitais e regiões metropolitanas se adequarem; até 31 de julho de 2019, para municípios com população superior a 100 mil habitantes; até 31 de julho de 2020, para municípios com população entre 50 mil e 100 mil habitantes e até 31 de julho de 2021, para aqueles com população inferior a 50 mil habitantes.
Figura 2 - Representação de um lixão.
FONTE: Gonçalves (2003).
Aterro controlado: fase intermediária entre o lixão e o aterro sanitário. É menos prejudicial do que os lixões, pelo fato dos resíduos dispostos no solo serem posteriormente recobertos com terra e grama e captação de chorume e de gás (Figura 3). É feita também a recirculação do chorume que é coletado e levado ao topo da pilha para diminuir o impacto ao solo.
Embora essa técnica seja melhor que o lixão e tenha uma poluição local menor, o aterro controlado não deve ser priorizado por não ser a técnica mais adequada para evitar danos ambientais;
Figura 3 – Representação de um aterro controlado.
FONTE: Gonçalves (2003).
Aterro sanitário: é a alternativa mais vantajosa, considerando a redução dos impactos ocasionados pelo descarte dos resíduos sólidos urbanos. Apresenta como características uma subdivisão da área de aterro em células de colocação de lixo, a disposição dos resíduos em solo previamente nivelado e preparado para que se torne impermeável, impossibilitando a contaminação do lençol freático pelo contato com os líquidos residuais (água das chuvas e chorume), a presença de lagoas de estabilização para a biodegradação da matéria orgânica contida nos líquidos residuais, a presença de drenos superficiais para a coleta da água das chuvas, os drenos de fundo para a coleta e tratamento do chorume, e para a dispersão do metano, os coletores dos líquidos residuais em direção às lagoas de estabilização, o confinamento do lixo em coberturas diárias, impedindo assim a proliferação de vetores patogênicos, maus odores e poluição visual (Figura 4).
Figura 4 – Representação de um aterro sanitário.
FONTE: Gonçalves (2003).
4.1.3 Disposição do lixo
Segundo dados da Pesquisa Nacional de Saneamento Básico disponíveis infelizmente até o ano de 2008 somente, os quais podem ser observados no Quadro 1 (IBGE, 2008), houve uma melhora percentual na disposição dos resíduos sólidos visto que a utilização de aterros sanitários aumentou para quase 28% em 2008 de apenas 1,1% em 1989. Embora comparativamente o resultado seja positivo, o Brasil ainda tem muito a melhorar, pois mais de 70% dos resíduos ainda são destinados a meios não ideais ao meio ambiente. Como dados além do ano de 2008 não estão disponíveis não se sabe com maior precisão o quanto o Brasil melhorou, ou não, até este momento.
Quadro 1 - Destinação final de resíduos sólidos no Brasil, por unidade descartada – 1989/2008
Ano
Destinação final de resíduo sólido, por unidade de resíduo enviado
(%)
Lixão Aterro controlado Aterro sanitário
1989 88,2 9,6 1,1
2000 72,3 22,3 17,3
2008 50,8 22,5 27,7
Fonte: IBGE (2008).
4.2 Biodigestão de resíduos sólidos
4.2.1 Breve histórico
“Biodigestão num sentido mais abrangente foi sem dúvida praticada desde a antiguidade. Israelitas, gregos e romanos utilizavam resíduos orgânicos diretamente ou compostados. As civilizações iniciais da América do Sul, China, Japão e Índia praticavam agricultura intensiva e usavam dejetos animais e humanos como fertilizantes. Muitos desses resíduos orgânicos eram amontoados para apodrecer por longos períodos, produzindo composto” (EPSTEIN, 1996).
O princípio da biodigestão, porém, costuma ser atribuído ao inglês Sir Albert Howard, considerado pai da agricultura por seu processo de compostagem na província de Indore na Índia em 1920. Este processo basicamente consistia na utilização de resíduos vegetais, animais e excrementos humanos em conjunto com material alcalino para a neutralização de ácidos, água e aeração. Desde então, variações do processo Indore, como ficou conhecido, foram utilizadas tanto em modelos simples, como a colocação do material orgânico em leiras e medições rústicas de temperatura com uma barra de ferro, até modelos de grande escala, como a instalação das grandes plantas de compostagem holandesas em Mierlo e Wijster, pós Segunda Guerra Mundial (EPSTEIN, 1996).
4.2.2 Biodigestão
Biodigestão é um processo controlado de decomposição por ação microbiana, aeróbio e a partir de matéria-prima orgânica heterogênea. A decomposição dos resíduos orgânicos é acelerada pelas populações microbianas presentes na leira, trabalhando em suas condições ideais de temperatura, umidade, aeração, pH, etc. O processo tem varias fases, onde a estabilização e a maturação podem variar entre poucos dias a várias semanas. (GOMES; PACHECO et al., 1998; TEIXEIRA, 2002).
4.2.3 Composto orgânico
Segundo Kiehl (1985), o vocabulário inglês “compost”, deu origem à palavra composto para indicar o fertilizante e, consequentemente, os termos compostar e compostagem indicam a ação ou ato de preparo do adubo.
O composto orgânico possui cerca de 50 a 70% de matéria orgânica, cor escura e riqueza em húmus. Recebe esse nome pela forma como é preparado: montam-se pilhas compostas de diferentes camadas de materiais orgânicos. A composição do composto orgânico depende da natureza da matéria-prima utilizada (OLIVEIRA, LIMA & CAJAZEIRA, 2004).
4.2.4 Biogás
O biogás é um combustível renovável gerado como um dos subprodutos da digestão anaeróbia, isto é, biodigestão de matéria orgânica pela ação de bactérias na ausência de oxigênio. Sua composição é de, principalmente, metano (50-70%), gás carbônico (25-45%) e pequenas quantidades de hidrogênio, nitrogênio e sulfeto de hidrogênio (H2S). O biogás possui um alto poder calorífico devido à
grande quantidade de metano em sua composição, mas sua utilização torna-se limitada pela presença do sulfeto de hidrogênio (PRICE; CHEREMISINOFF, 1995).
O sulfeto de hidrogênio, embora esteja presente em pequenas quantidades, é um gás altamente tóxico e corrosivo, além de ser um dos maiores poluentes da atmosfera. (ARAÚJO, 2013). A exposição severa a esse gás pode
causar coma imediato com ou sem convulsão e até a morte. A exposição menos intensa geralmente causa tontura, fadiga, náusea, tosse, diarreia, perda de apetite, irritação na pele, sensação de secura e dor no nariz e no peito, gastrite, dor de cabeça e danos neurológicos (PRICE; CHEREMISINOFF, 1995). Além disso, a ação corrosiva do sulfeto de hidrogênio pode reduzir a vida útil dos equipamentos gerando maiores custos de manutenção. Por isso, a remoção desse gás é essencial para a purificação e utilização do biogás como biocombustível.
4.2.5 Vantagens e desvantagens da biodigestão
Segundo Epstein (1996), a biodigestão tem diversos benefícios e poucas desvantagens, como pode ser observado no Quadro 2:
Quadro 2 – Vantagens e desvantagens da biodigestão
Vantagens Desvantagens
Os resíduos de diversas comunidades podem ser compostados em conjunto,
em uma única instalação.
A possível necessidade do controle de odores e bioaerosóis na instalação de
compostagem. A instalação pode ser projetada para
minimização de impactos ambientais e ter os odores controlados.
A necessidade de propaganda para o produto (fertilizante ou biogás) da
compostagem. Ajudar nos objetivos de redução e
reciclagem de lixo.
O espaço necessário para grandes instalações composteiras pode ser maior do que a de outras tecnologias. Decomposição de diversos materiais
orgânicos.
Produtos da compostagem são bastante úteis.
Fonte: Adaptado de Epstein (1996)
Para Kiehl (1985), a compostagem tem a função de transformar material orgânico em substância humificada, estabilizada com propriedades e características completamente diferentes do material que lhe deu origem.
Essa matéria orgânica fornece elementos nutritivos, melhora o nível de aproveitamento dos adubos minerais, melhora a granulação e promove solubilização de nutrientes do solo (OLIVEIRA, et al., 2004).
De acordo com Silva (2000) a principal função da compostagem é eliminar metade do problema dos resíduos sólidos urbanos, dando um destino útil aos resíduos orgânicos, evitando o seu acúmulo nos aterros, cujo tempo de vida útil é aumentado devido à quantidade menor de lixo que efetivamente é a eles destinado. Assim como também melhora a estrutura do solo, devolvendo a terra os nutrientes de que necessita, aumentando a sua capacidade de retenção de água, permitindo o controle da erosão e evitando o uso de fertilizantes sintéticos.
4.3 Processo de biodigestão
4.3.1 Condições básicas para a decomposição da matéria orgânica
Microrganismos – De acordo com Gomes & Pacheco (1988), bactérias e fungos são os principais grupos de microrganismos os quais realizam a decomposição de matéria orgânica. Os materiais inoculantes, ricos nesses microrganismos, como estercos, camas de animais, resíduos de frigoríficos, tortas oleaginosas são, portanto, essenciais no processo de compostagem;
Aeração - Existem diversos tipos de processos de compostagem distintos quanto à presença de oxigênio no meio, sendo eles aeróbios, anaeróbios ou facultativos (NOGUERA, 2011).
No caso do processo aeróbio, a presença do gás oxigênio na massa em decomposição é indispensável. Para isso muitas vezes é utilizado o ar atmosférico e a aeração é efetuada ao remexer periodicamente a pilha de compostagem a fim de impedir a compactação do material e a aeração do meio. As temperaturas neste processo são mais elevadas devido à liberação de gases CO, CO2 e vapor d’água por meio de reações exotérmicas acima de 50°C.
Já no caso do processo anaeróbio, os microrganismos que não necessitam de oxigênio farão a fermentação, havendo perda de nitrogênio e liberação de gases com odor desagradável (NH3 e CH4). Além disso, o processo é mais lento,
portanto não é o ideal;
Umidade - O material em decomposição deverá estar sempre úmido, entre os limites de 30% e 70% de umidade. Valores inferiores a 30% impedem a fermentação e superiores a 70%, expulsam o ar do ambiente.
O material deve mostrar-se úmido, sem, entretanto, deixar escorrer água quando prensado, fazendo com que a faixa ideal de umidade esteja entre 40% e 60%;
Temperatura – Como a compostagem é uma reação bioquímica exotérmica, ou seja, uma reação que libera energia na forma de calor e aquece o
meio, a faixa ideal de temperatura é entre 60°C e 70°C, o que também contribui na esterilização do material e dos microrganismos que possam ser patogênicos para as plantas e destruindo materiais propagativos de ervas daninhas (sementes, pedaços de caule, etc);
pH – Normalmente é ácido, porém o ideal é estar mais próximo da neutralidade;
Relação Carbono/Nitrogênio - O equilíbrio da relação C/N é um fator de fundamental importância na compostagem e segundo Pereira Neto (1987), a taxa ideal é de 30:1 a 40:1.
4.3.2 Modelos de biodigestores
Os biodigestores são equipamentos utilizados para a biodigestão dos compostos orgânicos e produção de biogás. Segundo Deganutti (2002), o biodigestor consiste em uma câmara fechada onde o material orgânico é colocado em solução aquosa para sofrer decomposição e gerar o biogás, o qual irá se acumular na parte superior da câmara. Atualmente há uma grande gama de modelos de biodigestores, cujo uso varia com a adaptação necessária para cada caso.
No Brasil os biodigestores rurais tiveram maior desenvolvimento na década de 80 quando contaram com grande apoio dos Ministérios da Agricultura e de Minas e Energia (ANDRADE, 2002). Cerca de 8.000 unidades, principalmente os modelos chinês e indiano, além de alguns de plástico tinham sido construídos até 1.988, dos quais 75% estavam funcionando adequadamente (COELHO et al, 2000).
De acordo com Andrade (2002), a difusão da tecnologia dos biodigestores no Brasil enfrenta dificuldades decorrentes de: escassez de recursos financeiros, custo relativamente elevado dos biodigestores, falta de mentalidade relacionada com a importância de um programa de formação de recursos humanos para dar apoio à sua implantação e manutenção e desenvolvimento de tecnologia alternativa quanto ao projeto e materiais de construção a serem utilizados. Os modelos de biodigestores mais empregados hoje no Brasil e no mundo foram
desenvolvidos e aperfeiçoados na China e na Índia (OLIVEIRA, 2009). De acordo com Gaspar (2003), dentre os biodigestores de sistema de abastecimento contínuos mais difundidos no Brasil estão os modelos chinês e indiano. Por isso, alguns dos modelos mais comuns no Brasil continuam sendo o modelo indiano, o chinês e o modelo em batelada quando a disponibilidade de resíduo ocorre em períodos mais longos.
Segundo Deganutti (2002), o modelo indiano consiste em um biodigestor contínuo caracterizado por uma campânula como gasômetro e uma parede central que divide o tanque de fermentação em duas câmaras para que o material circule por todo o interior da câmara de fermentação. De acordo com Deganutti (2002), essa campânula pode estar mergulhada sobre a biomassa em fermentação ou em um selo d’água externo visto que ambos os posicionamentos reduzem as perdas durante o processo de produção de gás.
O modelo indiano é um biodigestor contínuo que trabalha com uma pressão de operação constante, pois o gasômetro tende a se deslocar verticalmente de forma a regular o volume à medida que o volume de gás produzido não é imediatamente consumido, o que mantém a pressão constante de forma similar a um êmbolo.
A concentração de sólidos totais do resíduo utilizado como alimentação do digestor não deve ultrapassar 8% para evitar entupimentos dos canos de entrada e saída do material e também para facilitar o fluxo deste pelo interior da câmara de fermentação. O abastecimento desse resíduo deve ser constante e em meios rurais são utilizados os dejetos de bovinos e/ou suínos, os quais podem prover um fornecimento regular.
A construção deste modelo é fácil, porém o gasômetro metálico encarece o custo final, assim como possíveis distâncias maiores para o transporte da carga de resíduos, o que pode inviabilizar a implantação do modelo.
Na Figura 5, é possível observar maiores detalhes do modelo. E na Figura 6, em seguida, está uma representação tridimensional do modelo indiano.
Figura 5 – Representação em corte da vista frontal de um biodigestor de modelo indiano.
Fonte: Adaptado de Deganutti (2002)
Onde as variáveis demonstradas na figura são definidas por: H - Altura do nível do substrato;
Di - Diâmetro interno do biodigestor;
Dg- Diâmetro do gasômetro;
Ds- Diâmetro interno da parede superior;
h1- Altura ociosa (reservatório do biogás);
h2- Altura útil do gasômetro.
a- Altura da caixa de entrada.
Figura 6 – Representação tridimensional em corte do modelo indiano
Fonte: Deganutti (2002)
O modelo chinês é formado por uma câmara cilíndrica em alvenaria (tijolo) para a fermentação, com teto abobadado, impermeável, destinado ao armazenamento do biogás (DEGANUTTI, 2002).
O funcionamento desse biodigestor tem como base o princípio da prensa hidráulica, ou seja, quando há um aumento da pressão interna devido ao acúmulo de biogás ocorre um deslocamento do efluente da câmara de fermentação para a caixa de saída, assim como acontece o deslocamento em sentido contrário durante uma descompressão.
Este modelo, assim como o indiano, funciona com a alimentação contínua do substrato, cuja concentração de sólidos também não deve ultrapassar 8% para facilitar a circulação do material e evitar possíveis entupimentos do sistema de entrada.
Este tipo de biodigestor libera uma parte do gás para a atmosfera para reduzir parcialmente a pressão interna do gás e, por isso, não é utilizado em instalações de grande porte. Por ser constituído quase que totalmente em alvenaria e dispensar o uso do gasômetro em placa de aço, o modelo chinês tem um custo menor, mas infelizmente também exige maiores cuidados com vedação e impermeabilização da estrutura para evitar problemas de vazamento do biogás.
Na Figura 7 é possível observar os principais elementos de um biodigestor neste modelo vista frontal. Na Figura 8 tem-se a representação tridimensional.
Figura 7 - Representação em corte da vista frontal de um biodigestor no modelo chinês.
Fonte: Adaptado de Deganutti (2002)
Onde as variáveis demonstradas na figura são definidas por: D - é o diâmetro do corpo cilíndrico;
H - é a altura do corpo cilíndrico; hg - é a altura da calota do gasômetro;
hf - é a altura da calota do fundo;
Of - é o centro da calota esférica do fundo;
Og - é o centro da calota esférica do gasômetro;
he - é a altura da caixa de entrada;
De - é o diâmetro da caixa de entrada;
hs - é a altura da caixa de saída;
Ds - é o diâmetro da caixa de saída;
Figura 8 - Representação tridimensional em corte do modelo chinês.
Fonte: Deganutti (2002)
De acordo com Lucas Júnior (1984), o modelo indiano demonstrou ser ligeiramente mais eficiente na produção de biogás e na redução de sólidos no substrato do que o modelo chinês (Tabela 1), embora os dois modelos contínuos possuam desempenho similar ao operar com esterco bovino. #atualizar?
Tabela 1 - Desempenho de biodigestores modelo Indiano e Chinês, com capacidade de 5,5 m³ de biomassa, operados com esterco bovino.
Biodigestor
Modelo Chinês Modelo Indiano
Redução de Sólidos (%) 37 38
Produção média
(m³.dia-1) 2,7 3,0
Produção média
(L.m-3 de substrato) 489 538
Fonte: Lucas Júnior (1984)
De acordo com Barrera (2003), para as condições climáticas da maior parte do Brasil, a menor capacidade de aproveitamento da produção de gás do modelo chinês é insignificante. O Quadro 3 apresenta uma comparação de características entre os modelos indiano e chinês.
Quadro 3 – Comparação de características entre os modelos contínuos indiano e chinês.
Indiano Chinês
Materiais Tijolo, cimento, pedra, areia, ferro ou alumínio.
Tijolo, cimento, pedra e areia.
Isolamento térmico Tem perdas de calor pela câmara de gás metálica,
difícil de isolar. Menos indicado para climas
frios.
Feito dentro da terra: bom isolamento natural, a temperatura constante
Perda de gás Sem problemas. A parte superior deve ser protegida com materiais
impermeáveis e não porosos; difícil obter construção estanque. Manutenção A câmara de gás deve
ser pintada uma vez ao ano.
Deve ser limpo uma ou duas vezes ao ano.
Produtividade Tempo de digestão 40-60 dias, produção 400 a 600 L/m3/dia. Tempo de digestão 40-60 dias; produção de 150 a 350L por m3 do volume do digestor/dia. Se for perfeitamente estanque
pode produzir até 600 L/m3/dia
Custo Mais caro (depende do custo da campânula).
Razoável se for possível a ajuda mútua
Fonte: Adaptado de Barrera (2003)
O biodigestor em batelada é um sistema simples com pouca exigência operacional, composto por um tanque anaeróbio ou por diversos tanques em série.
Segundo Deganutti (2002), o modelo em batelada é totalmente abastecido e mantido em fermentação por um período conveniente e após o término do período efetivo de produção de biogás o material pode ser descarregado, lavado e reabastecido.
O modelo em batelada atende principalmente as necessidades de propriedades cuja disponibilidade de biomassa ocorre em períodos mais longos, inviabilizando sistemas contínuos como o modelo indiano ou o chinês.
A representação do biodigestor modelo em batelada pode ser observada na Figura 9, seguida também pela representação tridimensional na Figura 10. Figura 9 - Representação em corte da vista frontal de um biodigestor em batelada.
Fonte: Adaptado de Deganutti (2002)
Onde as variáveis (Figura 9) são definidas por: Di é o diâmetro interno do biodigestor;
Ds é o diâmetro interno da parede superior;
Dg é o diâmetro do gasômetro
h1 é a altura ociosa do gasômetro;
h2 é a altura útil do gasômetro;
h3 é a altura útil para deslocamento do gasômetro;
b é a altura da parede do biodigestor acima do nível do substrato; c é a altura do gasômetro acima da parede do biodigestor.
Figura 10 - Representação tridimensional em corte do modelo em batelada.
Fonte: Deganutti (2002)
4.3.3 Etapas do processo de biodigestão
Primeiramente, o material é empilhado intercalando-se uma camada de restos vegetais com uma camada fina de material inoculante, tomando os devidos cuidados com as condições anteriores durante todo o processo.
Diversos microrganismos atuam para realizar a fermentação durante o processo de compostagem e podem ser consideradas três fases distintas, considerando variações de temperatura, tipo de substrato consumido, pH, umidade, etc (KIEHL et al. 1998).
Na primeira fase, os microrganismos começam a se proliferar assim que a matéria orgânica é aglomerada na composteira e começam a compostar as moléculas mais simples, podendo atingir temperaturas de até 70°C.
A segunda fase é quando entram em ação os fungos e bactérias termofílicos, aqueles capazes de sobreviver a temperaturas entre 65°C e 70°C. É uma fase mais longa, visando a degradação de moléculas mais complexas e a eliminação de agentes patogênicos.
Por fim, a terceira fase, de maturação, é um período de estabilização, com diminuição da temperatura e da atividade microbiana, até que cesse por completo, transformando a matéria orgânica em húmus.
4.3.4 Purificação do biogás
O processo de purificação do biogás acontece de acordo com as seguintes etapas:
1. Remoção da umidade: O biogás depende de um nível aceitável de umidade de acordo com a maneira como será empregado. A remoção da umidade pode ser realizada com utilização de glicóis, gel, sílica ou outro componente que possibilite reter a umidade (CRAVEIRO, 1982);
2. Retirada do gás sulfídrico: O biogás passa por um processo de retirada do H2S. São estes a oxidação a seco, a adsorção, o biotratamento,a
absorção física ou a absorção química.
3. Remoção de gás carbônico: Existem diversas possibilidades de realizar a remoção do gás carbônico. Como apresenta pressão parcial pequena uma baixa quantidade é retirada no processo que pode ser realizado com a lavagem a água. É possível ainda a remoção de gás carbônico utilizando solventes, porém, com alto custo e periculosidade e utilizando carbonato de potássio (K2CO3) a quente (CRAVEIRO, 1982).
4.3.5 Tratamentos para remoção do sulfeto de hidrogênio
O H2S é um gás incolor, de cheiro desagradável característico,
extremamente tóxico e mais denso do que o ar. É bastante inflamável e sua temperatura de autoignição é de 260 °C, enquanto o limite inferior de explosividade é da ordem de 4,3% no ar (em volume) (MAIA, 2011).
De acordo com Mainier & Viola (2005) o sulfeto de hidrogênio pode ter origem na natureza e em diversos processos industriais. Encontrado na natureza em minérios sulfetados, emissões vulcânicas, campos de petróleo e gás natural, águas subterrâneas, jazidas de sal e zonas pantanosas, isto é, originário de mecanismos físico-químicos ou microbiológicos em processos geológicos. Por outro lado, é formado industrialmente em processos de remoção química e/ou de lavagens de gases ácidos, sistemas de tratamento de efluentes, fermentações, decapagens ácidas, compostagem, etc.
Na Tabela 2 abaixo se encontram as principais propriedades físico-químicas do sulfeto de hidrogênio.
Tabela 2 – Principais propriedades físico-químicas do sulfeto de hidrogênio
Propriedades Parâmetros
Massa molecular (g.mol-1 ) 34,08
Ponto de fusão (°C) -84,15
Ponto de ebulição (°C) -60,15
Temperatura crítica (°C) 99,85
Pressão Crítica (Pa) 8940000
Pressão de vapor (20°C) (Pa) 1880000
Densidade relativa (gás) 1,2 (ar = 1)
Solubilidade (mg.L-1 água) 3980
Cor Incolor
Odor Ovo podre
Fonte: adaptado de Pantoja (2010)
O sulfeto de hidrogênio pode estar presente na mistura gasosa do biogás e, de acordo com Coelho et al. (2006), deverá ser removido uma vez que pode afetar tanto o rendimento quanto a vida útil do motor utilizado por ser um gás altamente corrosivo. Outra vantagem é que após a purificação, o gás pode ser armazenado em torpedos de aço, a 200 atmosferas, para utilização em veículos, garantindo assim uma maior autonomia, além de apresentar um melhor rendimento quando usado em motogeradores (SOUZA, 1995).
Além disso, o sulfeto de hidrogênio é um gás altamente tóxico e poluente, podendo causar diversos efeitos negativos à saúde e ao meio ambiente. Segundo o órgão de saúde americano OSHA (Occupational Safety & Health Administration)
os efeitos dependem da concentração que o ser humano é exposto e o Quadro 2 apresenta a relação entre o grau de concentrações de H2S e os sintomas
decorrentes.
Quadro 4 - Relação entre o grau de concentrações de H2S e os sintomas
decorrentes. Concentração
(ppm) Sintomas/Efeitos
0,00011 a
0,00033 Típica concentração de fundo.
0,01 a 1,5
Limiar de odor, quando o cheiro de ovo podre é perceptível. O odor se torna mais ofensivo de 3-5 ppm. Acima de 30 ppm, o odor é descrito como doce.
2 a 5
Prolongada exposição pode causar náuseas, irritação nos olhos, dores de cabeça e insônia. Pessoas com asma podem apresentar broncoespasmos.
20 Fadiga, perda do apetite, enxaqueca, irritabilidade, perda de memória e tonturas.
50 a 100 Conjuntivite leve e irritação do trato respiratório após 1 hora. Pode causar problemas digestivos e perda de apetite.
100
Tosse, irritação nos olhos, perda do olfato após 2-15 minutos. Respiração alterada, Sonolência após 15-30 minutos. Irritação na garganta após 1h. Aumento progressivo dos sintomas durante várias horas. Pode levar a morte em 48 horas.
100 a 150 Fadiga olfativa ou paralisia.
200 a 300 Conjuntivite visível e irritação do trato respiratório após 1h. Em exposição prolongada pode ocorrer edema pulmonar.
500 a 700 Cambalear, colapso em 5 minutos. Causa sérios danos aos olhos em 30 minutos. Leva a morte entre 30 – 60 minutos.
700 a1000
Rápida inconsciência ou colapso imediato após uma ou duas respirações, seguido de parada respiratória e morte em poucos minutos.
1000 a 2000 Morte instantânea.
Em relação ao impacto ambiental, quando liberado em elevadas concentrações o H2S reage com determinados elementos presentes na atmosfera
colaboram com a formação de chuva ácida, além da reação de oxidação com o O3, como mostra a equação 1, que afeta a camada de ozônio.
H2S + O3H2O + SO2 (Equação 1)
O SO2, produto da reação é então oxidado a SO3 (óxido sulfúrico) pelo
oxigênio atmosférico. Por fim, o SO3 reage com o vapor d’água presente na
atmosfera e é convertido a ácido sulfúrico (H2SO4), que retorna na forma de chuva
ácida, como mostram as equações 2 e 3 (ARAÚJO, 2013).
2 SO2+ O22SO3 (Equação 2)
SO3+ H2OH2SO4 (Equação 3)
Segundo Kohl e Riesenfeld (1985), citado por Frare et al. (2006)
Entre os tratamentos para remoção de H2S, pode-se classificar os
processos nas seguintes classes: processos de oxidação a seco; processos de adsorção;processos de biotratamento; processos de absorção física e processos de absorção química. Nos processos que utilizam a absorção química existem alternativas que envolvem a separação do H2S de uma corrente gasosa pelo uso
de metais quelados.
Pode-se, então, separar estes em processos físico-químicos e biológicos. Um número de processos físico-químicos, tais como oxirredução a seco (processo redox), processos redox líquidos e processo de adsorção líquida, são usualmente empregados para a dessulfurização de gases contendo H2S
4.3.5.1 Processos de adsorção
Adsorção é um processo onde o líquido ou o gás, através de forças físicas ou químicas são retidos em um sólido adsorvente, sendo assim, a substância fica retida na superfície. Existem vários materiais adsorventes utilizados para a remoção do H2S e inclui carvão ativado, óxido de ferro, sílica gel entre outros
(FISCHER, 2010).
No caso do óxido de ferro como material adsorvente, por exemplo, segundo Craveiro (1982), o gás passa por uma torre preenchida com óxido de ferro III (Fe2O3) e aparas de madeira e conforme caminha pela torre vai perdendo
a presença do sulfeto de hidrogênio (H2S), ficando este retido pela reação com o
óxido de ferro.
A principal desvantagem deste processo é a formação de uma poluição secundária, visto que, os gases ou vapores adsorvidos devem ser tratados se não retornarem ao processo. Esta situação é comum quando o resíduo contém vários compostos de difícil separação (ROCHA, 2007).
4.3.5.2 Processos de absorção
A absorção gasosa é uma operação unitária na qual ocorre a transferência de um ou mais componentes presentes no gás para o líquido absorvente, através de uma fase fronteira (SILVA FILHO, 2009).
Segundo Leite et al. (2005), a absorção pode ser um processo puramente físico ou seguido por reações químicas, dependendo do grau de solubilidade do soluto no solvente. De acordo com Lopes (2003), o caso mais simples de absorção envolve apenas um constituinte solúvel para o gás.
Neste processo de separação, as moléculas do gás são difundidas dentro do líquido, o princípio é a diferença de solubilidade e o líquido não deve ser volátil a temperatura do processo (ARAÚJO, 2013).
Bouonicore & Davis (1992) afirmam que a taxa de absorção é determinada pelas taxas de difusão de ambas as fases. Horikawa (2001) e Frare (2006), em um aparato em escala de bancada, utilizaram o processo de absorção com reação química em solução de Fe/EDTA para a redução (ou completa eliminação)
do teor de H2S de correntes de biogás sintético. A escolha desse processo
deve-se, principalmente, às grandes vantagens que ele proporciona, tais como a elevada eficiência de remoção de H2S, a seletividade na remoção do H2S
evitando gastos desnecessários de reagentes, às condições de operação ambiente que são favoráveis ao processo, à fácil regeneração da solução catalítica de Fe/EDTA e a absorção química do H2S que tem como produto final o
enxofre elementar o qual é um produto estável, de fácil comercialização e que pode ser disposto em aterro industrial (FRARE et al.,2006).
4.3.5.3 Processos de oxidação a seco
Os processos de oxidação a seco podem ser utilizados para remoção de H2S, sendo classificados em duas categorias: oxidação a enxofre e oxidação a
óxido de enxofre. (MAIA, 2011).
À temperatura ambiente a taxa de reação é muito baixa nos processos de oxidação a enxofre.
Segundo ARAÚJO (2013), altas taxas de reação podem ser obtidas com o uso de altas temperaturas de operação, preferencialmente com adição de catalisadores ou uso de transportador de oxigênio intermediário para reação direta com os compostos de enxofre a temperatura ambiente. Ainda segundo ARAÚJO (2013), como os processos de oxidação a enxofre produzem enxofre de baixa qualidade, desenvolveram-se processos em que o H2S e compostos com
enxofre orgânico são cataliticamente convertidos a óxidos de enxofre e são removidos com solventes aquosos e convertidos a sulfatos puros ou enxofre elementar.
Os catalisadores utilizados no processo de síntese são sensíveis ao envenenamento do enxofre, resultando o rápido decréscimo da atividade e em alguns casos na necessidade de reposição do catalisador em curtos períodos de operação (KOHL & RIESENFELD, 1985).
4.3.5.4 Processos biológicos
Existem estudos de diferentes formas de biotratamento do biogás, como por exemplo o estudo recente da remoção de H2S e CO2 do biogás por processo
de lavagem com água de cultivo de microalgas que de acordo com FERUCK et al. (2014) poderia substituir o uso de água tratada no processo de lavagem do biogás.
Porém, há três tipos processos biológicos de maior aplicação para a separação do H2S do biogás: o biofiltro, o biopercolador (biotrickling) e o
biolavador (bioscrubber).
De acordo com ARAÚJO (2013) o biofiltro é um biorreator de leito fixo em que os microrganismos degradantes são imobilizados em um meio suporte. Os gases contaminantes passam entre os poros do meio suporte e a degradação ocorre através do biofilme presente ao redor do meio suporte e das colônias microbianas, como se pode ver na Figura 11.
Figura 11 - Visualização ampliada do biofilme no interior do filtro.
Fonte: Adaptado de Devinny et al., (1999)
Existem dois tipos de modelos de biofiltração: aberto e fechado. O design aberto geralmente é instalado em área externa com apenas fluxo ascendente de gás, por requerer uma grande área. Já o modelo fechado apresenta um volume
mais restrito e pode ter tanto um fluxo ascendente como descendente de gás. Os nutrientes e a umidificação são adicionados de maneira não contínua (DELHOMENIE & HEITZ, 2005).
Quando se inicia o processo, à medida que ocorre umidificação do leito do biofiltro, há a formação de uma camada líquida sobre os microrganismos e, consequentemente, sobre as partículas do material suporte (ARAÚJO, 2013). O conjunto desta película que se forma sobre cada partícula recebe o nome de biofilme e é dentro dele que os microrganismos atuam (MORGAN et al., 2003).
Segundo ARAÚJO (2013) aspectos positivos dos biofiltros incluem baixos custos operacionais e de capital e desvantagens incluem a deterioração do recheio ao longo do tempo, sendo menos recomendada para contaminantes com elevadas concentrações. Além disso, a umidade e pH são parâmetros de difícil controle, problemas como perda de carga e entupimento ocorrem com frequência, segundo Devinny et al. (1999). A Figura 12 representa um modelo fechado típico de biofiltração.
Figura 12 - Modelo típico de um sistema de biofiltração.
Fonte: Adaptado de Delhomenie & Heitz (2005)
Um processo de biofiltração típico (biotrickling) é composto de duas fases: o poluente é transferido a partir de um fluxo de gás para dentro do líquido e adsorvido num suporte sólido (DUAN et al., 2007).
O fluxo gasoso contaminado passa através do leito, sendo absorvido pelos microrganismos, ocorrendo a degradação dos compostos voláteis biodegradáveis em compostos menos nocivos (VAN GROENESTIJN; HESSELINK, 1993).
O biopercolador é similar ao biofiltro exceto pela solução nutritiva e a irrigação serem contínuas (DELHOMENIE & HEITZ, 2005).
Os biopercoladores apresentam maior facilidade do controle do pH e umidade comparado aos biofiltros, porém pode ocorrer aumento da queda de pressão, formação de canais preferenciais e zonas anaeróbicas (DELHOMENIE & HEITZ, 2005; ROCHA, 2007). A Figura 13 mostra a representação esquemática de um processo de biotrickling.
Figura 13 - Representação esquemática de um processo de biotrickling
Fonte: Adaptado de Pirolli (2016).
Os bioscrubbers consistem de um processo em duas fases: absorção química de H2S com uma solução alcalina, seguida por um reator biológico para
solução de regeneração sob aeração num reator tipo air lift (KENNES; RENE; VEIGA, 2009).
A individualização dessas fases permite a estabilização e otimização de ambas separadamente.
De acordo com ARAÚJO (2013), os fluxos de gás e líquido ocorrem contra corrente e a coluna de absorção com recheio, embora opcional, pode auxiliar no
aumento de superfície de transferência entre o contaminante e a fase aquosa. Os microrganismos são suspensos no biorreator em meio aquoso de crescimento.
A vantagem dos biolavadores é que eles requerem menor espaço para instalação e menores quedas de pressão. Por outro lado, de acordo com Delhomenie & Heitz (2005), uma desvantagem é a produção de sedimentos de lodo na base do biorreator, bem como em águas residuais. A Figura 14 representa um modelo de biolavado.
Figura 14 - Modelo de biolavador para tratamento gasoso.
Fonte: Edwards & Nirmalakhandan (1996).
4.3.6 Aplicações do processo de biodigestão
A seguir têm-se apenas alguns dos muitos exemplos que vem surgindo da utilização desse excelente método de reaproveitamento de resíduos orgânicos.
A utilização da compostagem já vem sendo aplicada cada vez mais no mundo. Um aeroporto na Carolina do Norte, EUA, o qual investiu 1,2 milhão de dólares em um sistema de compostagem em grande escala que deve gerar retorno em até 5 anos (Equipe Ecycle, 2012).
Projeto de ilhas de compostagem em Nova Iorque também envolvendo a compostagem em grande escala visto que a cidade gera 14 milhões de lixos por ano e cerca de 30% deste lixo é orgânico (Equipe Ecycle, 2013).
O Brasil também está incluso nestas aplicações. Pequenos agricultores do nordeste brasileiro já produzem seu próprio gás de cozinha utilizando os dejetos
de seus animais, como é o caso do pequeno produtor Edivaldo Valença que utiliza o esterco das vacas em um biodigestor para economizar e não precisar comprar seu gás de cozinha (VIEIRA, 2016).
De acordo com Oliveira (2009), o biogás produzido nos biodigestores pode ser utilizado como fonte de energia primária para fornecer energia mecânica em turbinas e motores, os quais acoplados a geradores elétricos são capazes de produzir energia elétrica.
Além disso, essa energia pode ser utilizada localmente como combustível veicular. De acordo com Oliveira (2009), como o custo para liquefazer o biogás é alto, a tendência é utilizá-lo na forma gasosa em altas pressões, porém deve-se purificar o biogás tanto do sulfeto de hidrogênio quanto do gás carbônico. É possível também a venda de excedentes para a concessionária de energia elétrica local, desde que viável.
Um metro cúbico de biogás (1 m3 de biogás) é equivalente a 6,5 kWh de energia elétrica e a eficiência dos sistemas de cogeração varia entre 30 e 38%, ou seja, entre 1,95 e 2,47 kWh (COLDEBELLA, 2006).
5 CONCLUSÕES
Foi possível compreender a classificação e o destino final dos resíduos sólidos, assim como o aproveitamento deste composto orgânico em biodigestores.
Com relação à produção de biogás em biodigestores devem ser controlados diversos aspectos, como microrganismos presentes no material inoculante; aeração de gás oxigênio para o processo aeróbio; temperatura, umidade e pH ideais; assim como equilíbrio na relação carbono/nitrogênio.
Com relação ao funcionamento de diversos modelos de biodigestores, devido ao maior investimento nestes modelos durante a década de 80 e subsequente diminuição do investimento nessa área, os três modelos mais comuns no Brasil são os modelos indiano e chinês, ambos trabalhando no sistema contínuo, e o modelo em batelada que é utilizado em casos em que a biomassa fica disponível mais esporadicamente.
Com destaque nas etapas do processo de biodigestão tem-se a purificação do sulfeto de hidrogênio (H2S) do biogás por processos físico-químicos (adsorção,
absorção e oxidação a seco) e biológicos (biofiltro, bioperculador e biolavador). O H2S pode causar detrimento à vida útil do motor utilizado devido a sua
corrosividade e efeitos negativos à saúde e ao meio ambiente devido a sua toxicidade.
A biodigestão apresentou-se promissora em diversas aplicações e o biogás uma excelente forma de energia limpa e sustentável podendo ser obtido pelo reaproveitamento de dejetos e resíduos, mas para isso há a necessidade de seu tratamento e purificação para remoção do sulfeto de hidrogênio.
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