Biodigestores como oportunidade no manejo de dejetos_OTENIO 26_08_2016_UFV

Biodigestores como oportunidade no manejo de

dejetos

III Workshop de Bioenergia Perspectivas do Setor de Biogás

Apresentação» Introdução;

» Indicadores da viabilidade para montagem e operação de biodigestores;

» Processo de biodigestão;

» Entradas (água e dejetos);

» Biodigestor;

» Biofertilizante;

» Biogás;

» Conjunto moto-gerador;

» Conjunto motor bomba;

» Aspectos bioquímicos;

» Variáveis envolvidas no processo de biodigestão;

» Viabilidade econômica;

Introdução Transformações

Consequências

» Dejetos;

» Mau cheiro;

» Ambiente;

» Emissão de GEE;

Biodigestor é um equipamento utilizado para o processamento de matéria orgânica, como, por exemplo, fezes, urina e sobras da suinocultura. O biodigestor proporciona as condições necessárias para que as bactérias atuem sobre a biomassa para a produção de biogás e biofertilizante.

Biogás: É uma mistura de gases contendo, aproximadamente, 75%de CH4 e 25% de CO2.

Biofertilizante: Matéria orgânica rica em elementos minerais, possuindo grande capacidade de recuperação de solos degradados.

Indicadores da viabilidade da montagem e operação de biodigestores

» Disponibilidade de dejetos e espaço físico a fim de viabilizar a construção do biodigestor;

» Tempo e mão de obra disponível para manejo diário;

» Conhecimento técnico de como utilizar os insumos adquiridos pela biodigestão;

» Disponibilidade de equipamentos para utilização do biogás produzido;

Processo de biodigestão

Esquema do funcionamento de biodigestoresFonte. Hubner (2005)

Água Residuária

Entende-se por água residuária, a água descartada após utilização em diversas atividades ou processos. A produção pecuária gera grande quantidade de água residuária nas diversas etapas do processo.

Quantidade de dejetos produzido pelos animais

ENSMINGER, M. E., OLDFIELD, J.E. , HEINEMANN, W.W. Feeds & Nutr. 2 ed., California: The Ensminger Publishing Company, 1990. p.1544.

BiodigestoresHá dois tipos de biodigestores.

• Descontínuo

• Contínuo

Biodigestores descontínuos» Específico para biomassas de decomposição lenta;

» Recebe carga total, retendo-a até terminar o processo de biodigestão ;

» Ao término do processo, o biodigestor é totalmente esvaziado;

» Para um novo processo, o biodigestor deve ser novamente carregado;

Biodigestores contínuos

» Mais difundido;

» Se adapta a maioria das biomassas;

» Cargas diárias ou periódicas;

» Descarrega o biofertilizante de forma contínua;

» São os sistemas mais difundidos, sendo os modelos chinês e indiano são os mais conhecidos;

Biodigestor modelo chinês

Biodigestor modelo indiano

Biodigestor modelo canadense » Modelo horizontal;

» Caixa de carga em alvenaria e com a largura maior que a profundidade;

» Área maior de exposição do sol Grande produção de biogás;

» Amplamente difundido: é a tecnologia mais utilizada;

» O biogás pode ser enviado para um gasômetro separado;

» A localização do biodigestor é de grande importância, ima vez que afeta o sucesso ou a falha do sistema;

» Deve estar pelo menos entre 30 e 50 metros de distância de qualquer fonte de água para evitar contaminações;

» Deve estar localizado, preferencialmente, em área protegida de ventos frios e onde a temperatura permanece relativamente estável, tentando receber o máximo de energia solar;

Biofertilizante

Possui grande capacidade de recuperar os solos degradados!

Matéria orgânica rica em elementos minerais.

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 fermentada.

Corretor de acidez (pH = 7,5)

Dificulta a multiplicação de fungos não benéficos.

Ação do Biofertilizante no solo

» 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 penetração das raízes;

» 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;

Biogás

O biogás gerado é canalizado e direcionado a um motor/gerador de energia a partir de biogás. A energia elétrica gerada é usada para o funcionamento dos equipamentos utilizados no sistema de produção. A concentração de gás metano produzida pela biodigestão anaeróbia atingiu um pico de 70% no verão a uma temperatura média de 30ºC, sendo a menor concentração de 56%, a aproximadamente, 24ºC.

Características do Biogás

Composição do Biogás:

» O metano é altamente combustível e inflamável, produzindo chama azul-clara e queimando em CO2 e H2O;

» Possui alto poder calorífico;

» Sua qualidade depende do metano presente na mistura, ou seja, quanto maior for a quantidade de metano, melhor será o biogás em termos energéticos;

Fonte: LA FARGE (1979), APPUD COLDEBELLA (2006)

Capacidade de Geração de Biogás

» 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;

Conjunto moto-gerador

Equipado com um quadro de comando para monitorar o seu funcionamento.

Motor originalmente a gasolina/diesel adaptado para o biogás

Gerador de energia elétrica

acoplado

Motor-gerador

Conjunto motor-bomba

Utilizado para o bombeamento dos efluentes líquidos (biofertilizante)

Motor originalmente a gasolina/diesel, convertido para o biogás

Bomba d’água acionada por um motor elétrico

acoplado

Motor-bomba

Fundamentos bioquímicos para a produção de biogás

Hidrólise

As enzimas produzidas pelas bactérias transformam polímeros, como amido e proteínas, em monômeros, como açúcares e aminoácidos.

Acidogênese

Na acidogênese, esses monômeros são transformados em ácidos graxos voláteis (AGV), como ácido butírico e ácido propiônico.

Material orgânico simples

Ácidos orgânicos simples

Acetogênese

Na acetogênese, esses ácidos graxos voláteis são transformados em ácido acético, gás carbônico e hidrogênio gasoso.

Ácidos graxos voláteis

CO2

H2

Ácido acético

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.

AcetatoCO2

H2

METANO

Variáveis envolvidas no processo de biodigestão » Temperatura;

» Tempo de retenção hidráulica

» Teor de sólidos

» Concentração de nutrientes

» Concentração de sólidos voláteis

» Substâncias tóxicas

» pH

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

» 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);

Tempo de retenção hidráulica» 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;

» 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 é de 30 a 45 dias;

» Em algumas situações é possível a existência do biogás logo na primeira semana;

Teor de sólidos

» 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;

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);

Concentração de sólidos voláteis» 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;

Substâncias tóxicas

Podem “contaminar” o esterco, afetando as bactérias envolvidas no processo.

Uso de desinfetantes, antibióticos e bactericidas.

Viabilidade Econômica segundo COLDEBELLA, 2006» Propriedade 1:

» 130 bovinos;

» 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 fertirrigação;

» O biogás é utilizado para produção de energia elétrica, por meio de um conjunto motor-gerador instalado na propriedade;

» Propriedade 2

» 1000 matrizes;

» Biodigestor com 10,5 x 55 x 4,5m de largura, comprimento e profundidade, respectivamente;

» Bioofertilizante é utilizado para fertirrigação;

» O biogas é utilizado para produção de energia elétrica.

Produção de biogás

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)

O sistema de manejo e a quantidade de animais determinam a capacidade de produção de biogás.

» Propriedade 1:

» Propriedade 2:

127,4 m3/biogás/dia.130 Vacas.

0,980 m3/animal/dia de biogás.

933 m3/biogás/dia.1000

Porcas. 0,933 m3/animal/dia de biogás.

Eficiência (%) = (energia produzida kWh/m3 / 6,5 kWh/m3) * 100

1 m3 de biogás equivale a 6,5 kWh

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

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$ 440,00/kW.

Tempo de retorno de investimentoO 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:

» Tempo de operação: 2,5h/dia;

» Implantação do biodigestor: R$ 50.000,00;

» Motor-gerador: R$ 20.000,00;

» Produção de 44 kWh de energia elétrica;

» Propriedade 2:

» Tempo de operação: 10h/dia;

» Implantação do biodigestor: R$ 100.000,00;

» Motor-gerador: R$ 20.000,00;

» Produção de 36 kWh de energia elétrica;

Custo da eletricidade (MWh) para as propriedades, de acordo com o tempo de amortização e tempo de operação do gerador:

Propriedade 1:

Propriedade 2:

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 operação do sistema, menor será o tempo de retorno do investimento.

Para propriedades rurais o custo cobrado gira em torno de R$ 300,00/MWh.

Tempo de retorno do investimento para a propriedade 1.

Tempo de retorno do investimento para a propriedade 2.

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.

1000 su1000 suíínos 2500 kg de estrume por dianos 2500 kg de estrume por dia

ProduProduçãção dio diáária de biogria de biogáás (0,089 ms (0,089 m33/kg estrume) /kg estrume) 225 m225 m33 (7,5 botij(7,5 botijõões de GLP por dia ou 2.737 es de GLP por dia ou 2.737 botijbotijõões por ano, ou seja, R$ 60.225,00) es por ano, ou seja, R$ 60.225,00)

Fertilizante Fertilizante R$ 70.000,00R$ 70.000,00

POTENCIAL PARA 1000 SUPOTENCIAL PARA 1000 SU ÍÍNOSNOS

90.000 kg de carne por 5,5 meses90.000 kg de carne por 5,5 meses

100 vacas 2500 kg de estrume por dia100 vacas 2500 kg de estrume por dia

ProduProduçãção dio diáária de biogria de biogáás s (0,0409 m(0,0409 m33/kg /kg estrume) = 100 mestrume) = 100 m33 (3,33 botij(3,33 botijõões de GLP por dia es de GLP por dia ou 1215 botijou 1215 botijõões por ano, ou seja, R$ 26.730,00) es por ano, ou seja, R$ 26.730,00)

Fertilizante Fertilizante R$ 40.000,00R$ 40.000,00

POTENCIAL PARA 100 VACASPOTENCIAL PARA 100 VACAS

2500 kg de leite por dia2500 kg de leite por dia

Produtividade

Meio Ambiente

Saúde

• Aumento de forragem• Redução de custos energéticos

• 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)

Obrigado marcelo.otenio@embrapa.br