Biogás

                     

Tratamento de Resíduos, pecuária Empresa Biogás

                                                  

Definição

O biogás é um dos produtos da decomposição anaeróbia (ausência de oxigênio gasoso) da matéria orgânica, que se dá através da ação de determinadas espécies de bactérias.

O biogás é composto principalmente por metano (CH4) e gás carbônico (CO2) e foi descoberto por Shirley, em 1667. No entanto, foi só um século mais tarde que Volta reconheceu a presença de metano no gás dos pântanos. Já no século XIX, Ulysse Gayon, aluno de Louis Pasteur, realizou a fermentação anaeróbia de uma mistura de estrume e água, a 35ºC, conseguindo obter 100 litros de gás por m3 de matéria. Em 1884, Louis Pasteur, ao apresentar à Academia das Ciências os trabalhos do seu aluno, considerou que esta fermentação podia constituir uma fonte de energia para aquecimento e iluminação, devido a presença de metano, o hidrocarboneto de menor cadeia (1 átomo de carbono), principal componente do gás natural e de elevado poder calorífico.

Atualmente, esse processo vem se difundindo como uma forma de tratamento de resíduos por vários países. A recuperação de energia gerada pelos processos de anaeróbios teve grande impulso com a crise do petróleo onde diversos países buscaram alternativas para a sua substituição. Entretanto, como descreve NOGUEIRA (1986), as soluções para os problemas de desenvolvimento devem ser apropriadas às necessidades, às capacidades e recursos humanos, aos recursos financeiros e à cultura. Assim, o impulso recebido no período de crise não chegou a constituir um sólido movimento de substituição dos recursos não renováveis por outras fontes renováveis.

Inicialmente, o termo biogás estava associado aos diversos nomes atribuídos a ele, como: gás dos pântanos, gás de aterro, gás de digestor e gás da fermentação, entre outros. Atualmente, o termo refere-se, de forma geral, àquele gás formado a partir da degradação anaeróbia da matéria orgânica.

O primeiro documento relatando a coleta de biogás de um processo de digestão anaeróbia ocorreu em uma estação de tratamento de efluentes municipal da Inglaterra, em 1895, sendo que o primeiro estudo de aproveitamento em uma pequena planta, com uso de estrume e outros materiais remontam de 1941, na Índia. Desde então, o processo anaeróbio tem evoluído e se expandido ao tratamento de resíduos industriais, agrícolas e municipais (ROSS et al, 1996).

VILLEN (2001), discorre sobre digestão anaeróbia, salientando que na natureza existem vários ambientes favoráveis ao desenvolvimento desse processo, sendo representados pelos pântanos, estuários, mares e lagos, usinas de carvão e jazidas petrolíferas.

Esses sistemas possuem concentrações baixas de oxigênio, facilitando a ocorrência desse fenômeno. Da observação casual desses ambientes, o ser humano tomou ciência da possibilidade de produzir gás combustível a partir de resíduos orgânicos ao observar a combustão natural desse gás na superfície de regiões pantanosas.

Posteriormente, passou-se a desenvolver e utilizar esse processo fermentativo para o tratamento de esgoto doméstico, objetivando, principalmente, a destruição da matéria orgânica. O gás produzido era destinado à iluminação.

No começo do século XX, ocorreu na Índia e na China, o início do desenvolvimento de digestores para a produção de gás metano a partir de esterco de animais, principalmente bovinos.

Somente a partir de 1960, a digestão anaeróbia passou a ser pesquisada com caráter mais científico, havendo então grandes progressos quanto à compreensão dos fundamentos do processo e também de projetos de digestores e equipamentos auxiliares.

Segundo CHAMBERS & POTTER (2002), a aplicação da digestão anaeróbia na América do Norte encontra-se, predominantemente, nos domínios da estabilização do lodo do esgoto urbano e no tratamento anaeróbio de efluentes industriais e agropecuários

Durante a digestão anaeróbia, a energia química presente na composição orgânica é largamente conservada, principalmente, como metano.

A composição do biogás é difícil de ser definida, pois depende do material orgânico utilizado e do tipo de tratamento anaeróbio que sofre. Contudo, em linhas gerais, o biogás é uma mistura gasosa composta principalmente por:

• Metano (CH4): 50 – 70% do volume de gás produzido.
• Dióxido de carbono (gás carbônico, CO2): 25 – 50% do volume de gás produzido.
• e traços de outros gases:

  • Hidrogênio (H2): 0 – 1% do volume.
  • Gás sulfídrico (H2S): 0 – 3% do volume.
  • Oxigênio (O2): 0 – 2% do volume.
  • Amoníaco (NH3): 0 – 1% do volume.
  • Nitrogênio (N2): 0 - 7% do volume.

  Fundamentos

  
  

  
  

  A digestão anaeróbia é um processo fermentativo em que matéria orgânica complexa é degradada a compostos mais simples. A degradação ocorre através da ação de diversos grupos de microorganismos que interagem simultaneamente, até a formação dos produtos finais, metano e gás carbônico.

  
  

  
  

  Na ausência de oxigênio ou de agentes oxidantes fortes como o sulfato, nitrato e enxofre, a degradação anaeróbia da matéria orgânica até a formação de metano, envolve três etapas: hidrólise e fermentação, acetogênese e metanogenêse.

  
  

  Na primeira etapa, a matéria orgânica complexa como policarbohidratos, proteínas e lipídeos é hidrolisada e fermentada por bactérias hidrolíticas fermentativas a compostos orgânicos simples como aminoácidos, açúcares, ácidos graxos e álcoois.

  
  

  Na segunda etapa, os produtos metabólicos do primeiro grupo são então convertidos a acetado e hidrogênio pelas bactérias acetogênicas sintróficas associadas às bactérias utilizadoras de hidrogênio.

  
  

  Na terceira etapa, bactérias metanogênicas convertem acetato, formiato, hidrogênio, etc., a metano e dióxido de carbono.

  
  

  O passo limitante, do processo é a metanogênese pois as bactérias responsáveis, por essa etapa são as mais lentas e mais sensíveis às variações do meio. O bom desempenho do processo depende da manutenção do equilíbrio entre as populações microbianas envolvidas.

     Figura 1 - Representação esquemática da Digestão Anaeróbia em três etapas 

  
  

  
  

  Produção

  
  

  O rendimento e a velocidade da digestão anaeróbia dependem de três grupos de fatores: os relativos as características do reator, às características do resíduo a ser digerido e à forma de operação do reator. A influência de fatores na digestão anaeróbia e consequentemente na produção de biogás, estão descritos em “Fatores que influenciam a Digestão Anaeróbia”. (Souza, Marcos E. artigo publicado na Revista DAE, Vol. 44, N° 137 págs. 88 a 94. 1984).

  
  

  
  

  REATORES ANAERÓBIOS

  
  

  A digestão anaeróbia ocorre em diversos ecossistemas naturais, como no rumem de bovinos e em sedimentos aquáticos de lagos de águas doces ou salgadas. Com o intuito de reproduzir esses fenômenos naturais de forma compacta foram criados os ecossistemas artificiais. Estes consistem das lagoas e dos reatores anaeróbios.

  
  

  Inicialmente os reatores anaeróbios foram concebidos para tratar resíduos semi-sólidos como estrume de animais, lixo doméstico e para a estabilização de lodos provenientes dos tratamentos primários e secundário de efluentes. Esses reatores se constituem de tanques simples, sem recirculação de lodo com ou sem agitação. Seus tempos de retenção variam de 15 a 60 dias. São chamados de reatores convencionais, de baixa taxa.

  
  

  A partir da década de setenta surgiu uma nova concepção de reatores anaeróbios para tratamento de efluentes líquidos. Eles se baseiam no princípio de acúmulo de biomassa dentro do reator, pela sua retenção ou recirculação. Assim o tempo de retenção do líquido é diferente e independente do tempo de retenção do lodo, possibilitando o tratamento de efluentes a tempos de retenção hidráulica reduzidos (3 horas a 5 dias). São os reatores de alta taxa. Alguns dos tipos principais estão representados na Figura 2.

  
  

  O reator anaeróbio de fluxo ascendente e manto de lodo retêm biomassa através de um decantador localizado no topo do reator e os gases são separados por defletores localizados na base dos decantadores. É hoje um dos reatores mais utilizados. Se destaca pela sua simplicidade e a não necessidade de material de enchimento. Foi um dos primeiros reatores a atingir altas taxas de aplicação de matéria orgânica, após o reator de contato e o filtro anaeróbio, despertando grande interesse nas pesquisas por novos reatores anaeróbios.

  
  

  Os reatores anaeróbios de contato retêm biomassa através de sedimentação e retomo do lodo. Para se lograr a sedimentação dos sólidos é necessário um decantador e desgaslificador.

  
  

  Os filtros anaeróbios possibilitam o acúmulo de biomassa, através de um leito fixo. O material de enchimento é o responsável pela retenção do lodo por agregação e também por sedimentação. A maioria desses filtros têm fluxo ascendente mas existem também filtros anaeróbios de fluxo descendente.

  
  

  O reator de leito fluidizado utiliza material de enchimento inerte, como areia por exemplo, que agrega biomassa. Esta se mantém fluidizada através da velocidade ascencional do líquido. Esses reatores requerem um bom controle operacional.

  Figura 2a - Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente

  Figura 2b - Digestor Anaeróbio de Contato

  Figura 2c - Filtro Anaeróbio

  
  

  Figura 2d - Reator de Leito Fluidizado

  
  

  Figura 2 - Tipos de reatores 

  1 - CONDIÇÕES PARA UTILIZAÇÃO DE REATORES ANAERÓBIOS DE ALTA TAXA PARA TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS

  
  

  Para utilização dos reatores anaeróbios de alta taxa, algumas características da água residuária devem ser consideradas, caso contrário, o rendimento do processo poderá ser muito baixo ou nulo. Existem várias alternativas para se adequar a água residuária às condições ideais para se efetuar seu tratamento em reatores anaeróbios de alta taxa.

  
  

  A seguir, são descritas essas características e os principais métodos utilizados para adequação às condições ideais:

  TEMPERATURA

  
  

  O processo pode ocorrer, na faixa mesofílica entre 15ºC e 40ºC. Taxas de velocidade maiores são atingidas entre 30ºC e 40ºC. Também nas faixas psicrofílica e termofílica pode-se efetuar a digestão anaeróbia, mas ainda são requeridos estudos para sua aplicação em escala real.

  
  

  
  

  
  

  ADEQUAÇÃO ÀS CONDIÇÕES IDEAIS

  
  

  
  

  De acordo com a faixa de temperatura a ser efetuada a digestão e com a temperatura ambiente, pode ser necessária a adoção de sistemas de controle de temperatura.

  pH

  
  

  O pH deve ser mantido próximo da faixa ótima para as bactérias metanogênicas (6,8 a 7,2).

  
  

  O efeito tampão do meio em digestão favorece a manutenção do pH nesta faixa.

  
  

  ADEQUAÇÃO ÀS CONDIÇÕES IDEAIS

  
  

  Em alguns casos pode ser necessária a adição de soda, cal ou bicarbonato para ajuste do pH.

  
  

  CONCENTRAÇÃO DE MATÉRIA ORGÂNICA

  
  

  Os reatores anaeróbios de alta taxa podem tratar efluentes com Demanda Química de Oxigênio (DOO) tão baixa quanto 0,1 Kg DQO/m3 (por exemplo, esgoto doméstico) ou tão alta quanto 20 Kg DQO/m3 (por exemplo, vinhaça).

  
  

  No entanto, variações bruscas na DQO da água residuária podem ser prejudiciais ao processo.

  
  

  ADEQUAÇÃO ÀS CONDIÇÕES IDEAIS

  
  

  Para minimizar os problemas de variações bruscas na DQO, tanques de equalização têm sido utilizados. Estes atuam também como tanques de acidificação de acordo com o tempo de detenção empregado. Esta é uma boa solução para águas residuárias complexas de difícil degradação.

  
  

  Em algumas situações pode ser conveniente efetuar-se a diluição da água residuária a ser tratada.

  
  

  Ela pode ser efetuada através da reciclagem do efluente ou também através da junção com outros efluentes por exemplo, águas de lavagem ou esgotos domésticos.

  
  

  NUTRIENTES

  Para que ocorra a biodegradação, além da presença de traços de elementos, a água residuária deve conter nitrogênio e fósforo nas seguintes proporções: DQO: N: P:: 350: 5: 1.

  
  

  
  

  
  

  ADEQUAÇÃO ÀS CONDIÇÕES IDEAIS

  
  

  Para atingir as proporções ideais de nutrientes, pode ser necessária a adição de nitrogênio e/ou fósforo. Costuma-se adicionar uréia ((CO(NH2)2) ou fosfato de amônio ((NH4)3PO4).

  
  

  
  

  Também a junção com esgotos domésticos, que são ricos em nutrientes, pode suprir esta necessidade ao mesmo tempo em que se efetua sua diluição.

  
  

  COMPOSTOS TÓXICOS E/OU INIBIDORES

  
  

  Deve-se, também, atentar para a presença de compostos tóxicos à digestão anaeróbia, que podem prejudicar sensivelmente e até impedir a aplicação do processo, caso ocorram concentrações que excedam os limites de tolerância de compostos tais como: metais pesados, metais alcalinos e alcalino terrosos, cianetos, fenóis, cloretos, nitratos, oxigênio e especialmente sulfatos e sulfetos, cuja presença é freqüente em águas residuárias industriais.

  
  

  ADEQUAÇÃO ÀS CONDIÇÕES IDEAIS

  
  

  Diversas possibilidades podem ser empregadas para se evitar o efeito tóxico ou inibidor de substâncias. As principais são:

  
  

  • precipitação através da adição de compostos químicos, eliminando a forma solúvel do composto tóxico;

  • diluição, diminuindo a concentração do composto tóxico.

  
  

  
  

  
  

  CONCENTRAÇÃO DE SÓLIDOS EM SUSPENSÃO (SS)

  
  

  
  

  Com exceção do reator de contato, os reatores anaeróbios de alta taxa, sobretudo os filtros anaeróbios, reatores UASB e reatores híbridos destes dois, foram concebidos para o tratamento de águas residuárias líquidas. Aconselha-se então sua aplicação para águas residuárias com baixas concentrações de sólidos em suspensão. Não existe um valor estabelecido para este limite. Além disso, é cada vez maior a aplicação desses reatores também para concentrações entre 1,0 e 20 Kg de SS/m3 (resíduos de alta concentração de matéria orgânica). Para os filtros anaeróbios de fluxo ascendente recomenda-se limites de até 10% de matéria orgânica.

  
  

  Os reatores UASB podem ser utilizados para concentrações de SS um pouco mais altos, de aproximadamente 50% de matéria orgânica (Souza, 1986).

  
  

  O mesmo pode-se prever para reatores híbridos.

  
  

  Dependendo de outras condições, os reatores UASB podem ser aplicados para concentrações de SS ainda mais altos (Lettinga, 1990).

  
  

  Alguns tipos de reatores suportam maiores concentrações de sólidos em suspensão, como os filtros anaeróbios de fluxo descendente (Kennedy, 1990) (Young, 1990) e o reator de contato (Nahla, 1990). Os reatores de leito fluidizado que necessariamente requerem recuperação dos sólidos do efluente, também podem receber maiores cargas de sólidos na alimentação. (Iza, 1990).

  
  

  Quando for necessária a diminuição da concentração dos sólidos em suspensão da água residuária pode-se lançar mão dos seguintes tipos de pré-tratamento de acordo com a qualidade dos sólidos presentes:

  
  

  • gradeamento

  • peneiramento

  • decantação

  • flotação

  • hidrólise

  
  

  Esta última pode ser efetuada para obter-se liquefação parcial dos sólidos presentes.

  
  

  
  

  
  

  2 - TIPOS DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS MAIS HABITUALMENTE EMPREGADAS PARA O TRATAMENTO COM REATORES ANAERÓBIOS DE ALTA TAXA

  
  

  
  

  Estes reatores anaeróbios de alta taxa têm sido bastante empregados no tratamento de águas residuárias originárias da agroindústria, tais como, o processamento de alimentos e bebidas, processos fermentativos e indústria de papel e celulose. Outros resíduos de origem orgânica da indústria farmacêutica e química, também podem ser tratados por este processo desde que sejam biodegradáveis anaerobiamente.

  
  

  O esgoto doméstico também se mostrou apropriado para o tratamento anaeróbio em reatores de alta taxa.

  
  

  Os principais tipos de águas residuárias industriais que vêm sendo tratados por estes reatores são descritos abaixo:

  
  

  • processamento de amido de batata;

  • processamento de amido de milho;

  • processamento de crustáceos e peixes;

  • processamento de batata;

  • processamento de milho;

  • processamento de levedura, fermento;

  • processamento de ovos;

  • produção de açúcar;

  • produção de álcool;

  • produção de celulose e papel;

  •· produção de vinhos;

  • produção de cervejas;

  • produção de refrigerantes;

  • produção de sucos cítricos;

  • produção de laticínios;

  • produção de enlatados e conservas;

  • produção de ácidos orgânicos; e

  • matadouros.

  
  

  3 - PREMISSAS IMPORTANTES PARA O DIMENSIONAMENTO DE REATORES

  
  

  Considerando os fatores relativos à água residuária, até aqui abordados, que têm influência significativa na aplicação de reatores anaeróbios de alta taxa, outras considerações são importantes, para se efetuar o projeto de um reator:

  
  

  • execução da caracterização da água residuária e

  • execução de testes de biodegradabilidade.

  
  

  Eles ajudam na detecção de problemas na partida e compostos tóxicos ou inibidores, além de fornecer dados para um melhor projeto e operação do sistema.

  
  

  • adoção de soluções integradas com o sistema de produção;

  • podem ser sugeridas a separação de algumas linhas de efluentes contendo compostos tóxicos ou também a combinação com outras linhas de águas residuárias, por exemplo de esgotos dométicos, para suprir deficiências em nutrientes e fornecer diluição do resíduo; e

  • execução do projeto e operação do sistema em escala piloto.

  
  

  4 - PRINCIPAIS PARÂMETROS PARA PROJETO DE REATORES UASB

  O reator UASB é um tanque com parâmetros de projetos bem definidos. Um decantador com defletor de gases na sua parte superior fornece a separação dos sólidos, líquidos e gases. Condições hidráulicas impostas através destes parâmetros, levam à formação de um lodo com muito boas características de sedimentação e alta atividade metanogênica, favorecendo a retenção da biomassa no seu interior.

  
  

  Uma importante vantagem deste reator é que não são requeridos materiais sofisticados ou equipamentos eletromecânicos e nem mesmo material de enchimento.

  
  

  Por estas mesmas razões é importante, para esses reatores, um cuidadoso dimensionamento de cada parâmetro de projeto que afeta o movimento sólido/líquido/gás dentro do reator.

  
  

  Fonte : http://homologa.ambiente.sp.gov.br/biogas/default.asp