VALMOR JOSÉ BANDIERA
DESENVOLVIMENTO DE UMA NOVA CONFIGURAÇÃO DE BIODIGESTOR ANAERÓBIO PILOTO COM POSSIBILIDADE DE DESLOCAMENTO IN
COMPANY PARA TRATAMENTO DE RESÍDUOS ORGÂNICOS.
CURITIBA 2012
DESENVOLVIMENTO DE UMA NOVA CONFIGURAÇÃO DE BIODIGESTOR ANAERÓBIO PILOTO COM POSSIBILIDADE DE DESLOCAMENTO IN
COMPANY PARA TRATAMENTO DE RESÍDUOS ORGÂNICOS.
Dissertação apresentada ao Programa de Mestrado em Biotecnologia Industrial da Universidade Positivo como critério parcial para a obtenção do grau de Mestre em Biocombustíveis
Orientador: Dra. Selma Aparecida Cubas Co-orientador: Marcelo Calide Barga
CURITIBA 2012
Dedico este trabalho:
Ao criador do universo a quem humildemente chamamos de Pai!
Vejam que prova de amor o Pai nos deu: Sermos chamados filhos de Deus. E nós de fato o somos!
Se o mundo não reconhece, é porque também não reconheceu a Deus. (I João 3,1)
Agradeço à minha esposa Cleci Rizzi Bandiera por ter me apoiado e carregado as responsabilidades do lar nas tantas horas de minhas ausências; aos meus filhos pela ternura, carinho e entusiasmos com que me recebiam após minhas viagens. Aos meus pais Natalino e Antonia Bandiera por todo o trabalho, sacrifício, desprendimento e dedicação a favor da educação de seus filhos. Aos meus irmãos Vanderlei, Margarida e Miriam pela convivência e esforço contínuo no bem estar de nossas famílias.
À empresa Bio4 Soluções Biotecnológicas na pessoa do Eng. Marcelo Calide Barga e Nadia Bono Gonçalves, aos colegas Ângela, Rafaelly, Juliana, Bruno, Lucas e Guilherme pela colaboração, auxílio, dedicação, equipamentos, reagentes, pois sem o apoio de vocês a realização deste trabalho não teria sido possível.
À Dra. Selma Aparecida Cubas, pela compreensão, conhecimento, paciência, boa vontade e principalmente pelas precisas intervenções que permitiram não só o funcionamento do biorreator, bem como a organização desta dissertação.
Agradeço de modo especial à Empresa Limana Poliserviços na pessoa do Sr. José Limana por ter acreditado, apoiado, investido e incentivado a construção do biodigestor.
Agradeço ainda a Sra. Camila Busatti, o amigo Josemar Prestes e todos os funcionários que construíram o biorreator.
Ao Dr. Jader Tomasi e ao Sr. André Thomaz pelo auxílio na colocação dos equipamentos auxiliares, bem como os primeiros testes práticos na empresa Rozalcool.
Aos meus colegas da Confraria 33, Marco Aurélio Carvalho, Thiago Kawinski e Luis Gustavo por partilharmos de um sonho e mais, poder saboreá-lo. Um brinde a primeira bebida da humanidade! E a muitas que virão depois.
À Universidade Positivo, em especial os professores do mestrado que nos auxiliaram ao longo destes dois anos e nos propiciaram conhecer seus trabalhos, expectativas e conhecimentos: Dr. José Luiz Parada, Dr. José Angel Rodriguez León Pepe, Dr. Cícero Urban, Dra. Vanete Thomaz Soccol, Dr. Saul Nitsche Rocha, Dra. Ligia Cardoso, Msc.
Daniele Cardoso, Dr. Whillibaldo Shmidell, Msc. Eduardo Scopel, Dra. Leila T. Maranho e Dra. Eliane Carvalho.
Aos amigos e professores: Agenor Macari, Vitor Manfroi, Eduardo Giovaninni, Francisco Angheben, Ivo Cignachi, Fermino Esplendor, Marcos Botton, Cladir Prigol, seus conhecimentos e experiência contribuíram muito em minha vida.
Jefferson Nunes, Gabriel Alquati, Luciano Boz, Fabiola Stella, Valquíria Mendes, Andre Bataglion, Elcio Pastore, Alexandre Souza da Rosa, Irmão Antonio Costardi (In Memoria), Ignez Bandiera (In Memoria), Pe. Mario Silva, Virgília Rita Bandiera e Cleusa Rizzi.
À Sanepar pela disposição, compreensão e boa vontade, encontrada em seus funcionários no sentido de providenciar o lodo utilizado como inóculo para que o biorreator pudesse entrar em atividade.
Graça é poder começar bem. Graça maior é prosseguir.
Graça das graças é começar bem, prosseguir e, mesmo se arrastando, chegar ao fim.
Dom Hélder Câmara.
O objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de um biodigestor piloto, aplicável ao tratamento de resíduos sólidos orgânicos, através da biodigestão anaeróbia com possibilidade de deslocamento in company, permitindo o conhecimento prévio da matéria prima e dos parâmetros necessários para o projeto definitivo bem como o entendimento do processo por parte do interessado. Inicialmente, foram realizadas visitas técnicas a produtores rurais, para avaliar os tipos de biodigestores utilizados, materiais empregados e problemas operacionais.
Em seguida, foi feita uma revisão de literatura a fim de conhecer o design de reatores anaeróbios aplicados no tratamento de resíduos sólidos orgânicos, bem como os principais fatores ligados ao dimensionamento do sistema, parâmetros físico-químicos e microbiológicos envolvidos no processo. Com isso, um biodigestor foi construído em aço inoxidável, com capacidade útil de carga de 1.000 L, pesando, aproximadamente, 380 kg, com agitador tipo âncora, bomba centrífuga para alimentação, separador de escuma, comando elétrico, resistência elétrica para aquecimento, podendo operar com uma pressão de 1,5 kgf/cm3.O equipamento foi instalado na Universidade Positivo, Curitiba – PR, para avaliações do potencial de tratamento do biodigestor da água proveniente do Ribeirão dos Müller e, posteriormente, com adição de resíduos alimentares do refeitório universitário. No primeiro experimento adotou-se a operação em batelada alimentada com pulsos de alimentação de água no volume de 400 L/dia, agitação intermitente, acionamento manual diário, temperatura ambiente e sem inóculo. No segundo experimento o biodigestor foi inoculado e a resistência elétrica foi acionada para controle da temperatura em 35°C (+ 2°C), a alimentação e agitação seguiram os procedimentos similares ao primeiro experimento. No terceiro experimento o biorreator foi inoculado e alimentado de forma contínua pela adição de 1 kg/dia de alimento triturado, com controle de temperatura (35 + 2°C) e agitação sincronizada ao acionamento da resistência elétrica. Durante o processo foram monitoradas variáveis na entrada e saída do biorreator como: pH, temperatura, alcalinidade, acidez volátil, sólidos totais, sólidos voláteis e DQO. Os resultados obtidos no primeiro e segundo experimentos não indicaram a metabolização da carga orgânica, pois não houve variação da DQO. No terceiro experimento o biodigestor apresentou resultados que caracterizam atividade microbiológica, com redução de 56% da DQO e manutenção do pH e alcalinidade do meio. A produção de biogás ocorreu e foi verificada pela colocação de uma bolsa coletora nos dias que se seguiram ao experimento.
PALAVRAS-CHAVE: biodigestão anaeróbia, piloto, transportável.
The objective of this study was to develop a pilot biodigester to be applied to the treatment of organic solid waste by anaerobic biodigestion with the possibility of shift in company.
Initially, there were technical visits to farmers to assess the types of biodigesters used, design parameters and operational issues. Next, was performed a literature review to determine the design of anaerobic reactors used in the treatment of organic solid waste as well as key factors related to system design and physico-chemical and microbiological involved. Thus, a digester was built in stainless steel AISI 304, thickness 1.5 mm, with useful load capacity of 1,000 L, weighing about 380 kg, with an anchor type stirrer, a centrifugal pump for feeding, scum separator, electric control, electric resistance heating and can operate at a pressure of 1.5 kgf/cm3. The equipment was installed at the University Positivo, Curitiba - PR, assessments of the potential for treatment of water from the river of Ribeirão Müller and later with food waste from the university refectory. In the first experiment we adopted the fed batch operation with pulses of water supply volume of 400 L / day, intermittent agitation, manual drive daily, ambient temperature and without inoculum. In the second experiment, the digester was inoculated and the electrical resistance was driven to control the temperature at 35 ° C (+ 2 ° C), food and agitation followed procedures similar to the first experiment. In the third experiment, the bioreactor was inoculated and fed by continuous addition of 1 kg / day of food triturated with controlled temperature (35 ± 2 ° C) and stirring synchronized with the electrical resistance. During the process variables were monitored at the inlet and outlet of the bioreactor as pH, temperature, alkalinity, volatile acidity, total solids, volatile solids and chemical oxygen demand (COD). The results obtained in the first and second experiment did not indicate the metabolism of the organic load, because there was no change in COD. In the third experiment, the digester results showed differences that characterize microbial activity, with 56% reduction of COD and maintenance of pH and alkalinity of the medium. Biogas production has occurred and was verified by placing a collection bag in the days following the experiment.
KEYWORDS: anaerobic digestion, pilot, transportable.
1. INTRODUÇÃO 17
1.1. Objetivo 19
1.1.1. Objetivo Geral 19
1.1.2. Objetivos Específicos 19
2. REVISÃO DA LITERATURA 20
2.1. Resíduos Sólidos Orgânicos (RSO) 20
2.2. Tratamento de Resíduos Sólidos Orgânicos por Digestão Anaeróbia e produção de
biogás. 20
2.2.1. Fundamentos da Digestão Anaeróbia 23
2.2.2. Formação e Aproveitamento do Biogás 28
2.2.3. Potencial Energético do Biogás 29
2.2.4. Modelos de Biodigestores 32
2.3. Parâmetros para Avaliação da Eficiência do processo de Biodigestão Anaeróbia 44 2.4. Variáveis do Processo de Biodigestão Anaeróbia 45 2.4.1. Concentração de Sólidos Totais e Taxa de Carga Orgânica 46
2.4.2. pH 48
2.4.3. Alcalinidade 49
2.4.4. Acidez Total e Acidez Volátil 49
2.4.5. DQO (Demanda Química de Oxigênio) 50
2.4.6. Temperatura 50
2.4.7. Relação Carbono / Nitrogênio (C/N) 52
2.4.8. Composição Química e Elementos Nutricionais do Meio 52
2.4.9. Agitação e Agitadores 53
2.4.10. Outras Variáveis 55
2.5. Parâmetros de Dimensionamento de Biorreatores 56
2.5.1. Volume do Biorreator 56
2.5.2. Número de Tanques 57
3. MATERIAL E MÉTODOS 58
3.1. Visitas Técnicas para análise de Diferentes Biodigestores 59
3.2. Projeto e construção do biodigestor 59
3.3. Instalação 60
3.4.3. Procedência e Características Físico-Químicas da Água utilizada no Processo 65
3.4.4. Operação do Biodigestor 66
3.4.5. Avaliação do Biodigestor no Tratamento da Água do Ribeirão dos Müller 67
3.4.6. Monitoramento do Sistema de Tratamento 69
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 71
4.1. Visitas Técnicas 71
4.2. Projeto e Construção do Biodigestor 73
4.2.1. Avaliação dos Aspectos Mecânicos e Hidráulicos do Biodigestor 77
4.3.1. pH 80
4.3.2. Acidez Volátil 82
4.3.3. Alcalinidade em Carbonato 84
4.3.4. Sólidos Totais 85
4.3.6. Variação da DQO 90
5. CONCLUSÃO 92
6.0 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 93
REFERÊNCIAS 94
ANEXO A 102
ANEXO B 113
Figura 1. Esquema representativo da fermentação anaeróbia e produção de biogás (adaptado
de Weiland, 2010). 23
Figura 2. Formação de monômeros por hidrólise. 24
Figura 3. Transferência de hidrogênio entre fases de acetogênese e metanogênese
(DEUBLEIN e STEINHAUSER, 2008). 25
Figura 4. Representação esquemática da fase de acetogênese redutora de prótons (adaptado de
Campos, 1999). 26
Figura 5. Representação esquemática da fase de homoacetogênese (adaptado de Campos,
1999). 26
Figura 6. Formação do metano a partir do acetato (DEUBLEIN e STEINHAUSER, 2008). 27 Figura 7. Formação do metano a partir do dióxido de carbono (DEUBLEIN e
STEINHAUSER, 2008). 28
Figura 8. Modelo biodigestor indiano (adaptado de Lucas, 2003). 34 Figura 9. Modelo biodigestor chinês (adaptado de Lucas, 2003). 35 Figura 10. Modelo biodigestor tubular (adaptado de Lucas, 2003). 36 Figura 11. Modelo biodigestor Schimdt Eggerglues (JEWEL, 1976). 37
Figura 12. Modelo biodigestor de Weber (JEWEL, 1976). 38
Figura 13. Figura representativa do biodigestor tipo Kompogas (http://www.axpo-
kompogas.ch). 40
Figura 14. Modelo biodigestor de duas fases empregado para culturas energéticas (adaptado
de Weiland, 2010). 41
Figura 15. Modelo de um biorreator anaeróbio UASB (adaptado de Chernicharo, 2001). 42 Figura 16. Modelo de um biorreator anaeróbio RALF (CHERNICHARO, 2001). 43
Figura 18. Ordem da realização do projeto. 58
Figura 19. Ordem cronológica da realização do projeto. 59
Figura 20. Imagem da localização do biodigestor (Google Earth). 61 Figura 21. Esquema de instalação do biorreator anaeróbio piloto. 62 Figura 22. Detalhes das linhas de entrada e saída do biodigestor. (A) Saída do biodigestor, (B) Linha de esgotamento do efluente tratado para a rede de esgoto, (C) Bomba dosadora de
alimentação na entrada do biodigestor. 63
Figura 23. Foto da brita número 4 adicionada na parte superior do biodigestor. 63 Figura 24. Quadro de comando elétrico: (A) Chave que liga a bomba dosadora de alimentação auxiliar identificada pela cor branca; (B) Chave que liga sistema de agitação identificado pela cor verde; (C) Chave que liga bomba principal identificando pela cor azul; (D) Chave que liga a bomba imersa no rio identificado pela cor amarela; (E) Chave que liga
a resistência identificada pela cor vermelha. 64
Figura 25. (A) Unidade Sanepar localizada no bairro Santa Quitéria, Curitiba , PR e (B) Unidade Sanepar CIC-Xisto localizada próxima a Araucária, PR. 64 Figura 26. Sistema de alimentação do biodigestor: (A) Conjunto caixa d’água e biodigestor;
(B) Caixa d’água contendo resíduo e efluente; (C) Bomba centrífuga para alimentação do
biodigestor com alta vazão. 65
Figura 27. Sistema de saída do biogás para recolhimento, utilização e/ou medição. 66
Figura 28. Bolsa coletora de amostra de biogás. 67
Figura 29. Cronologia dos experimentos realizados durante a operação do biorreator. 67 Figura 30. Biodigestor tipo PlugFlow em Santa Catarina (com dificuldade operacionais e
baixa produção de biogás). 72
homogeneização do substrato, (D) geração de energia por motogerador adaptado. 72 Figura 32. (A) Projeto do biodigestor, (B) Biodigestor instalado. 75 Figura 33. Biodigestor sendo transportado em um pequeno utilitário. 78 Figura 34. pH na entrada e saída durante a operação do biodigestor primeiro experimento. 80 Figura 35. pH na entrada e saída durante a operação do biorreator no segundo experimento. 80 Figura 36. pH na entrada e saída durante a operação do biodigestor no terceiro experimento.
81 Figura 37. Acidez volátil na entrada e saída durante a operação do biodigestor no primeiro
experimento. 82
Figura 38. Acidez volátil na entrada e saída durante a operação do biorreator no segundo
experimento. 82
Figura 39. Acidez volátil na entrada e saída durante a operação do biorreator no terceiro
experimento. 83
Figura 40. Alcalinidade na entrada e saída durante a operação do biodigestor no primeiro
experimento. 84
Figura 41. Alcalinidade na entrada e saída durante a operação do biodigestor. 84 Figura 42. Alcalinidade na entrada e saída durante a operação do biodigestor. 85 Figura 43. Sólidos totais na entrada e saída durante a operação do biodigestor durante o
primeiro experimento. 85
Figura 44. Sólidos totais na entrada e saída durante a operação do biodigestor no segundo
experimento. 86
Figura 45. Sólidos totais na entrada e saída durante a operação do biodigestor no terceiro
experimento. 87
Figura 47. Sólidos voláteis na entrada e saída durante a operação do biodigestor no segundo
experimento. 88
Figura 48. Sólidos voláteis na entrada e saída durante a operação do biodigestor no terceiro
experimento. 89
Figura 49. Demanda química de oxigênio na entrada e saída durante a operação do biodigestor
no primeiro experimento. 90
Figura 51. Demanda química de oxigênio na entrada e saída durante a operação do biodigestor
no terceiro experimento. 91
Figura 52. Curva padrão de DQO. 110
Tabela 1. PCI (Poder Calorifico Inferior) de diferentes gases (CASTANON, 2002). 30
Tabela 2. Componentes do biogás (TEIXEIRA, 2003). 30
Tabela 3. Relação de rendimento de biogás por cultura. 31
Tabela 4. Características de dejetos animais e rendimento em biogás. 31
Tabela 5. Tipos de reatores por geração. 33
Tabela 6. Caracterização dos diferentes sólidos presentes em efluentes. 46 Tabela 7. Características da digestão anaeróbia nas faixas mesófilas e termófilas para diversos
resíduos animais (CORTEZ et al., 2008). 51
Tabela 8. Médias aritméticas de entrada e saída dos experimentos. 79
ATP Adenosina Trifosfato
APHA American Public health Association A.L Alcalinidade
A.V Acidez volátil
DQO Demanda Química de Oxigênio ETEs Estação de Tratamento de Efluentes GEE Gases de Efeito Estufa
ha Hectare = 10 000 m2
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística Mtep Milhões de toneladas equivalentes de petróleo Nm-3 Normal metro cúbico
ppm Partes por milhão
PCI Poder Calorífico Inferior (kcal/kg ou kJ/kg) pH Potencial de Hidrogênio
P Pressão (kgf/cm-2)
POP Procedimento Operacional Padrão RSO Resíduos Sólidos Orgânicos rpm Rotações por minuto
SSF Sólidos Suspensos Fixos (mg/L) SST Sólidos Suspensos Totais (mg/L) SSV Sólidos Suspensos Voláteis ( mg/L) ST Sólidos Totais (mg/L)
SV Sólidos Voláteis (mg/L) tMF Tonelada de matéria fresca TDH Tempo de Detenção Hidráulica
1. INTRODUÇÃO
Em todo o mundo, a poluição do ar, da água e do solo por resíduos sólidos e líquidos provenientes de operações domésticas, industriais ou agrícolas continua a crescer. Os governos e as indústrias estão constantemente a procura de tecnologias que permitam manejar os resíduos de forma mais eficiente e rentável. Em 2009, a geração global de resíduos sólidos foi estimada em dois bilhões de toneladas por ano, podendo chegar a três bilhões de toneladas até 2025 (CHARLES et al., 2009), o que representou, nos países em desenvolvimento, uma média de geração per capita de 0,77 kg/pessoa/dia (TROSCHINETZ e MIHELCIC, 2009).
Parte destes resíduos provém do descarte de alimentos como frutas, legumes e outros vegetais que poderiam ser tratados por tecnologias que apresentam benefícios ambientais, com possibilidade de retorno econômico, importante fator dentro dos critérios de sustentabilidade (KHALID et al., 2011).
Dentre as tecnologias que podem tratar a fração orgânica desses resíduos e, ainda, produzir energia renovável pelo aproveitamento do biogás esta a digestão anaeróbia (KIZILASLAN et al., 2007).
A digestão anaeróbia pode ser aplicada para o tratamento de resíduos orgânicos gerados em indústrias e agroindústrias como abatedouros, frigoríficos, cervejarias, curtumes, laticínios, indústrias produtoras de açúcar e sucos, entre outros. No caso específico de resíduos sólidos orgânicos, a digestão anaeróbia pode ser realizada de várias maneiras:
sistema contínuo ou em batelada para conversão do material seco ou semi-seco, sistema contínuo úmido ou a codigestão. Um exemplo de codigestão é a mistura de esgoto com resíduos alimentares, agroindustriais, culturas energéticas e dejetos suínos, gerando no final biofertilizante e biogás (MCDONALD et al., 2008).
O processo de digestão anaeróbia é realizado por reatores comumente chamados de biodigestores, biorreatores ou reatores anaeróbios, dependendo das configurações e formas de operação. Para o tratamento de resíduos sólidos orgânicos, principalmente municipais, muitas configurações já foram desenvolvidas, entretanto, poucas foram implantadas em escala real.
Na maioria dos casos são sistemas desenvolvidos por pesquisadores diretamente ligados a centros de pesquisas ou universidades (ALVAREZ et al., 2000) e que ainda não sofreram ampliação de escala, de forma que se pudesse avaliar seu desempenho em escala real.
Lübbert e Jorgensen (2001) citam que o desempenho do sistema de tratamento é alcançado pela otimização do processo, o que pode resultar na minimização dos custos das operações e processos específicos das instalações de tratamento, ou seja, para os autores a engenharia tem como objetivo aperfeiçoar os sistemas e minimizar os custos. Citam ainda, que é necessário encontrar um ponto ótimo no procedimento operacional através da dinâmica do processo, considerando as restrições e interferências inerentes ao sistema, o que resultaria na diminuição ou eliminação de problemas construtivos, operacionais ou voltados ao processo da biodegradação por microrganismos. Entretanto, não há um sistema único, sendo que os biodigestores devem ser adaptados às condições reais, levando em consideração os aspectos quantitativos (volume) e qualitativos através de parâmetros físico-químicos e biológicos dos resíduos orgânicos a serem tratados.
Em função dos aspectos mencionados como o aumento da geração e diversidade físico-químicas dos resíduos orgânicos, configurações, carga e operações de biorreatores, propõe-se neste trabalho o desenvolvimento de uma nova configuração de biodigestor anaeróbio em escala piloto, que possa ser deslocado e instalado in company para o tratamento de diferentes resíduos, considerando as condições locais e o sistema de produção.
Assim, um novo desenho de biorreator anaeróbio com possibilidade de diferentes formas de operação e controle das variáveis de processo em escala piloto vem ao encontro com as necessidades das empresas que pretendem aplicar essa tecnologia no tratamento de resíduos orgânicos e águas residuais, pois, segundo Bouallagui et al. (2005), o desenho dos biorreatores, bem como o conhecimento das características dos resíduos e operação do sistema são fundamentais para o êxito da implementação da tecnologia de biodigestão.
Com o resultado obtido in situ, através do sistema piloto, acredita-se poder dar suporte à construção de um sistema de tratamento definitivo, apoiado em dados mais próximos a realidade obtida com a prática desta implantação, minimizando as possibilidades de erro, tanto de engenharia quanto de processo, considerando também os aspectos ambientais e econômicos e de treinamento dos recursos humanos envolvidos no processo.
1.1. Objetivo
1.1.1. Objetivo Geral
Desenvolver uma nova configuração de biodigestor anaeróbio piloto com possibilidade de deslocamento in company aplicado ao tratamento de resíduos orgânicos.
1.1.2. Objetivos Específicos
Projetar e construir um biodigestor anaeróbio (em escala piloto) adaptado ao tratamento de diferentes tipos de resíduos orgânicos com possibilidade de deslocamento e instalação in company;
Aplicar e avaliar as condições operacionais do biodigestor, bem como as adequações necessárias ao sistema;
Avaliar o sistema proposto (biodigestor) no tratamento de resíduos sólidos orgânicos triturados provenientes de refeitório universitário, destacando as possíveis interferências do sistema.
2. REVISÃO DA LITERATURA
2.1. Resíduos Sólidos Orgânicos (RSO)
Segundo a Agência Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), resíduos sólidos são:
Resíduos nos estados sólidos e semi-sólidos, que resultam de atividade de origem industrial, doméstica, hospitalar, comercial, agrícola, de serviços e de varrição. Ficam incluídos nesta definição os lodos provenientes de sistemas de tratamento de água, aqueles gerados em equipamentos e instalações de controle de poluição, bem como determinados líquidos cujas particularidades tornem inviável o seu lançamento na rede pública de esgotos e corpos de água, ou exijam para isso soluções, técnica e econômica, inviáveis em face à melhor tecnologia disponível (NBR 10.004, 2009, p.1).
Dentro desta macro-caracterização, estão compreendidos os Resíduos Sólidos Orgânicos (RSO) gerados no saneamento urbano e podem ser definidos como:
Resíduos sólidos orgânicos (RSO) podem ser entendidos como aqueles resíduos provenientes ou gerados de sistemas de tratamento de esgotos (fossas sépticas, ETEs), coletas e processamento de materiais recolhidos das áreas urbanas (lixo, podas de árvores, corte de gramados), que possuem significativa fração orgânica, superior a 30% (CASSINI, 2003, p. 1)
Uma fonte comum de resíduos orgânicos é proveniente do descarte de frutas e vegetais, cuja fração orgânica corresponde a cerca de 75% de material facilmente biodegradável (açúcares e hemicelulose), 9% de celulose e 5% de lignina. Esses resíduos contêm 8-18% de sólidos totais (ST), com um teor de sólidos voláteis (SV) de 86-92%
(BOUALLAGUI et al., 2005).
Albuquerque et al. (2007) realizaram uma pesquisa em um restaurante universitário e obtiveram que 68,70% do total de resíduos sólidos orgânicos gerados referem-se a pós- refeição (jantar e almoço) e 31,36% foram resíduos gerados durante o preparo das refeições.
2.2. Tratamento de Resíduos Sólidos Orgânicos por Digestão Anaeróbia e produção de biogás.
A digestão anaeróbia é a decomposição da matéria orgânica através da atividade de um consórcio de microrganismos na ausência de oxigênio. Este processo ocorre naturalmente em pântanos, sedimentos e em vísceras de animais.
Embora a biodigestão venha ocorrendo ao longo dos séculos, as aplicações modernas desta tecnologia envolvem ambientes altamente controlados, conhecidos como biodigestores
ou biorreatores anaeróbios, onde a biologia do processo e diversos parâmetros são dirigidos para garantir o máximo na produção de biogás a partir do emprego de resíduos orgânicos (MCDONALD et al., 2008).
O biogás pode ser obtido a partir de diferentes substratos, os mais comuns são os provenientes de fezes animais, como suínos, equinos, caprinos, aves, bovinos; porém muitos outros substratos podem ser usados, como glicerina (ROBRA, 2007), melaços, lodos urbanos, palha, casca de nozes, casca de frutas em geral, resíduos de agroindústrias e algas (DEMIRBAS, 2006). Outros resíduos como os provenientes de vegetais, são também facilmente biodegradáveis e apresentam grande potencial na produção de biogás, possibilitando a conversão de 95% da matéria orgânica em metano (BOUALLAGUI et al., 2005).
Zhang et al. (2007) realizaram um estudo submetendo resíduos de alimentos a biodigestão anaeróbia, em batelada, a 50 °C e analisaram as variações da composição de resíduos de alimentos por um período de dois meses. O teor de umidade médio e a proporção de sólidos voláteis em relação ao teor de sólidos totais foram, respectivamente, de 70% e 83%
para uma média diária, enquanto a partir de amostras semanais houve uma média de 74 e 87%
respectivamente. Concluem o estudo afirmando que resíduos de alimentos são substratos altamente adequados para biodigestão anaeróbia no que diz respeito à sua elevada biodegradabilidade e produção de metano.
Uma grande variedade de sistemas foi desenvolvida para o tratamento anaeróbio de Resíduos Sólidos Urbanos (RSU), podendo ser dividido em molhado (wet) e seco (dry). No molhado, os sólidos estão suspensos em uma grande quantidade de água (10 a 15% de sólidos secos). No seco o teor de sólidos fica em torno de 20 a 40% (Regional Information Service Center for South East Asia on Appropriate Technology, 1998). A aplicação dos biodigestores vai desde a geração de biogás para cozinhar (ABDUILAHI et al., 2012) até o tratamento de esgotos de grandes cidades com geração de energia renovável através do biogás (DEMIRBAS, 2006).
Em resumo, a biodigestão apresenta duas faces interessantes, a possibilidade de tratamento de resíduos orgânicos com sua correta deposição no meio ambiente e uma fonte importante na geração de energias renováveis através do aproveitamento do metano, diminuindo a presença deste gás na atmosfera (BOUALLAGUI et al., 2005).
Para aplicação da biodigestão para o tratamento de resíduos orgânicos (esgotos) provenientes de áreas urbanas, comparando os sistemas anaeróbios aos aeróbios existentes, Chernicharo (2001) descreve as seguintes vantagens:
Baixa produção de sólidos, de 2 a 8 vezes menos que em processos aeróbios;
Custos operacionais mais baixos;
Baixa demanda de área;
Baixos custos de implantação, da ordem de US$ 20 - 30 per capita;
Produção de metano;
Possibilidade de preservação da biomassa sem alimentação do reator, por vários meses;
Aplicabilidade em pequena e grande escala.
Entretanto, os sistemas anaeróbios apresentam limitações descritas por Chernicharo (2001) quanto a:
Remoção insatisfatória de nitrogênio, fósforo e patógenos;
Produção de efluentes com aspecto desagradável e usualmente com qualidade insuficiente para atender os padrões ambientais. Em decorrência disso, algumas formas de pós-tratamento são necessárias como, por exemplo, o tratamento aeróbio;
Possibilidade de distúrbios devido a choques de carga orgânica e hidráulica, presença de compostos tóxicos ou ausência de nutrientes;
A bioquímica e a microbiologia da digestão são complexas e ainda precisam ser mais estudadas;
A partida do processo pode ser lenta na ausência de lodo de semeadura adaptado;
Possibilidade de geração de maus odores e de problemas de corrosão, porém controláveis;
Conforme a carga orgânica e a característica do substrato orgânico, poderá levar um longo tempo de detenção hidráulica e baixa eficiência na remoção dos mesmos principalmente quando houver presença de celulose e lignocelulose.
2.2.1. Fundamentos da Digestão Anaeróbia
A fermentação anaeróbia é um processo complexo, que pode ser dividido em 4 fases:
hidrólise, acidogênese, desidrogenação / acetogênese e metanogênese (Figura 1) (WEILAND, 2010). As diferentes etapas de degradação anaeróbia são realizadas pelo consórcio de diversos microrganismos. No que diz respeito aos tratamentos de resíduos sólidos orgânicos provenientes de esgotos, os organismos envolvidos são bactérias, protozoários, fungos, algas e vermes. Dentre estes se destacam as bactérias que estão diretamente ligadas à estabilização da matéria orgânica (SPERLING, 1996).
Figura 1. Esquema representativo da fermentação anaeróbia e produção de biogás (adaptado de Weiland, 2010).
Considerando as quatro fases da degradação anaeróbia, estão envolvidas nas duas primeiras fases cerca de: 128 ordens, 58 espécies e 18 gêneros encontrando-se principalmente Clostridium, Ruminococcus, Eubacterium e Bacteroide. Na terceira e quarta fases, as bactérias metanogênicas são a maioria, estando envolvidas 81 espécies, 23 gêneros, 10 famílias e 4 ordens (DEUBLEIN e STEINHAUSER, 2008).
METANOGÊNESE BIOGÁS CH4 + CO2
ACIDOGÊNESE ACETOGÊNESE
ÁCIDOS GRAXOS VOLÁTEIS ACETATOS ÁGUA + GÁS CARBÔNICO HIDRÓLISE
MONÔMEROS E OLIGOELEMENTOS AÇÚCARES, AMINOÁCIDOS E ÁCIDOS GRAXOS CARGA ORGÂNICA
POLÍMEROS COMPLEXOS POLISSACARÍDEOS, PROTEÍNAS, LIPÍDIOS, GLICÍDIOS, ETC.
Hidrólise: nesta etapa compostos como celulose, proteínas, ácidos graxos, são quebrados até monômeros (Figura 2), por exoenzimas provenientes de bactérias anaeróbias facultativas ou obrigatórias (DEUBLEIN e STEINHAUSER, 2008).
Figura 2. Formação de monômeros por hidrólise.
Na fase de hidrólise, os microrganismos responsáveis pela fermentação iniciam a degradação dos polímeros produzindo principalmente acetato e hidrogênio, com quantidades variáveis de ácidos graxos e ácidos voláteis, como o butírico e o propiônico. Microrganismos hidrolíticos excretam enzimas hidrolíticas, como por exemplo celulase, celobiase, xilanase, amilase, lipase e protease, facilitando a metabolização dos polímeros e a desagregação da matéria orgânica (SPERLING, 1996).
Carboidratos são hidrolisados em poucas horas, proteínas e lipídios em alguns dias, celulose e lignocelulose são degradados muito lentamente ou saem parcialmente degradados (DEUBLEIN e STEINHAUSER, 2008).
Considerando os principais grupos de biomoléculas envolvidas na digestão anaeróbia, lipídeos, polissacarídeos e proteínas, destacam-se os gêneros produtores de lipases:
Bacteroides, Butyvibrio, Clostridium e Fosobacterium; produtores de proteases:
Selenomonas, Streptococcus, Proteus, Peptococcus e Bacillus e os que produzem amilase:
Clostridium, Staphyloccoccus, Acetivibrio e Eubacterium (ABREU, 2007).
Acidogênese: os monômeros provenientes da fase de hidrólise são nesta fase convertidos em ácidos orgânicos de cadeia curta (C1 e C5), álcoois, hidrogênio e dióxido de carbono (WEILAND, 2010).
Entre as acidogênicas comumente encontradas em reatores destacam-se Clostridium, Ruminococcus, Bacteroides, Propiionibacterium, Butyribacterium, Micrococcus e Paenibacillus (ARCHER e KIRSOP, 1990). O cluster Cytophaga - Flavobacterium – Bacteroides são o segundo maior grupo de microrganismos durante as duas primeiras fases de
decomposição, mas representam menos de 5% do total de microrganismos metanogênicos (DEUBLEIN e STEINHAUSER, 2008).
Os substratos metabolizados pelos microrganismos citados compreendem a celulose, glicose, xilanas, glucose, polímeros de amido ligados por pectina, monossacarídeos, aminoácidos, lactatos, acrilatos, carboidratos e formiatos, pentoses, ácidos graxos, carboidratos, hidrogênio, trimethoxybenzoato e muitos outros substratos complexos (DEUBLEIN e STEINHAUSER, 2008).
Acetogênese: as bactérias acetogênicas contribuem na digestão anaeróbia com a produção de acetato, CO2 e H2, elementos que são metabolizados pelas archaeas metanogênicas posteriormente (Figura 3). Dois grupos de acetogênicas podem ser destacados:
acetogênicas redutoras de prótons e acetogênicas homoacetogênicas (MADIGAN et al., 2003).
As bactérias do primeiro grupo são produtoras de hidrogênio obrigatórias, que produzem ácido acético, dióxido de carbono e hidrogênio a partir de uma grande variedade de substratos, dentre os quais ácidos graxos intermediários (propionato e butirato), álcoois (etanol, metanol, propanol) e ácidos orgânicos maiores (valerato, isovalerato, palmitato) (Figura 4). As acetogênicas redutoras crescem apenas em ambientes com baixas pressões de hidrogênio, condição pela qual é necessária a presença de archaeas redutoras de sulfatos (Syntrophomonas, Sytrophobacter) (MADIGAN et al., 2003), sendo este fenômeno conhecido como sintrofia (ABREU, 2007).
Os principais gêneros envolvidos no processo são Desulfovibrio (desulfuricans, termitindis), Aminobacterium (colombiens) e Acidominococcus (DEUBLEIN e STEINHAUSER, 2008).
2 Etanol
2 acetaldeido
2 Acetato
2 NAD 2 NADOH2
2 Fd 2 FdH2
2 H2
2 H2
4 H2
CO4
CH4
2 Fd 2 FdOH2
CH4
ATP
ACETOGÊNESE METANOGÊNESE
ATP
Figura 3. Transferência de hidrogênio entre fases de acetogênese e metanogênese (DEUBLEIN e STEINHAUSER, 2008).
Figura 4. Representação esquemática da fase de acetogênese redutora de prótons (adaptado de Campos, 1999).
Bactérias homoacetogênicas são estritamente anaeróbias. Catalisam a formação de acetato a partir de gás carbônico e hidrogênio (Figura 5). Os gêneros mais conhecidos são Acetoanaerobium, Acetogenium, Butribacterium, Clostridium e Pelobacter (ABREU, 2007).
Figura 5. Representação esquemática da fase de homoacetogênese (adaptado de Campos, 1999).
Metanogênese: na etapa metanogênica o domínio das archaeas congrega o principal grupo de microrganismos produtores de metano. As vias para formação do metano são três, sendo duas as mais relevantes para o rendimento em biogás. Cerca de 70% do metano produzido é resultante da degradação do acetato (fermentação) com formação paralela de CO2. A segunda via é pela redução do CO2 a metano usando o H2 como receptor de elétrons, havendo a liberação de H2O. A terceira via ocorre por oxidantes alternativos ao O2, advindo de nitratos e sulfatos por bactérias desnitrificantes ou redutoras de sulfato (CHERNICHARO, 1996).
Além de não ser expressiva a produção de biogás por esta última via, bactérias redutoras de sulfato (Archaeoglobus) são indesejáveis no processo, pois competem com as
Ácidos graxos, Álcoois e Ácidos
orgânicos
BACTÉRIAS ACETOGÊNICAS REDUTORAS DE
PRÓTONS
GÁS CARBÔNICO HIDROGÊNIO ÁCIDO ACÉTICO
GÁS CARBÔNICO HIDROGÊNIO
BACTÉRIAS
HOMOACETOGENICAS ACETATOS
archaeas metanogênicas pelo consumo de H2 e CO2. O metabolismo destas bactérias leva a formação de sulfeto (H2S) que além de ser corrosivo, confere odor muito desagradável, tanto a fase líquida (biodigerido) quanto ao biogás, podendo ser tóxico a metanogênese (FORESTI et al., 1999; MADIGAN et al., 2003).
As principais famílias e gêneros envolvidos na metanogênese, considerando os três grandes domínios da árvore filogenética (WOESE et al., 1990), são: Eucarya, Bactéria e Archaea, este último dividido em 4 Filos, Euryarchaeota, Crenarchaeota, Korarchaetota e Nanorchaeota. Dentro do filo Euryarchaeota, estão os principais representantes das archaeas metanogênicas envolvendo três ordens Methanobacteriales, Methanococcales e Methanomicrobiales.
As vias bioquímicas para formação do metano estão descritas nos fluxograma das Figuras 6 e 7:
CH3-COOH
Coenzima A CH3-CO-S-CoA Sintese
CO – Dehidrogenase (Enzima) CH3-CO-CO – Dehidrogenase
Corrinoide – CH3 CO – CO Dehidrogenase CoM
CoM – CH 2H
H2O
CH4 CO2
Figura 6. Formação do metano a partir do acetato (DEUBLEIN e STEINHAUSER, 2008).
CO2
Metanofurano C H O
Metanopterino C H H4 - O
Enzima: Dehidrogenase Enzima: Ftr
Enzima: Fae
H2O
Metanopterino - CH H4 -
H2
Metanopterino - CH2
H4 - H2
Metanopterino - CH3 H4 -
Corrinoide - CH
CoM-S-CH3
CH4
Figura 7. Formação do metano a partir do dióxido de carbono (DEUBLEIN e STEINHAUSER, 2008).
2.2.2. Formação e Aproveitamento do Biogás
O aproveitamento do biogás é antigo, as primeiras referências de utilização de biogás datam do século X a.C., em que o mesmo era utilizado para o aquecimento de banhos pelos Assírios. Durante o século XVII, os avanços na pesquisa científica permitiram a Jan Baptista Van Helmont associar geração de gás com o decaimento da matéria orgânica (REICHERT, 2005). No entanto, documentos sobre biodigestão anaeróbia de biomassa são encontrados a partir da metade do século XIX relatando biodigestores de lodo que foram construídos na Nova Zelândia, Índia e Exeter no Reino Unido, este último para fornecer energia às lâmpadas de rua na decada de 1890 (BOND e TEMPLETON, 2011).
O gás metano, principal produto dos biorreatores anaeróbios, ficou conhecido como gás combustível, quando em 1776, na Itália, Alessandro Volta descobriu o gás nos pântanos
proveniente da decomposição de resíduos orgânicos sedimentados em lagos pantanosos (MADIGAN et al., 2003).
O biogás, resultante da fermentação ou digestão anaeróbia de diversos compostos orgânicos, é um gás incolor altamente combustível, que queima com chama azul-clara com mínimo de poluição. Sua composição é variada, porém um perfil médio seria em torno de 55 a 65% de metano, 35 a 45 % de gás carbônico e o restante dividido entre nitrogênio, hidrogênio, oxigênio e gás sulfídrico (ABDUILAHI et al., 2012; TEIXEIRA, 2003).
Segundo Weiland (2010), é possível obter biogás de qualquer tipo de biomassa, citando como substratos matérias e/ou resíduos que contenham carboidratos, proteínas, gorduras, celulose e hemicelulose. Outros substratos importantes são as culturas energéticas renováveis como o milho, girassol, sorgo sacarino e granífero, beterraba sacarina entre outros que têm um grande potencial de geração de biogás. Algumas destas culturas foram empregadas na geração de energia elétrica, na Europa, associadas a dejetos animais ou não.
Um experimento realizado por McDonald et al. (2008) de codigestão, mesclando diversos tipos de resíduos, demonstrou ser possível a obtenção de biogás com bons resultados.
Foram utilizados resíduos de confinamento de suínos, resíduos alimentares de aviário, cascas de sementes, gordura de curtume, óleo de cozinha usado e vísceras coletadas a partir de agroindústrias de suínos, entre outros, demonstrando assim a enorme diversidade e disponibilidade de substratos para geração de energia em diferentes locais.
2.2.3. Potencial Energético do Biogás
O interesse na biodigestão anaeróbia de culturas energéticas e resíduos está crescendo, com a finalidade de reduzir os Gases de Efeito Estufa (GEEs) e facilitar a sustentabilidade, aumentando com isso a oferta de energia renovável. A produção europeia de energia a partir do biogás alcançou 6 milhões de toneladas de equivalentes de petróleo (Mtep) em 2007 com um aumento anual de mais de 20%. A Alemanha tornou-se o maior produtor de biogás no mundo, conforme Johann Heinrich Von Thünen Institute, sendo que 1.500 milhões de toneladas podem ser biodigeridas anualmente, sendo 50% proveniente de culturas energéticas (WEILAND, 2010).
O potencial energético do biogás está diretamente relacionado com a quantidade (%) de metano presente em sua composição. O metano melhora o poder calorífico do biogás. A
percentagem de metano pode variar de 45 a 75%, dependendo do material a ser biodigerido, microrganismos, composição química, temperatura, entre outros (SALOMON, 2007). O poder calorífico do biogás (biometano) varia entre 22.500 a 25.000 kJ/m3 (Tabela 1).
Tabela 1. Poder Calorífico Inferior (PCI) de diferentes gases (CASTANON, 2002).
Gás PCI (kcal/m3) PCI (kJ/m3)
Metano 8.500,00 35.558,00
Propano 22.000,00 92.109,00
Butano 28.000,00 117.230,00
Gás Natural 7.600,00 31.819,00
Biometano 5.500,00 23.027,00
Um metro cúbico (1 m³) de biogás equivale energeticamente a:
1,5 m³ de gás de cozinha;
0,52 a 0,6 litro de gasolina;
0,9 litro de álcool;
1,43 kWh de eletricidade;
2,7 kg de lenha (madeira queimada).
A composição média do biogás está descrita na tabela 2:
Tabela 2. Componentes do biogás (TEIXEIRA, 2003).
COMPONENTES %/V
Metano (CH4) 40 – 75
Dióxido de Carbono (CO2) 25 – 40
Nitrogênio (N2) 0,5 – 2,5
Oxigênio (O2) 0,1 – 1
Ácido Sulfídrico (H2S) 0,1 – 0,5
Amônia (NH3) 0,1 – 0,5
Monóxido de Carbono (CO) 0 – 0,1
Hidrogênio (H2) 1 – 3
O biogás contem o gás sulfídrico que é corrosivo, devendo passar por tratamentos de purificação a fim de permitir seu uso sem dano aos equipamentos utilizados para conversão de energia (SALOMON, 2007).
O Brasil, por ser um país com extensas áreas agricultáveis, dispõe ainda da possibilidade de cultivar matérias-primas que tem grande potencial para produção de biogás,
algumas dessas culturas são resíduos agrícolas com potencial uso para biodigestão e outras podem ser utilizadas em codigestão. Na tabela 3 estão demonstrados os rendimentos de produção de biogás a partir de diferentes culturas:
Tabela 3. Relação de rendimento de biogás por cultura.
Cultura Produção
(tMF/ha)1
Produção de biogás (Nm3/tSV)2
% de metano
Beterraba sacarina 40-70 730-770 53
Beterraba comestível 80-120 750-800 53
Milho 40-60 560-650 52
Milho (planta) 10-15 660-680 53
Trigo (planta) 30-50 650-700 54
Triticale 28-33 590-620 54
Sorgo 40-80 520-580 55
Grama 22-31 530-600 54
Trevo vermelho 17-25 530-620 56
Girassol 31-42 420-540 55
Trigo (grão) 6-10 700-750 53
Centeio (grão) 4-7 560-780 53
Fonte: tabela adaptada de Weiland (2010).
1 (tMF/ha) = tonelada de matéria fresca por hectare
2 (Nm3/tSV) = normal metro cúbico por tonelada de sólidos voláteis
O processo de codigestão anaeróbia, em uso por alguns produtores na Europa, utiliza a mescla de resíduos agrícolas como palha, grãos, restos de poda e cascas com dejetos de criações. Na Tabela 4 descreve-se o potencial de geração de biogás para dejetos de animais.
Tabela 4. Características de dejetos animais e rendimento em biogás.
Referência Gado-leite Gado-corte Suínos Frangos
Produção de esterco (kg/dia) 39 26 23 27
Sólidos Totais (ST) (kg/dia) 4,8 3,4 3,3 7,9
Sólidos Voláteis (SV) (kg/dia) 3,9 2,7 2,7 5,9
Eficiência digestiva (%SV) 35 50 55 65
Produção de Biogás (m3/kg esterco) 0,29 0,42 0,45 0,53 Produção de Biogás (m3/kg ST) 2,54 2,44 2,67 6,88 Fonte: CORTEZ et al. (2008)
2.2.4. Modelos de Biodigestores
As primeiras instalações operacionais de biodigestão anaeróbia destinadas a produzir gás combustível foram construídas em Bombaim, Índia, em 1857, com a finalidade de gerar gás combustível em um hospital de hansenianos. As bases teóricas e experimentais para a biodigestão foram desta mesma época e produzidas por pesquisadores como Fischer (Alemanha) e Scharder (Gragnon-França). KarInhoff, engenheiro sanitarista alemão nascido em Baden, introduziu o tratamento do lodo ativado, por volta de 1920, com um modelo de biorreator anaeróbio que ficou conhecido pelo mesmo nome e foi bastante difundido na época (http://www.netsaber.com.br/biografias/ver_biografia_c_2776, 2010). A partir de 1939, houve a popularização do modelo conhecido como Indiano promovido pelo Instituto Indiano de Pesquisas Agrícolas, em Kanpur, Índia, o qual obteve sucesso na primeira usina de biogás de esterco. O êxito neste trabalho levou a fundação do Gobar Gas Institute a expansão rápida, possibilitando a construção de meio milhão de biodigestores aproximadamente (TEIXEIRA, 2003).
Na China, entre 1950 a 1972, houve uma enorme expansão da biodigestão com a implantação de 7,2 milhões de biodigestores, o que popularizou o modelo Chinês neste país e também serviu para difusão em outros países. No Brasil, Teixeira (2003) relata que, a partir da década de 70, iniciou-se a pesquisa sobre biodigestores envolvendo Institutos como a Embrater/Emater, UNESP (Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias) e Instituições na Paraíba e Ceará. Estes projetos estavam destinados a minimizar a dependência do meio rural da energia proveniente de instalações industriais. A partir de 1979 a Embrapa assumiu as pesquisas de biogás fruto de um acordo com Ministério das Minas e Energia.
Dentre os diversos modelos de biodigestores, os mais popularizados são o Indiano e o Chinês. Outros modelos, como Schmidt Eggerglues, Weber, Darmstadt, Kronseder, Munich e Holandes, apresentam desenhos interessantes sob o ponto de vista de estudo; Valorga, DRANCO, BTA, WASSA, Kompogas e Lind-KCA possuem plantas em operação em diversos países e os atuais biorreatores como UASB e suas modificações são amplamente empregados no tratamento de esgotos.
Geralmente estes biodigestores operam em sistema de batelada ou contínuo. No sistema por batelada o biorreator é carregado com resíduos orgânicos podendo ser inoculado com lodo proveniente de outro biorreator ou não. O mesmo é fechado até a completa
degradação dos resíduos, sendo ao final, esvaziado parcialmente ou totalmente e um novo processo começa. No reator operado em sistema contínuo, o mesmo é alimentado de forma constante, ao mesmo tempo em que a descarga com vazão proporcional ocorre. Os biodigestores podem ainda serem construídos para um único estágio ou em vários estágios, buscando-se melhorar as etapas que caracterizam o processo (Regional Information Service Center for South East Asia on Appropriate Technology, 1998).
Rizzo e Leite (2004) apresentam a evolução dos biorreatores para esgoto ao longo dos anos dividindo em 3 gerações, conforme apresentado na tabela 5.
Tabela 5. Tipos de reatores por geração aplicados ao tratamento de esgoto.
Reatores de 1ª Geração Reatores de 2ª Geração Reatores de 3ª Geração
Fossa Moura Filtro Anaeróbio Reator Anaeróbio de Leito
Fluidizado Tanque Séptico Reator Anaeróbio de Fluxo
Ascendente e Camada de Lodo (UASB)
Tanque Imhoff Reator Anaeróbio de Leito
Expandido Lagoas Anaeróbias
Reator Convencional
Reator Anaeróbio de Contato Fonte: RIZZO e LEITE (2004)
A seguir são apresentados características de alguns tipos de biodigestor utilizados para o tratamento de resíduos sólidos e efluentes líquidos:
Indiano: trata-se de um biorreator cilíndrico, dividido ao meio, com duas caixas de apoio sendo uma de carga e outra de descarga, tendo ao topo o gasômetro móvel (campânula) (Figura 8).
Figura 8. Modelo biodigestor indiano (adaptado de Lucas, 2003).
Utilizado por comunidades rurais de pequeno e médio porte no Brasil, estes biodigestores são de simples construção e operação, proporcionando boa eficiência no tratamento de resíduos animais. Este modelo sofreu algumas variações de formato, recebendo uma cobertura plástica e um gasômetro plástico, buscando simplificar sua construção e foi denominado modelo coreano (TEIXEIRA, 2003).
Nivel do biodigerido
Caixa de Entrada Caixa de Saída
Gasômetro
Saída Biogás
Divisória
Chinês: é semelhante ao anterior, porém sua construção é simplificada, tem seu corpo enterrado e o gasômetro fixo, fazendo parte da estrutura. Possui forma geralmente elíptica, contendo também caixa de carga e descarga (Figura 9).
Nivel do biodigerido Caixa de Entrada
Caixa de Saída Gasômetro
Saída Biogás
Figura 9. Modelo biodigestor chinês (adaptado de Lucas, 2003).
Comparando com o modelo Indiano, Teixeira (2003) considera que o modelo Chinês apresenta a vantagem do acúmulo de gás e pressão que a cúpula fixa proporciona, evitando os vazamentos e diminuído o custo de implantação.
Tubular (PlugFlow): de fácil fabricação este biodigestor é constituído de três caixas, sendo o biorreator a caixa maior semelhante a uma piscina. É coberto por uma lona plástica ou uma manta emborrachada, de fácil dilatação, permitindo a captação do gás, mas com pouca formação de pressão. Assim como os demais, possui duas caixas, uma de alimentação e outra de descarga (Figura 10).
Nivel do biodigerido Caixa de Entrada
Caixa de Saída Gasômetro
Saída Biogás
Figura 10. Modelo biodigestor tubular (adaptado de Lucas, 2003).
O abastecimento desse sistema é através da introdução do material diluído em uma abertura da manta ou da lona, que corresponde à caixa de carga. Após a fermentação do material, o mesmo é impulsionado para a parte final do biorreator e retirado pela caixa de descarga. Este modelo, apesar de ser de fácil construção, apresenta menor durabilidade e é mais susceptível à ocorrência de vazamento de gás, caso a lona ou a manta seja perfurada (LUCAS, 2003).
Este modelo esta bastante difundido em Santa Catarina junto aos suinocultores, principalmente na região de Videira, sendo os mesmos utilizados para tratamentos dos dejetos e queima do biogás.
Schmidt Eggerglues: é um modelo complexo composto por 5 tanques, sistema de alimentação, bombeamento e medição. Possui um tanque para armazenagem de resíduo, um tanque com o gasômetro e dois tanques para fermentação. Tem como inovação um sistema de recalque para proporcionar uma mistura homogênea dentro do mesmo, bem como um sistema de preparo da matéria-prima, podendo receber resíduos de palha e alimentação dos animais junto ao esterco (Figura 11).
Figura 11. Modelo biodigestor Schimdt Eggerglues (JEWEL, 1976).
Este modelo foi instalado por volta de 1950, sendo utilizado em fazendas para o reaproveitamento dos resíduos de 100 a 300 cabeças de gado. Dispunha de 1 a 4 tanques de fermentação, que eram alimentados diariamente e o material digerido sendo retirado a cada 2 a 3 semanas.
Este sistema era dotado de motor elétrico e um eixo telescópico, para dissolver a camada que se forma sobre a massa em digestão para uma melhor homogeneização da mistura, sendo movimentado para cima e para baixo, com baixa velocidade (JEWEL, 1976).
Nivel do biodigerido Nivel do biodigerido
Nivel do biodigerido
Nivel do biodigerido
Entrada Efluentes Saída Biogás
Saída Biogás
Saída Biogás
Entrada Efluentes
Saída dos Efluentes Saída dos efluentes
Tanque Fermentação
Tanque Fermentação Tanque Pulmão
Weber: projetado por um fazendeiro, este modelo é composto por três tanques principais, sendo dois de fermentação e um de armazenagem. Compõe o sistema uma etapa de pré-mistura com o substrato em biodigestão diluindo e inoculando os dejetos na entrada do mesmo (Figura 12).
Nivel do biodigerido Nivel do biodigerido
Tanque de fermentação Tanque de fermentação
Tanque de Mistura Tanque de Mistura
Dentro do curral
Efluente
Tanque armazenagem do efluente
Saída Biogás
Figura 12. Modelo biodigestor de Weber (JEWEL, 1976).
Dentro dos tanques existem quatro vigas de madeira para evitar a formação de crosta, que causa o entupimento da passagem do biogás. A crosta formada internamente deve ser anualmente removida, por um orifício situado na parte superior do tanque de fermentação.
Darmstadt: este biodigestor apresenta algumas inovações importantes como aquecimento a vapor, agitador, uma câmara de fermentação agitada e leito vertical.
Trabalha com uma alta concentração de sólidos (JEWEL, 1976).
Kronseder: bastante simples este modelo é similar ao tubular (PlugFlow), com uma redoma cilíndrica na parte superior, diferenciando por ser horizontal. A retirada do efluente é por bomba (JEWEL, 1976).
Munich: desenvolvido para resíduos com alta concentração de sólidos, seu formato é vertical de operação contínua, com aquecimento e reinjeção da água drenada (JEWEL, 1976).
Valorga: inicialmente desenvolvido na França, posteriormente em SteinmullerValorgaSarl, uma subsidiária da companhia alemã SteinmullerRompfWassertechnik GmbH. Sua concepção previa o tratamento de resíduos orgânicos, sendo adaptado para tratamento de resíduos sólidos urbanos separados na fonte. O sistema é composto por seis unidades: recebimento, processamento, digestão anaeróbia, cura do composto, utilização do biogás e tratamento dos efluentes gasosos (http://www.valorgainternational.fr, 2011).
Dranco: Sistema de um único estágio, para altos teores de sólidos, podendo tratar diferentes tipos de resíduos. Opera com bactérias termófilas, alimentação na parte superior e retirada no fundo. Possui sistema complementar para retirar a umidade do composto biodigerido e a água obtida é usada para ajustar o teor de sólidos. A fonte de resíduos é manualmente separada, passa por peneiras e um separador magnético para retirar metais ferrosos. É empregado em grandes volumes sendo invíavel seu emprego em pequena escala (Regional Information Service Center for South East Asia on Appropriate Technology, 1998).
BTA (Carl Bro, Helsingor, Dinamarca): é um sistema multi-estágio desenvolvido em Helsingor, na Dinamarca e foi inaugurado em 1993. A matéria prima é proveniente de lixo doméstico, passando por um processo inicial de desintegração e separação, seguindo para a higienização a 70 °C, com adição posterior de hidróxido de sódio para facilitar a hidrólise. O processo trabalha a temperatura mesófila 38 °C (http://bta- international.de/der_bta_prozess.html?&lang=3, 2012).
WAASA: desenvolvido na Finlândia pela empresa CITEC. Pode operar tanto em condições mesófilas quanto termófilas e ser usado tanto para tratamento de resíduos sólidos urbanos como para efluentes com 10 a 15% de sólidos. Composto por um tanque principal com uma câmara interna para pré-digestão (OSTREM, 2004).
Sistema ROTTALLER: criado em 1995 a partir de uma associação de agricultores para fermentação de resíduos orgânicos, no distrito de Dingolfing e Rottal-Inn. Foi projetado para ter um baixo custo. Opera em processo contínuo em pequena escala (http://www.rottaler-modell.de/index.php/home/sisal-waste-digestion).
KOMPOGAS: companhia suíça Kompogas estabelecida no final de 1980, tendo instalada a primeira planta em Rümlang, Suiça-1991. Opera em estágio único, termófilo, digestão contínua, horizontal, com lenta rotação e saliências intermitentes no interior do reator (Figura 13) (http://www.axpo-kompogas.ch).
Entrada
Saída Biodigerido Saída Biogás
Figura 13. Figura representativa do biodigestor tipo Kompogas (http://www.axpo- kompogas.ch).
Linde-KCA: a empresa Linde – KCA construiu seu primeiro biodigestor para processo úmido em 1985, tendo dois estágios com um tanque para realização de hidrólise, seguido por uma unidade de metanogênese, com opção de uma aeração intermediária e podendo ser operado em regime mesófilo e termófilo. A biodigestão ocorre em um reator retangular de concreto, contínuo, de fluxo horizontal e com ajuste da acidez ao longo do processo de digestão. Trabalha com teor de sólidos de 15 a 45%, tendo agitação e fluxo de massa direcionado (http://www.strabag-umweltanlagen.com, 2012).
Modelo Genérico de Duas Fases: para a digestão das culturas energéticas, estão sendo empregados biorreatores de duas fases (Figura 14) (WEILAND, 2010), que consistem de um fermentador de alta carga (primário) e um fermentador de baixa carga (secundário), dispostos em série, sendo que o segundo corpo trata os compostos da primeira fase. A avaliação de 61 plantas de explorações agrícolas tem demonstrado que os resultados da digestão em duas etapas refletem positivamente nos rendimentos do gás e no potencial de redução de substratos metanogênicos (GEMMEKE et al., 2009). A digestão, hidrólise e metanogênese têm lugar em ambos os reatores. Para conseguir uma melhor metabolização de sólidos orgânicos em compostos facilmente biodegradáveis em ácidos carbônicos, a aplicação de reatores com duas fases distintas, com uma hidrólise e posterior metanogênese pode ser vantajosa, pois o pH ideal pode ser acertado conforme a fase (WEILAND, 2010).
Nivel do biodigerido Nivel do biodigerido Nivel do biodigerido PURIFICAÇÃO
GERAÇÃO
TRANSMISSÃO
AQUECIMENTO AQUECIMENTO
SILOS PARA ARMAZENAMENTO DE CULTURAS ENERGÉTICAS OU
RESÍDUOS EM GERAL
RESÍDUO
GASÔMETRO GASÔMETRO GASÔMETRO
Figura 14. Modelo biodigestor de duas fases empregado para culturas energéticas (adaptado de Weiland, 2010).
UASB (Upward Flow Anaerobic Sludge Blanket): este reator anaeróbio teve sua origem na Holanda, na década de 70, após trabalhos desenvolvidos pela equipe do Prof. Gatze Lettinga, na Universidade de Wageningen. Na tradução para o português os reatores seriam denominados Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente e Manta de Lodo (CHERNICHARO, 1996). É um modelo de biorreator recomendado à biodigestão de efluentes ou resíduos líquidos com uma concentração baixa ou média de sólidos totais.
Este modelo é composto de uma entrada que distribui a carga orgânica a ser tratada pela parte inferior, passando por um leito microbiológico que auxilia na dispersão.
Possui um estrangulamento do fluxo ascendente junto ao corpo cilíndrico, geralmente denominado defletor, seguindo o biogás para um funil onde é feita a captação. O mecanismo de deflecção auxilia a retenção dos sólidos e o desprendimento do gás, por outro lado concentra os microrganismos na parte inferior do biorreator (Figura15).
Nivel do biodigerido
Saída do Lodo Entrada Efluentes
Defletores Defletores
Coletor Biogás
Saída do Efluentes
Figura 15. Modelo de um biorreator anaeróbio UASB (adaptado de Chernicharo, 2001).
O modelo UASB sofreu algumas alterações, resultando inclusive em denominações diferentes como no caso dos biorreatores: DAFA (Digestor anaeróbio de fluxo ascendente), RALF (Reator anaeróbio de leito fluidizado), RAFA (Reator anaeróbio de fluxo ascendente) e RAFAALL (Reator anaeróbio de fluxo ascendente através de leito de lodo).
Na Figura 16 há um biorreator comum nas estações de tratamento de esgoto.
Entrada
Saída Biogás
Saída Biodigerido
Tubos de distribuição
Figura 16. Modelo de um biorreator anaeróbio RALF (CHERNICHARO, 2001).
Reator anaeróbio compartimentado (ABR - Anaerobic Baffed Reactor): em escala de laboratório foi descrito como eficaz para o tratamento anaeróbio de médias a baixas cargas de resíduos orgânicos solúveis em contínuo. Este processo utiliza uma série de chicanas verticais para forçar as águas residuais a fluir sob e sobre elas à medida que passam a partir do afluente para o efluente. As bactérias no interior do reator tendem a subir e decantar com a produção de gás, mas se movem horizontalmente a uma taxa relativamente lenta. As águas residuais podem, portanto, entrar em contato com uma grande quantidade de biomassa ativa à medida que passam através do reator, reduzindo a carga de sólidos do efluente (Figura 17) (BACHMANN et al., 1985).
