Curso biodigestor OTENIO, M.H. 16 09 2014

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Curso Biodigestor - produção de energia elétrica a partir da biodigestão de dejetos bovinos

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Curso biodigestor OTENIO, M.H. 16 09 2014

  1. 1. MÓDULO I  Introdução ao Biodigestor  Caracterização dos Resíduos
  2. 2. A pesquisa sobre fontes alternativas de energias tem se intensificado em todo planeta, visando diminuir a poluição ambiental.
  3. 3. Os dejetos de animais têm se tornado um norte para as pesquisas no intuito de proteger o meio ambiente da poluição e melhorar a qualidade de vida com os benefícios obtidos do tratamento dos dejetos.
  4. 4. 1. INTRODUÇÃO AO BIODIGESTOR  Conceitos Estrutura destinada a conter a biomassa e seu produto: o BIOGÁS. BIODIGESTOR O biodigestor não produz o biogás, mas proporciona condições adequadas para que as bactérias metanogênicas atuem sobre a biomassa para produção desse combustível.
  5. 5. HÁ DOIS TIPOS DE SISTEMAS: • Contínuo • Descontínuo
  6. 6. Contínuo • Mais difundido; • Se adapta à maioria das biomassas; • Cargas diárias ou periódicas; • Descarrega o biofertilizante de forma contínua.
  7. 7. Descontínuo • Específico para biomassas de decomposição lenta; • Recebe a carga total, retendo-a até terminar o processo de biodigestão; • Ao término do processo, o biodigestor é totalmente esvaziado. • Para novo processo, o biodigestor deve ser recarregado.
  8. 8. O sistema mais difundido é o sistema contínuo, cujos modelos mais conhecidos são o chinês e o indiano, que são muito utilizados no Brasil. (Coldebella, 2006)
  9. 9.  Princípios de Funcionamento BIODIGESTÃO AERÓBIA O processo envolve a oxidação direta de matéria orgânica e de matéria celular biodegradável.  É realizada por diferentes grupos de micro-organismos.
  10. 10. Nos estágios iniciais, os micro-organismos se reproduzem a uma taxa de crescimento populacional logarítmica. Progride a oxidação da matéria orgânica e a taxa de crescimento começa a diminuir. Fontes de carbono orgânico disponível se tornam limitantes, reduzindo a taxa de consumo de oxigênio.
  11. 11. BIODIGESTÃO ANAERÓBIA Biogás e Biofertilizante Matéria Orgânica Bactérias anaeróbias estritas e facultativas decomposição complexa Pode-se converter uma grande quantidade de resíduos, em subprodutos úteis. Mais de 90% da energia disponível por oxidação direta se transforma em metano.
  12. 12. • Promove a geração do biogás; • Permite a reciclagem do efluente; • Alternativa para o tratamento de resíduos; • Permite a redução do potencial poluidor e dos riscos sanitários dos dejetos.
  13. 13. Modelo Indiano
  14. 14. Modelo Chinês
  15. 15. Modelo Canadense • Modelo tipo horizontal; • Caixa de carga em alvenaria e com a largura maior que a profundidade; Grande producã̧o de biogás Área maior de exposicã̧o ao sol • Amplamente difundido: é hoje a tecnologia mais utilizada; • O biogás pode ser enviado para um gasômetro separado.
  16. 16. • Embora apresente a vantagem de ser de fácil construção, possui menor durabilidade.
  17. 17. A localização do biodigestor é de grande importância, uma vez que irá afetar o sucesso ou a falha da operação do sistema. • Deve estar pelo menos de 30 a 50 metros de qualquer fonte de água para evitar a possibilidade de contaminação; • Deve estar localizado preferencialmente em área protegida de ventos frios e onde a temperatura permanece relativamente estável, tentando receber o máximo de energia solar.
  18. 18. 2. CARACTERIZAÇÃO DOS RESÍDUOS Natureza e Bioquímica da Composição da Biomassa Fermentação metanogênica Resíduos orgânicos de origem vegetal, animal, agroindustrial e doméstico. • As características bioquímicas devem permitir o desenvolvimento e a atividade microbiana anaeróbica.
  19. 19. Processo Microbiológico Requer não apenas fontes de carbono e nitrogênio, mas também devem estar presentes um certo equilíbrio de minerais. Substâncias com alto teor de lignina Não são diretamente utilizáveis; devem ser submetidos a tratamentos prévios.
  20. 20. Esterco animal A degradação dependerá principalmente do tipo de animal e do alimento que tenham recebido.
  21. 21. • As fontes de carbono mais utilizadas pelos micro-organismos são os carboidratos e compostos orgânicos, especialmente hexoses, que são degradadas por uma única via. CARBONO: Fonte de energia para as bactérias; NITROGÊNIO: Componente essencial para a formação de novas células bacterianas.
  22. 22. MÓDULO II Histórico da Produção de Biogás Fundamentos Bioquímicos Para Produção de Biogás
  23. 23. 3. HISTÓRICO DA PRODUÇÃO DE BIOGÁS • Há relatos que o biogás já era conhecido há muito tempo, pois a producã̧o do mesmo a partir de resíduos organ̂icos é um processo extremamente antigo; • Comprovacõ̧es históricas mostram que a primeira instalaca̧õ de biodigestores surgiu na segunda metade do século XIX; • Alessandro Volta: pesquisador italiano descobre o gás metano, resultado da decomposicã̧o de restos vegetais em ambientes confinados;
  24. 24. • Em 1939 foi criado na cidade de Kampur, na Índia, o Institute Gobár Gás: criação da primeira usina de gás de esterco. • Esse trabalho pioneiro permitiu a construcã̧o de quase meio milhão de biodigestores na Índia. • A utilizacã̧o do biogás na Índia, como fonte de energia, motivou a China a adotar tal tecnologia a partir de 1958. • Em 1972, a China já possuía aproximadamente 7,2 milhões de biodigestores em atividade.
  25. 25. • Crise energética em 1973: a implantação de biodigestores passou a ser interessante para países ricos e de terceiro mundo. • Guerra fria: Devido a questões militares, surgiu interesse pelo uso de biodigestores. A China temeu que um ataque nuclear impedisse toda e qualquer atividade econom̂ica; • Foram desenvolvidos na época dois modelos diferentes de biodigestor: o modelo chineŝ e o modelo indiano.
  26. 26. • NOS DIAS ATUAIS… • O governo chineŝ considerou viável aperfeico̧ar as técnicas rudimentares de cultivo do solo, com os biodigestores ocupando papel de destaque; • No caso da Índia, a fome e a falta de combustíveis fósseis é que motivaram o desenvolvimento da tecnologia dos biodigestores. • Logo, os chineses priorizam o biofertilizante para producã̧o dos alimentos necessários a sua naca̧õ populosa e indianos focam no biogás para cobrir o imenso déficit de energia.
  27. 27. NO BRASIL… Estudos envolvendo o uso de biodigestores têm sido utilizados em duas principais vertentes: • Tratamento de efluentes; • Uso energético do biogás. Existe uma terceira vertente importante relacionada ao uso do efluente para melhorar a fertilidade de solo e, com isso, aumentar a sustentabilidade do sistema produtivo.
  28. 28. 4. FUNDAMENTOS BIOQUÍMICOS PARA PRODUÇÃO DE BIOGÁS Hidrólise • As enzimas produzidas pelas bactérias transformam polímeros, como amido e proteínas, em monômeros, como açúcares e aminoácidos.
  29. 29. Acidogênese • Na acidogênese, esses monômeros são transformados em ácidos graxos voláteis (AGV), como ácido butírico e ácido propiônico. Material orgânico simples Ácidos orgânicos simples
  30. 30. Acetogênese • Na acetogênese, esses ácidos graxos voláteis são transformados em ácido acético, gás carbônico e hidrogênio gasoso. Ácidos graxos voláteis CO2 H2 Ácido acético
  31. 31. Metanogênese O Ácido acético é transformado em metano e gás carbônico pelas bactérias metanogênicas acetoclásticas e o gás carbônico e o hidrogênio são combinados, formando metano, pelas bactérias metanogênicas hidrogenotróficas. Acetato CO2 H2 METANO
  32. 32.  Micro-organismos envolvidos em cada etapa de digestão anaeróbia • Os micro-organismos envolvidos no processo variará dependendo dos materiais a serem degradados. • Álcoois, ácidos graxos, e os anéis aromáticos podem ser degradados pela respiração anaeróbica. E. coli
  33. 33. Bactérias envolvidas na hidrólise • Bacteroides • Lactobacillus • Propionibacterium • Sphingomonas • Sporobacterium • Megasphaera • Bifidobacterium Lactobacillus sp Gêneros:
  34. 34. Bactérias envolvidas na acidogênese: Paenibacillus Ruminococcus Presentes em todas as fases, Archaeas mas são dominantes na acidogênica.
  35. 35. Bactérias envolvidas na acetogênese: • Estas bactérias só podem sobreviver em simbiose com o gênero que consome hidrogênio; • As bactérias acetogênicas redutoras de sulfato são capazes de degradar o lactato e o etanol, mas não são capazes de degradar os ácidos graxos e compostos aromáticos.
  36. 36. Bactérias envolvidas em metanogênese: As bactérias metanogênicas aparecem na segunda fase da fermentação, porém, a quantidade aumenta fase metanogênica. Principais espécies: • Methanosarcina • Methanobacterium • Methanospirillum hungatii
  37. 37. Fatores que Afetam a Produção de Biogás • Temperatura • Tempo de Retenção Hidráulica • Teor de Sólidos • Concentração de nutrientes • Concentrações de sólidos voláteis • Substâncias tóxicas • pH
  38. 38. Temperatura • A temperatura de operação do digestor, é considerado um dos principais parâmetros, devido à grande influência deste fator na taxa de digestão anaeróbia. • A velocidade da reação depende da velocidade de crescimento dos micro-organismos envolvidos, que por sua vez dependem da temperatura. Aumento da temperatura Velocidade de crescimento de micro-organismos é acelerada Aumento da produção de biogás
  39. 39. • As variações bruscas de temperatura no digestor pode desencadear a desestabilização do processo. • Existem três intervalos de temperatura em que se pode trabalhar com micro-organismos anaeróbicos: Psicrófilos (abaixo de 25 oC) Mesófilos (25 a 45 oC) Termófilos (entre 45 e 65 oC)
  40. 40.  Tempo de Retenção Hidráulica (TRH) • É o tempo necessário para a mistura ser digerida no digestor. • Ocorre quando a produção de gás é máxima, definindo o ponto de melhor qualidade do biogás no processo de biodigestão anaeróbia.
  41. 41. • O tempo de retenção é determinado, num processo contínuo, pela relação entre volume do biodigestor e o volume diário de carga introduzida. • Usualmente, o TRH dura de 30 a 45 dias. • Em algumas situações é possível a existência do biogás logo na primeira semana.
  42. 42.  Teor de Sólido Total • Material residual que fica em uma cápsula após secagem até peso constante em estufa em temperatura elevada (105oC); • Falta de água: pode provocar entupimento na tubulação; • Excesso de água: pode atrapalhar o processo da hidrólise, pois é exigida uma elevada carga de biomassa para que a mesma se processe adequadamente.
  43. 43.  Concentração de Nutrientes • São necessários macro e micronutrientes do processo anaeróbio para a síntese de nova de biomassa; • Deve existir uma relação carbono/nitrogênio mantida entre 20:1 e 30:1. EXCESSO DE NITROGÊNIO: pode levar a redução da produção de biogás, podendo ter como produto final compostos nitrogenados como a amônia ( NH3).
  44. 44.  Concentrações de Sólidos Voláteis (SV) • É a porção de sólidos totais que é liberada de uma amostra, volatilizando-se quando aquecida até peso constante a 600oC. • Os SV contêm componentes orgânicos, que, teoricamente, deveriam ser convertidos em metano.
  45. 45. Substâncias Tóxicas Uso de desinfetantes, antibióticos e bactericidas Podem “contaminar” o esterco, afetando as bactérias envolvidas no processo.
  46. 46. Características do Biogás • O metano é altamente combustível e inflamável, produzindo chama azul-clara e queimando em CO2 e H2O. • Possui alto poder calorífero. Composição do biogás: Fonte: LA FARGE (1979), APPUD COLDEBELLA (2006)
  47. 47. • A qualidade do biogás depende da quantidade de metano na mistura, ou seja, quanto maior for a quantidade de metano, melhor será o biogás em termos energéticos. • O Biogás com um teor de metano entre 50 e 80%, terá um poder calorífico entre 4,95 e 7,92 kWh/m . • A produção inicial do biodigestor contém muito dióxido de carbono (CO2), sendo totalmente inviável sua imediata utilização.
  48. 48.  Capacidade de Geração de Biogás em Função de Diferentes Resíduos • A geração de biogás depende da característica do resíduo, que é o substrato para o crescimento dos micro-organismos. • A dieta dos animais e sistema digestório, interferem na distinção dos resíduos quanto à potencialidade de produção de biogás.
  49. 49. MÓDULO III Viabilidade Econômica dos Biodigestores
  50. 50. 5. VIABILIDADE ECONÔMICA SEGUNDO COLDEBELLA, 2006. Propriedade 1: • 130 bovinos em regime de confinamento; • Biodigestor com 7 x 40 x 3 m de largura, comprimento e profundidade, respectivamente; • O sistema aproveita toda água de lavagem da sala de ordenha e do barracão de confinamento; • O biofertilizante é utilizado para fertirrigacã̧o; • O biogaś é utilizado para producã̧o de energia elétrica, por meio de um conjunto motor-gerador instalado na propriedade.
  51. 51. Propriedade 2: • 1.000 matrizes; • Os dejetos são conduzidos a um biodigestor com 10,5 x 55 x 4,5m de largura, comprimento e profundidade, respectivamente; • Biofertilizante é utilizado para fertirrigação; • Para a produção de energia elétrica, é usado o biogás.
  52. 52. Produção de biogás a partir de resíduos pecuários SV – sólidos voláteis; 1 – chorume diluído com águas de lavagem; 2 – chorume não diluído e sem material constituinte das camas dos animais, diluições podem variar entre 1:0,5 e 1:7, palha para cama entre 1 a 3 kg/animal/dia. (Fonte: Coldebella, 2006)
  53. 53. O sistema de cultivo e a quantidade de animais determinam a capacidade de produção de biogás. 127,4 m3/biogás/dia • Propriedade 1: 130 Vacas 0,980 m3/animal/dia de biogás • Propriedade 2: 933 m3/biogás/dia 1000 Porcas 0,933 m3/animal/dia de biogás
  54. 54. 1 m3 de biogás equivale a 6,5 kWh Eficiência (%) = (energia produzida kWh/m3 / 6,5 kWh/m3) * 100 • A energia produzida kWh/m3 é obtida convertendo-se a potência gerada em HP para kWh. Com essa conversão calcula-se a produção de energia em kWh/m3. 1HP equivale a 0,746 kW
  55. 55. O gasômetro é conectado ao motor-gerador ou motor-bomba, que permanece em funcionamento até que o biogás seja totalmente consumido. A implantação do biodigestor equivale a, aproximadamente, R$ 200,00/suíno e do conjunto motor-gerador cerca de R$ A implantação do biodigestor equivale a, aproximadamente, R$ 200,00/suíno e do conjunto motor-gerador cerca de R$ 440,00/kW. 440,00/kW.
  56. 56.  Conjunto Motor-gerador Motor originalmente a gasolina/diesel adaptado para o biogás acoplado Gerador de energia elétrica Equipado com um quadro de comando para monitorar o seu funcionamento.
  57. 57. Motor-gerador
  58. 58.  O Conjunto Motor-bomba Motor originalmente a gasolina/diesel, convertido para o biogás acoplado Bomba d’água acionada por um motor elétrico Utilizado para o bombeamento dos efluentes líquidos (biofertilizante)
  59. 59. Motor-bomba
  60. 60. • O tempo de retorno do investimento está em função do tempo de operação do equipamento, quanto menor for o tempo de operação, maior será o custo da energia elétrica. Propriedade 1 2,5h/dia Propriedade 2 10h/dia
  61. 61. Propriedade 1 • Implantação do biodigestor: R$ 50.000,00 • Motor-gerador: R$ 20.000,00 • Produção de 44 kWh de energia elétrica Propriedade 2 • Implantação do biodigestor: R$ 100.000,00 • Motor-gerador: R$ 20.000,00 • Produção de 36kWh de energia elétrica
  62. 62.  Custo da eletricidade (MWh) para a propriedade 1 (bovinocultura), de acordo com o tempo de amortização e o tempo de operação do gerador:
  63. 63.  Custo da eletricidade (MWh) para a propriedade 2 (suinocultura), de acordo com o tempo de amortização e tempo de operação do gerador:
  64. 64. • O tempo de retorno deste investimento está relacionado com o valor pago pelo produtor por kWh à concessionária de energia elétrica. • Quanto maior for o tempo diário de operacã̧o do sistema, menor será o tempo de retorno do investimento. • Para propriedades rurais o custo cobrado gira em torno de R$ 300,00/MWh.
  65. 65.  Tempo de retorno do investimento para a propriedade 1.
  66. 66.  Tempo de retorno do investimento para a propriedade 2.
  67. 67. Somando-se a produção de energia elétrica à economia gerada pelo uso do biogás com o sistema de bombeamento para irrigação, reduz o tempo de retorno do investimento.
  68. 68.  Cogeração de Energia Elétrica • É a produção combinada de calor e eletricidade; • Para o motor-gerador, a eficiência de conversão em energia elétrica é relativamente reduzida; • A eficiência varia entre 25% e 38%, em relação à energia inicial presente no biogás; • Geralmente, os motores a diesel apresentam rendimentos de 3 a 5 pontos percentuais a mais que os motores operados a gás.
  69. 69. CCaassoo ddee SSuucceessssoo
  70. 70. MÓDULO IV Análises do Processo Biofertilizante
  71. 71. 6. ANÁLISES DO PROCESSO Teor de Sólido Total Material orgânico Água Sólidos totais Secagem até peso constante A mobilidade das bactérias metanogênicas no substrato é limitada à medida que aumenta o teor de sólidos e, portanto, podem afetar a eficiência e produção de gás.
  72. 72. Teor de Sólidos Não Voláteis • É o resíduo inorgânico que permanece após a queima da matéria orgânica; • Obtidos por calcinação.
  73. 73. Teor de Sólidos Voláteis Sólidos Totais Sólidos Voláteis - = Sólidos Totais Fixos • A dosagem é realizada para caracterização da matéria biodegradável utilizando-se uma mufla. • Quanto maior a quantidade de matéria biodegradável, maior é o potencial de produção do biogás.
  74. 74. Sólidos Sedimentáveis • Representam os sólidos presentes na amostra que podem ser removidos por decantação. • Teste volumétrico.
  75. 75. Análises Físico-químicas • pH • Alcalinidade • Acidez • Temperatura • DBO • DQO • Amônia • Amônio • Nitrito • Nitrato • Cálcio • Fósforo • Magnésio • Potássio
  76. 76. pH • Processo anaeróbio é adversamente afetado por pequenas mudanças nos níveis de pH; • Organismos metanogênicos são mais susceptíveis. Ideal entre 5,5 e 6,5 Bactérias acidogênicas Bactérias metanogênicas Ideal entre 7,8 e 8,2
  77. 77.  Alcalinidade e Acidez Método Titulométrico  Temperatura do Biogás Medição de temperatura deve ser realizada diariamente com auxílio de um termômetro diretamente do gasômetro.
  78. 78.  DBO e DQO Demanda Bioquímica de Oxigênio Oxigênio consumido (mg L-1) após oxidação biológica. Demanda Química de Oxigênio Oxigênio consumido (mg L-1) após oxidação química.
  79. 79.  Análise de Nutrientes • Análises laboratoriais de amônia, amônio, nitrito, nitrato, cálcio, fósforo, magnésio e potássio. Fotômetro de Bancada Multiparâmetro
  80. 80. Análises Microbiológicas • Avaliação quantitativa da recuperação bacteriana após cultura seletiva das amostras do afluente (carga inicial) e efluentes do biodigestor.
  81. 81. EMB
  82. 82. BE com Azida
  83. 83. Com a análise quantitativa, verificou-se a diminuição das populações bacterianas no decorrer da digestão anaeróbia. Este resultado indica a eliminação das bactérias patogênicas dos resíduos, o que permite a redução do potencial poluidor e dos riscos sanitários dos dejetos.
  84. 84.  Análise de Biogás • Composição média do biogás ao longo do tempo; Análise em cromatografia gasosa do biogás produzido a partir de dejetos bovinos.
  85. 85. 7. BIOFERTILIZANTES  Conceito Matéria orgânica rica em elementos minerais. Possui grande capacidade de recuperar os solos degradados!
  86. 86. Composição Básica do Biofertilizante Macro e Micronutrientes Nitrogênio Enxofre Molibdênio Fósforo Sódio Boro Potássio Ferro Cobre Cálcio Cloro Zinco Magnésio Sílica Manganês A composição varia de acordo com a matéria-prima a ser fermentada.
  87. 87. Ação do Biofertilizante no Solo Corretor de acidez (pH = 7,5) Dificulta a multiplicacão de ̧ fungos não benéficos. • Mantém os sais minerais em formas aproveitáveis pelas plantas, evitando que esses sais sejam levados pelas águas; • Melhora a estrutura e a textura, deixando-o mais fácil de ser trabalhado e facilitando a penetracã̧o das raízes.
  88. 88. • Dá firmeza ao solo, de modo que resistam à ação desagregadora da água; • Deixa a terra com estrutura mais porosa, permitindo maior penetração do ar; • Favorece a multiplicação das bactérias, fixando o nitrogênio atmosférico; • Aumenta a produtividade e reduz o perigo de infestações nas lavouras.
  89. 89. 8. VANTAGENS E DESVANTAGENS  Vantagens da tecnologia da biodigestão: • Requer menos espaço que aterros sanitários e compostagem; • Diminui o volume de resíduo a ser descartado; • Reduz o problema de saneamento ambiental com o aproveitamente de dejetos animais e vegetais; • Produção de biofertilizante.
  90. 90. • Reduz significativamente a quantidade emitida de metano na atmosfera; • Constitui uma fonte de renda para propriedades rurais; • Geração de créditos de carbono.
  91. 91. Produtividade • Aumento de forragem • Redução de custos energéticos Meio Ambiente Saúde • Preservação da vegetação local • Melhoria da qualidade do solo • Melhoria da qualidade do ar no ambiente doméstico • Melhoria das condições sanitárias Fonte: adaptado de Instituto WINROCK, (2008)
  92. 92.  Desvantagens da tecnologia da biodigestão: • Variabilidade da produção de biogás em função do clima. • A quantidade de energia gerada pelo biogás não é constante; • Formação de gás sulfídrico, aumentando custos de manutenção devido à corrosão. • Custo de investimento inicial e de manutenção; • Período de retorno do investimento varia com a tecnologia disponível.
  93. 93. Obrigado! marcelo.otenio@embrapa.br (32) 3311-7400

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