Biodigestores Aplicabilidade e Dimensionamento k2

Biodigestores Aplicabilidade e Dimensionamento k2

(Parte 1 de 2)

keillaboehler @gmail. co m BIODIGESTORES

INSTITUTO DE TECNOLOGIA –DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA IT 136 E 137 ENERGIA NA AGRICULTURA I E I

Definição

Tanque protegido do contato com o ar atmosférico, onde a matéria orgânica contida nos efluentes é metabolizadapor bactérias anaeróbicas.

Co mposição

Em geral, todos os tipos são compostos de duas partes:

Recipiente para abrigar e permitir a digestão da biomassa (tanque);

Gasômetro para armazenar o biogás (campânula).

Função

Fornecer as condições propícias para degradação da material orgânico por bactérias metanogênicas.

Como resultado da fermentação também ocorre a liberação de biogás e a produção de biofertilizante.

De acordocom LUCAS JUNIOR & SILVA, (1998):

A digestão anaeróbia éum processo biológico natural.

Pode ser usada para tratamento de dejetos sólidos e líquidos.

Relaciona-se aos aspectos de saneamento e energia alternativa (biogás).

Estimula a reciclagem orgânica e de nutrientes, na forma do biofertilizante.

Histórico

O interesse no Brasil décadas de 70 e 80, principalmente entre os suinocultores.

Fatores responsáveis pelo insucesso dos programas de biodigestores:

falta de conhecimento técnico sobre a construção e operação dos biodigestores; o custo de implantação e manutenção elevado; equipamentos de distribuição do biofertilizantena forma líquida com custo elevados (aquisição, transporte e distribuição); falta de equipamentos desenvolvidos exclusivamente para o uso de biogás, e baixa durabilidade dos equipamentos adaptados;

Histórico ausência de condensadores para água e de filtros para os gases corrosivos gerados no processo de biodigestão; disponibilidade e baixo custo da energia elétrica e do GLP; e não resolução da questão ambiental, os reatores não são considerados como um sistema completo de tratamento.

O ressurgimento se deve a utilização das mantas plásticas na construção dos biodigestores.

material de alta versatilidade e baixo custo.

Situação

Programas oficiais, lançados em 2005.

Estímulo àimplantação para geração de energia;

Possibilidade de participação do mercado de carbono.

Diminuição do impacto ambiental e agregação de valor.

Redução a dependência de adubos químicos

Redução a dependência de energia térmica para os diversos usos;

Redução da poluição causada por armazenamento /tratamentos dos dejetos em esterqueiras e lagoas.

Abastecimento

Contínuo

¾do abastecimento diário de biomassa, com descarga proporcional àentrada de biomassa; não param o fornecimento de gás. Ex.: Indiano, chinês e canadense.

Inter mitente quando utiliza sua capacidade máxima de armazenamento de biomassa, retendo-a atéa completa biodigestão.

São retirados os restos da digestão e faz-se nova recarga.

param o fornecimento de gás para a retirada do material deco mposto.

Ex.: Batelada.

Modelos de Biodigestor

Figura 1 – Representação tridimensionale m corte do biodigestor modeloindiano

Figura 2 – Representação tridimensionale m corte do biodigestor modelochinês.

Figura 3 – Representação tridimensionale m corte do biodigestor modelo batelada.

Figuras1, 2 e 3 fonte: Deganutti, R. et all. (2002)

Constituição

Caixa Descarga: feita em alvenaria; local onde os dejetos diluídos em água serão colocados para serem introduzidos no sistema;

Tubo de Carga:

serve para conduzir o material, por gravidade, desde a caixa de carga atéo interior do biodigestor.

normalmente utiliza-se um tubo em PVC com 150 m de diâmetro;

Câmara de biodigestão:

local onde ocorreráa fermentação do material e a conseqüente liberação do biogás.

deveráser construída em alvenaria;

Constituição

Gasômetro:

elemento responsável por armazenar o biogás produzido, permitindo o seu fornecimento com pressão constante.

no caso do modelo Indiano:

Movimenta-se para cima ou para baixo, de acordo com o volume de biogás acumulado ou retirado.

geralmente éfeito de chapa de aço numero 14, a qual deveráser soldada em uma estrutura metálica, feita de cantoneiras de aço carbono ¾”. Deveráter formato cilíndrico, cobertura superior abaulada (em forma de cone), para evitar a deposição de impurezas e água na parte externa do mesmo; ter um tubo-guia com função de guiar o gasômetro, quando este se movimentar para cima ou para baixo.

o tubo-guia deve ser obtido a partir de um tubo galvanizado com duas e meia polegadas de diâmetro.

Constituição

Tubo de descarga:

servirápara fazer a retirada do material fermentado (sólidos e líquidos) de dentro do biodigestor.

deve-se utilizar também tubo PVC com 150 m de diâmetro;

Caixa ou caneleta de descarga:

local para onde seráencaminhado o material retirado de dentro do biodigestor atéser conduzido para outro local.

deveráser construída em alvenaria;

Saída de biogás:

dispositivo que deveráse localizar na parte superior do gasômetro para saída de biogás e condução atéos pontos de consumo.

Para o modelo indiano recomenda-se que esse dispositivo seja de mangueira flexível, para acompanhar os movimentos do gasômetro.

Modelo Chinês

ModeloIndiano Modelo e m Batelada

Material

A biomassa geralmente composta por detritos de animais.

Pode-se usar para esse tipo de fermentação:

esterco bovino, suíno, eqüino, caprino, de aves, esgoto doméstico, vinhoto, plantas herbáceas, rejeitos agrícolas e capim em geral.

Para materiais orgânicos de decomposição lenta como palha ou forragem, indica-se o modelo intermitente.

Resíduos vegetais fibrosos ou que contenham lignina (palhas, casca de arroz, etc) requerem um prétrata mento.

Consiste em triturar o material, ou utilizar substâncias químicas, como NaOHpara facilitar a decomposição antes da entrada no biodigestor.

Subprodutos

Parte sólida que decanta no fundo do tanque Biofertilizante;

Parte líquida efluente mineralizado(tratado).

Os biodigestores são capazes de produzir biofertilizante isento de patógenos,

Biofertilizante

Diminuição do teor de carbono do material;

Aumento no teor de nitrogênio e demais nutrientes, em conseqüência da perda do carbono;

Alta qualidade para uso como fertilizante agrícola;

Maior facilidade de imobilização do biofertilizantepelos microorganismos do solo, devido ao material jáse encontrar em grau avançado de decomposição

Solubilização parcial de alguns nutrientes;

Melhora as qualidades físicas, químicas e biológicas do solo.

Biogás

Éum gás inflamável produzido por microorganismos em fermentação de matérias orgânicas a determinados limites de temperatura, teor de umidade e acidez, em um ambiente impermeável ao ar.

Equivalente a 0,55L de óleo diesel, 0,45L de gás de cozinha ou 1,5kg de lenha.

Pode ser usado em fogões domésticos, combustível para motores de combustão interna, chocadeiras, secadores diversos, geração de energia elétrica, aquecimento.

Fases da decomposição

A decomposição sob condições anaeróbias éfeita em 3 fases:

HIDRÓLISE ENZIMÁTICA ou redução do tamanho das moléculas;

FASE ÁCIDA, produção de ácidos orgânicos; FASE METANOGÊNICA, produção de metano.

• Conversão da matéria orgânica biodegradávele m estado insolúvel(ex.: celulose) emsolúvel;

• Liberação de enzimas pelas bactérias especifica mente parafazero desdobramentodasmoléculas.

•As proteínas, gorduras e os carboidratos solúveis são transformados em ácidos orgânicos • Ácido acético;

• Lático;

• Butílico;

• Propiônico;

• Álcool;

• Hidrogênio;

•As bactérias formadoras de ácidos asseguram que o meio esteja livre de oxigênio, e produzem o alimento básico para as bactérias metanogênicas.

•O acetato, hidrogênio e o CO 2 são transformados em gás metano pelas bactérias metanogênicas.

•Sem essas bactérias o meio se tornaria tão ácido que morreriam inclusive as formadoras de ácidos.

•A velocidade da cadeia de reações élimitada pela formação de microbolhasde metano e dióxido de carbono em torno das bactéria.

•A agitação érecomendável para favorecer o contato direto com a mistura em digestão.

Condições de fermentação

Nenhuma das atividades biológicas (reprodução, metabolismo, etc.) dos microorganismos exigem oxigênio;

A decomposição de matéria orgânica na presença de

O2 produz CO2 (dióxido de carbono), e na ausência do ar (O2 ) produz CH4 (metano).

O Biodigestor deve ser perfeitamente vedado para a produção de metano não ser inibida.

30°C, pesquisas revelam valores de temperatura acima dessa faixa favorecem a produção de biogás.

mudanças bruscas de temperatura afetam a produção.

Condições de fermentação

Nitrogênio, sais orgânicos e principalmente Carbono.

A relação Carbono/Nitrogênio (C/N) deve ser mantida entre 20:1 e 30:1.

Deve situar normalmente em torno de 90% do peso conteúdo total (1:1 ou 1:1,5).

Tanto o excesso quanto a falta de água são prejudiciais.

NaCl, Cu, Cr, NH3, K, Mg, Ni.

São elementos conciliáveis se mantidas abaixo de certas concentrações.

TEMPO DE RETENÇÃO: 35 a 45 dias em geral.

Materiaistóxicos

Materiais de limpeza, detergentes, sabões, desinfetantes, pesticidas, antibióticos, água com cloro, não devem estar presentes no material a ser digerido.

Sais inorgânicos como sódio também podem comprometer a produção de gás.

Deve-se empregar hidróxido de cálcio quando for necessário neutralizar a acidez do biodigestor, no lugar de hidróxido de sódio, pois o cálcio émenos solúvel que o sódio, vindo a precipitar deixando de ser tóxico.

Diluição

Os dejetos colocados na caixa de entrada do sistema devem ter cerca de 8% de material sólido;

Isto evita o entupimento de tubulações;

E contribui para que o processo de fermentação se desenvolva correta mente.

Para isso, o esterco émisturado com água e muito bem homogeneizado, evitando a formação de "pelotas".

1:1 Bovinos

Diluição dejeto:água

Origemdo dejeto

Construção

Geralmente constrói-se osbiodigestores subsuperficialmente.

As bactérias metanogênicassão sensíveis a variação da temperatura durante o dia.

A temperatura do solo épraticamente constante durante o dia, oscilações grandes de temperatura podem afetar a produção do gás.

Tempo de Retenção

Éo intervalo de tempo necessário para que a matéria orgânica seja toda fermentada no biodigestor. Corresponde ao tempo necessário para que toda carga no interior do biodigestor seja substituída.

diamdiaadicionadoVolu me mrbiodigestodoVolu me TRH =

30 Produção de biogás e biofertilizante

50 a 60 Produçãode biofertilizante

10 a 20 Produçãode biogás TRH, diasFinalidade

Características Composição média do biogás obtido de estrume até 1, 5 Gássulfídrico

20 a 40 Gáscarbônico

0,5 a 1 Oxigênio

1 a 3 Hidrogênio

60 a 80 Metano Proporção(%)Gases

700°CTemperatura de Igniç ão

;Energia calorí fica

Produçãode Biogás

Produção de biogás segundo o tipo de matéria orgânica

78 2,25 kg Estercosecode suíno

62 0,18 kg Estercosecode galinha 36 10 kg Estercofresco de bovino

Litros/kg de esterco

Produção diária/animal Matéria orgânica

Obs.: Em média 1 kg de peso VIVO produz 18 g de esterco em 24 horas.

Produçãode Biogás

Quantidade de material para produzir 1 m 3 de biogás

20 Lixo

25 Resíduos agrícolas

12 Estercode suíno

16 Estercosecode galinha

25 Estercofresco de vaca Quantidade(kg) Material

Produ ProduProdu Produç ç ção ãoão ão

A produção do metano começa a se processar depois de 20 dias;

Cresce atéchegar ao máximo na terceira semana, a partir de quando decresce lentamente durante o período de fermentação de cerca de 90 dias.

Na prática costuma-se dimensionar para um período de produção de 5 a 6 semanas.

A produção diária para 1m³de câmara de fermentação éde cerca de 0,6m³de gás.

O material utilizado deve apresentar relação C/N em torno de 30 (30 vezes mais carbono do que nitrogênio).

Havendo excesso de carbono (material celulósico, principalmente serragem), o Biogás tende a possuir elevado teor de CO2 e pouco metano.

O mesmo ocorre se a matéria-prima émuito rica em nitrogenados (urina, sangue, etc.).

Produção

Os excrementos de aves são mais ricos em nitrogênio que os de bovinos.

Ao excretarem as aves eliminam junto a urina, que enriquece as fezes com nitrogênio.

As fezes dos bovinos possuem baixo teor de nitrogênio porque parte dele émetabolizadono próprio rúmen do gado.

Esterco de ruminantes podem ser utilizados como inoculantespor possuírem as bactérias metanogênicas, junto com resíduos vegetais.

Agitação

A eficiência da digestão émelhorada quando se usa um sistema de agitação pelas seguintes razões:

o substrato fica em contato direto com as bactérias, evitando a formação de bolhas isolantes em torno das bactérias; distribui uniformemente a temperatura no interior da câmara de digestão; reduz a formação de lodo na parte superior do digestore deposição de matéria no fundo; distribui uniformemente os produtos intermediários e finais da digestão.

Para que a digestão seja eficiente, énecessário que o pH esteja em torno de 7 e 8 ou seja, que o meio seja neutro ou ligeiramente alcalino.

Caso o meio se torne muito ácido, deve-se suspender sua alimentação por alguns dias, para que as bactérias metanogênicasreduzam a concentração dos ácidos.

1.Reduzir a carga 2.Estabilizar a temperatura 3.Verificar possíveis causas 4.Remover crosta

1. Carga/dia excessiva 2.Substâncias tóxicas 3.Formação de crosta

Meioácido ph < 6

Meio alcalino ph > 9

Tempo Carga inicial de masiada men-te alcalina

SoluçõesCausas possíveisCondição existente

Segurança

Uso do MANÔMETRO: medir a pressão interna, calcular a quantidade aproximada de gás armazenado e zelar pela segurança contra alta pressão.

Não colocar fertilizantes fosfatados, sob condições de ausência de ar (pressurizado) esse material pode produzir fosfina, tóxico e cujo contato életal.

Na utilização de Biogás para queima, acende-se primeiro o fósforo para depois abrir a válvula.

A queima A queimaA queima A queima

Emprego do Biogás como combustível;

Transformação da energia do gás em energia tér mica;

A relação entre o gáseo ar deve permitir a combustão integral;

Quando esta se dá, a chama éforte, de coloração azul claro e o gás emite um assobio.

Se a chama tremer háinsuficiência de ar e co mbustão inco mpleta.

Se for curta, amarela e piscante, indica Biogás insuficiente e ar excessivo.

ModeloChinês

Não éum biodigestor próprio para acúmulo de gás, devido a sua constru ção de cúpula fixa (a área de reserva de gás émenor), sendo mais indicado para produ ção de biofertilizante.

Esque mático Biodigestor Modelo Chinês(PORTES e FLORENTINO, 2006)

ModeloemBatelada ModeloemBatelada

ModeloemBatelada Bateria de Biodigestores e m Batelada

Biodigestores de Vinil

São biodigestores do tipo contínuo;

Modelo canadense;

Campânula de material plástico;

Baixo custo para instalação do biodigestor, jáque não precisa ser feito em alvenaria.

Biodigestores de Vinil Biodigestores de Vinil

Dimensionamento

O projeto consiste em dimensionar um biodigestor para uma família de 5 pessoas numa zona rural no interior do Estado do ES, onde a utilização do biogás seráem:

Cozimento de alimentos:

Uso de 5 lampiões, ligados 4 horas por dia:

Geladeira a gás ligada o dia todo:

Dimensionamento

+ 10% (margem de segurança):

Quantidade de animais necessários para produção dessa quantidade de biogás:

1 animal bovino produz 10kg de esterco fresco por dia, e para cada 1kg de esterco produz-se 36L de biogás, ou 0, 036m³.

Dimensionamento

X------7,1 m³
Y-------197,22kg de esterco

Deve se ter na propriedade 20 animais que irão produzir 200kg de esterco por dia, gerando 7,2 m³de biogás, que supri a quantidade necessária com a margem de segurança. E como a razão de diluição é1:1, gastaremos, também, 200L de água, o que nos dá400L de solução (esterco + água)

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