Aula 1 - Conceitos básicos de digestão anaeróbia

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<p>FUNDAMENTOS DO BIOGÁS</p><p>Conceitos básicos e digestão anaeróbia</p><p>Projeto “Programa de Capacitação” (GEF Biogás Brasil)</p><p>Este documento está sob licença Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives</p><p>4.0 International License.</p><p>O GEF Biogás Brasil permite a citação deste material, desde que a fonte seja citada.</p><p>Contato: contato@gefbiogas.org.br</p><p>COMITÊ DIRETOR DO PROJETO</p><p>Global Environment Facility</p><p>Organização das Nações Unidas para o</p><p>Desenvolvimento Industrial</p><p>Ministério da Ciência, Tecnologia,</p><p>Inovações e Comunicações</p><p>Ministério da Agricultura, Pecuária e</p><p>Abastecimento</p><p>Ministério de Minas e Energia</p><p>Ministério do Meio Ambiente</p><p>Centro Internacional de Energias</p><p>Renováveis</p><p>Itaipu Binacional</p><p>PARCEIROS</p><p>Serviço Brasileiro de Apoio às Micro e</p><p>Pequenas Empresas</p><p>Associação Brasileira de Biogás</p><p>Nome do produto:</p><p>Fundamentos do Biogás</p><p>Componente Output e Outcome:</p><p>Componente 2.1.4</p><p>Elaborado por:</p><p>Centro Internacional de Energias Renováveis –</p><p>CIBiogás</p><p>Organização das Nações Unidas para o</p><p>Desenvolvimento Industrial - UNIDO</p><p>Colaboraram para a realização deste documento:</p><p>Eliana Mira de Bona</p><p>Jessica Yuki de Lima Mito</p><p>Leidiane Ferronato Mariani</p><p>Leonardo Pereira Lins</p><p>Coordenador do documento:</p><p>Felipe Souza Marques</p><p>Revisão pedagógica:</p><p>Iara Bethania Rial Rosa</p><p>Data da publicação:</p><p>Foz do Iguaçu, maio/2020</p><p>FICHA TÉCNICA</p><p>mailto:contato@gefbiogas.org.br</p><p>O Projeto “Aplicações do Biogás na</p><p>Agroindústria Brasileira” (GEF Biogás Brasil)</p><p>reúne o esforço coletivo de organismos</p><p>internacionais, instituições privadas,</p><p>entidades setoriais e do Governo Federal em</p><p>prol da diversificação da geração de energia</p><p>e de combustível no Brasil. A iniciativa é</p><p>implementada pela Organização das Nações</p><p>Unidas para o Desenvolvimento Industrial</p><p>(UNIDO) e conta com o Ministério da Ciência,</p><p>Tecnologia, Inovações e Comunicações</p><p>(MCTIC) como instituição líder no âmbito</p><p>nacional. O objetivo principal é reduzir a</p><p>dependência nacional de combustíveis</p><p>fósseis através da produção de biogás e</p><p>biometano, fortalecendo as cadeias de valor</p><p>e de inovação tecnológica no setor.</p><p>A conversão dos resíduos orgânicos</p><p>provenientes da agroindústria e de</p><p>empreendimentos diversos, muitas vezes</p><p>descartados de forma insustentável, pode se</p><p>tornar um diferencial competitivo para a</p><p>economia brasileira, além de reduzir a</p><p>emissão de gases de efeito estufa nocivos à</p><p>camada de ozônio e ao meio ambiente.</p><p>O biogás e o biometano podem ser utilizados</p><p>para a geração de energia elétrica, energia</p><p>térmica ou combustível renovável para</p><p>veículos, e seu processamento resulta em</p><p>biofertilizantes de alta qualidade para uso</p><p>agrícola. Os benefícios se estendem tanto ao</p><p>pequeno produtor agrícola, que reduz os</p><p>custos de sua atividade com o</p><p>reaproveitamento de resíduos orgânicos,</p><p>quanto ao desenvolvimento econômico</p><p>nacional, já que um setor produtivo mais</p><p>eficiente ganha competitividade frente à</p><p>concorrência internacional. Indústrias de</p><p>equipamentos e serviços, concessionárias de</p><p>energia e de gás, produtores rurais e</p><p>administrações municipais estão entre os</p><p>beneficiários diretos do projeto, que conta</p><p>com US $ 7,828,000 em investimentos</p><p>diretos.</p><p>Com abordagem inicial na região Sul do</p><p>Brasil, em especial no oeste do estado do</p><p>Paraná, a iniciativa pretende impactar todo o</p><p>país. Entre seus resultados previstos estão a</p><p>compilação e a divulgação de dados</p><p>completos e atualizados sobre o setor, a</p><p>oferta de serviços e recursos para</p><p>capacitação técnica e profissional, a criação</p><p>de modelos de negócio e de pacotes</p><p>tecnológicos inovadores, a produção de</p><p>Unidades de Demonstração seguindo</p><p>padrões internacionais, a disponibilização de</p><p>serviços financeiros específicos para o setor,</p><p>a ampliação da oferta energética brasileira, e</p><p>articulações indispensáveis entre a alta</p><p>gestão governamental e entidades setoriais</p><p>para a modernização da regulamentação e</p><p>das políticas públicas em torno do tema,</p><p>deixando um legado positivo para o país.</p><p>APRESENTAÇÃO</p><p>FUNDAMENTOS DO BIOGÁS</p><p>Aula 1 – Conceitos básicos e digestão anaeróbia</p><p>Data da Publicação:</p><p>Maio 2020</p><p>Sumário</p><p>1. INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 11</p><p>2. CONCEITOS GERAIS SOBRE O BIOGÁS ..................................................................... 11</p><p>2.1. História do biogás ........................................................................................................ 14</p><p>2.2. Processo de produção e aproveitamento energético do biogás ................................ 18</p><p>3. DIGESTÃO ANAERÓBIA ............................................................................................ 19</p><p>3.1. Caracterização dos substratos e potencial de produção de biogás ............................ 21</p><p>3.2. Processo de biodigestão anaeróbia ............................................................................ 24</p><p>3.3. Pré-tratamento do substrato ...................................................................................... 25</p><p>3.3.1. Separação de sólidos e mistura do substrato ..................................................... 25</p><p>3.3.2. Trituração de substrato ....................................................................................... 27</p><p>3.3.3. Aquecimento do substrato .................................................................................. 28</p><p>3.4. Tecnologias de digestão anaeróbia para produção de biogás .................................... 29</p><p>3.4.1. Regime de alimentação ....................................................................................... 30</p><p>3.4.2. Classificação dos biodigestores por tecnologias ................................................. 30</p><p>3.4.3. Classificação dos biodigestores por porte ........................................................... 44</p><p>3.4.4. Eficiência das tecnologias na produção de biogás .............................................. 46</p><p>3.4.5. Aterros sanitários ................................................................................................ 50</p><p>4. CONSIDERAÇÕES FINAIS .......................................................................................... 52</p><p>5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................... 53</p><p>Lista de Figuras</p><p>FIGURA 1 - BIODIGESTOR MODELO LAGOA COBERTA – APLICADO NO TRATAMENTO DE</p><p>EFLUENTES DA SUINOCULTURA NO SUL DO BRASIL. ........................................................... 13</p><p>FIGURA 2 - BIODIGESTOR MODELO INDIANO – APLICADO AO USO DOMÉSTICO NO</p><p>NORDESTE DO BRASIL. ................................................................................................................ 14</p><p>FIGURA 3 - BIODIGESTOR MODELO CSTR (REATOR TANQUE-AGITADO CONTÍNUO) -</p><p>APLICADO NA UNIDADE DE DEMONSTRAÇÃO ITAIPU (FOZ DO IGUAÇU, PR). ................ 14</p><p>FIGURA 4 - CADEIA DE PRODUÇÃO E USO DO BIOGÁS .................................................................. 18</p><p>FIGURA 5 - DIAGRAMA DA CADEIA PRODUTIVA DE BIOGÁS ......................................................... 19</p><p>FIGURA 6 - VANTAGENS E DESVANTAGENS DO PROCESSO ANAERÓBIO EM RELAÇÃO AO</p><p>AERÓBIO. ........................................................................................................................................ 20</p><p>FIGURA 7 - ETAPAS DA DIGESTÃO ANAERÓBIA ................................................................................ 24</p><p>FIGURA 8 - CONJUNTO DE TELAS UTILIZADAS PARA SEPRAÇÃO DE SÓLIDOS GROSSEIROS</p><p>do</p><p>efluente líquido e pela demanda por fertilizante.</p><p>3.4.5. Aterros sanitários</p><p>Os aterros sanitários (Figuras 28 e 29) são locais em que os resíduos sólidos</p><p>urbanos (RSU) são armazenados. Diferem dos lixões por terem impermeabilização</p><p>do solo, cobertura para redução de odores e captura dos gases produzidos.</p><p>Apesar de haver vários tipos de materiais além dos resíduos orgânicos, os</p><p>aterros produzem biogás por serem um ambiente anaeróbio.</p><p>O biogás de aterro possui uma menor concentração de metano (CH4) em</p><p>relação ao biogás produzido em biodigestores, sendo composto,</p><p>aproximadamente, por 45% de CO2 (dióxido de carbono), 50% de CH4 (metano), e o</p><p>restante por 3% de N2 (nitrogênio), 1% de O2 (oxigênio) e 1% de outros gases (LEONE,</p><p>2003).</p><p>Figura 28 - Esquema de aterro sanitário</p><p>Fonte: ABIDES (2016).</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>51</p><p>Figura 29 - Foto de aterro sanitário</p><p>Fonte: Blog da Engenharia (2014).</p><p>Devido à presença de altas concentrações de componentes que demandam</p><p>um tratamento mais avançado e, assim, tornam o processo mais custoso, o biogás</p><p>gerado nesses locais é normalmente queimados em flares no próprio aterro.</p><p>Os fatores que influenciam diretamente a produção de biogás aterros estão</p><p>relacionados ao tipo e quantidade de lixo depositado, à temperatura e ao índice de</p><p>pluviosidade no local, ao teor de umidade na massa de lixo, ao grau de compactação</p><p>do lixo, à forma construtiva do aterro, especialmente quanto à espessura e material</p><p>utilizado na cobertura do lixo, à idade do aterro e à pressão barométrica (CHESF,</p><p>1987).</p><p>Muitos especialistas não consideram os aterros como uma tecnologia</p><p>adequada para a produção do biogás e muitas vezes não tratam desse assunto</p><p>quando se fala de digestão anaeróbia.</p><p>A questão é que, a partir do momento em que o resíduo orgânico é</p><p>depositado em um aterro sanitário, o seu uso após o tratamento e como um</p><p>biofertilizante, torna-se impossível. Assim, esses resíduos passam a ocupar um</p><p>espaço sem poder ser reaproveitados.</p><p>Em países desenvolvidos, a separação dos resíduos orgânicos é mais efetiva</p><p>e estes são destinados ao processo de tratamento em biodigestores de mistura</p><p>completa ou via seca. Porém, em países em desenvolvimento, diversos fatores</p><p>dificultam a separação e destinação dos resíduos orgânicos das áreas urbanas para</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>52</p><p>a digestão anaeróbia, tornando o aterro sanitário uma opção mais barata e</p><p>acessível.</p><p>Assim, mesmo que os aterros não sejam a melhor solução para os RSU</p><p>devido as outras opções sustentáveis existentes, há muitos operando nos países em</p><p>desenvolvimento, e o uso energético do biogás produzido pode garantir sua</p><p>sustentabilidade financeira e evitar que o RSU seja destinado a lixões, causando</p><p>maior impacto ambiental.</p><p>Nas próximas aulas, veremos sobre as características, aplicação e</p><p>tratamento do biogás para uso energético. Além disso, aprenderemos sobre o</p><p>digestato e suas propriedades para aplicação no solo.</p><p>4. CONSIDERAÇÕES FINAIS</p><p>Nesta aula foi possível iniciar o aprendizado sobre o processo de produção</p><p>e aproveitamento energético do biogás, analisando os conceitos gerais, contexto</p><p>histórico, caracterização dos substratos, dados sobre potencial de produção do</p><p>biogás, processo de biodigestão anaeróbia e pré-tratamento do substrato.</p><p>Na próxima aula, para darmos continuidade ao estudo, estudaremos sobre</p><p>as características do gás produzido na biodigestão, os tratamentos que o biogás</p><p>necessita para ser utilizado, como também do biometano, e as aplicações</p><p>energéticas de ambos os gases. Além disso, serão apresentadas informações sobre</p><p>o digestato e sua aplicação para fertilização do solo.</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>53</p><p>5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS</p><p>ABIDES. Aterro sanitário no Ceará começa a produzir biogás gerado pelo</p><p>lixo. 2016. Disponível em: <http://abides.org.br/aterro-sanitario-no-ceara-comeca-</p><p>a-produzir-biogas-gerado-pelo-lixo/>. Acesso em: 02 de outubro de 2017.</p><p>BLOG DA ENGENHARIA. Biogás de aterros sanitários: o potencial</p><p>energético dos resíduos. 2014. Disponível em:</p><p><https://blogdaengenharia.com/biogas-de-aterros-sanitarios-o-potencial-</p><p>energetico-dos-residuos/>. Acesso em: 23 de setembro de 2017.</p><p>BMELV. Guia Prático do Biogás: Geração e Utilização. Ed. 5. 2010.</p><p>Disponível em: <http://web-resol.org/cartilhas/giz_-</p><p>_guia_pratico_do_biogas_final.pdf> Acesso em 20 de setembro de 2010.</p><p>Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaf, 2004. CAMPOS, J. R. (1999).</p><p>Tratamento de esgotos sanitários por processo anaeróbio e disposição</p><p>controlada no solo. Projeto PROSAB. Rio de Janeiro: ABES.</p><p>CASTANHO, D. S.; ARRUDA, H. J. Biodigestores. In: semana de tecnologia em</p><p>alimentos. Ponta Grossa: UTFPR, 2008.Cantrell et al. (2008).</p><p>CHERNICHARO, C. Reatores anaeróbios. Belo Horizonte: UFMG, 2008.</p><p>CHESF - Companhia Hidroelétrica de São Francisco, 1987, Resíduos Sólidos</p><p>Urbanos (Lixo). Departamento de Engenharia de Geração / Div.de Tecnologia</p><p>de Energia. Inventário de Fontes Energéticas Brasileiras. Vol.II:</p><p>Tecnologias. Rio de Janeiro, 1987.</p><p>CIBiogas. UD Itaipu. 2017. Disponível em: https://www.cibiogas.org/file/ud-</p><p>cibiog%C3%A1s-foto-marcos-labanca-24jpg-0</p><p>CIENTÍFICA UnC/EMBRAPA, 1., 2007, Concórdia. Anais. Concórdia: Unc : Embrapa</p><p>Suínos e Aves, 2007.</p><p>COSTA, R.; KUNZ, A. Partida e operação de reator UASB em escala de</p><p>bancada para remoção de carga orgânica em dejetos de suínos. In:</p><p>JORNADA DE INICIAÇÃO</p><p>Curso de Operacionalização de Biodigestores. (2016). CIBiogás.</p><p>ECOINDUS. Se inicia la construcción de uno de los proyectos de biogás</p><p>más innovadores de australia. 10 de Novembro de 2015. Disponível:</p><p><http://www.ecoindus.com/noticias/se-inicia-la-construccion-de-uno-de-los</p><p>http://web-resol.org/cartilhas/giz_-_guia_pratico_do_biogas_final.pdf</p><p>http://web-resol.org/cartilhas/giz_-_guia_pratico_do_biogas_final.pdf</p><p>https://www.cibiogas.org/file/ud-cibiog%C3%A1s-foto-marcos-labanca-24jpg-0</p><p>https://www.cibiogas.org/file/ud-cibiog%C3%A1s-foto-marcos-labanca-24jpg-0</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>54</p><p>proyectos-de-biogas-mas-innovadores-de-australia/927>. Acesso em: 24 de</p><p>Setembro de 2017.</p><p>Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR). Guide to Biogas – From</p><p>production to use. Germany, 2010.</p><p>Handreichung Biogasnutzung, Institut für Energetik und Umwelt GmbH. BVA</p><p>JIE – Jornar de Itaipu Eletrônico. Marechal Rondon ganhará a primeira filial da</p><p>incubadora de empresas do PTI. 21 de 01 de 2016. Disponível em:</p><p><http://jie.itaipu.gov.br/conte%C3%BAdo/marechal-rondon-ganhar%C3%A1-</p><p>primeira-filial-da-incubadora-de-empresas-do-pti>. Acesso em: 24 de 09 de 2017.</p><p>JUNQUEIRA, S. L. C. D. Geração de energia através de biogás proveniente</p><p>de esterco bovino: estudo de caso na fazenda aterrado. Rio de Janeiro:</p><p>UFRJ, 2014. Disponível em:</p><p><monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10011533.pdf>. Acesso em:</p><p>19 de Maio de 2018.</p><p>KTBL - Kuratorium fur Technik und Bauwesen in der Landwirtschalt (Association for</p><p>Technology and Structures in Agriculture). Online European Feedstock Atlas basis</p><p>version. 2016. Disponível em: <http://daten.ktbl.de/euagrobiogasbasis>. Acesso em</p><p>23 nov. 2016.</p><p>KUNZ, A. Manejo de Biodigestores. In: Curso sobre uso de biodigestores no</p><p>tratamento de dejetos suínos, 11, 2007, Concórdia. Santa Catarina.</p><p>KUNZ, A.; OLIVEIRA, P.A.V.; HIGARASHI, M.M. Biodigestor par ao</p><p>tratamento de dejetos de suínos: influência da temperatura ambiente.</p><p>Comunicado Técnico, Embrapa - Suínos e Aves, v. 416, p. 1-5, 2005.</p><p>KUSH, S. Understanding and Managing the Start-up Phase in Dry</p><p>Anaerobic Digestion.ResearchConferenceInTechical Disciplines. 2013.</p><p>Disponível em: <https://www.researchgate.net/publication/259963856>.</p><p>Acesso em: 19 de Maio de 2018.</p><p>LEONE, J., 2003, America Experience on Landfill Biogas Recovery.</p><p>AMERESCO CETESB, 2003.</p><p>MADIGAN, M. et al. (2010). Microbiologia de Brock. Porto Alegre: Artmed.</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>55</p><p>METCALF & EDDY. Wastewater Engineering: Treatment and reuse. 4ª Ed. New</p><p>York, 2003.</p><p>PORTAL NOVA. Famílias substituem botijões de gás por biodigestor no Agreste</p><p>e Sertão. 07 de Setembro de 2017. Disponível em Portal Nova:</p><p><http://novamais.com/noticias/37058/familias-substituem-botijoes-de-gas-por-biodigestor-</p><p>no-agreste-e-sertao>. Acesso em: 24 de setembro de 2017,</p><p>PROBIOGÁS. Brasil. Secretaria Nacional de Saneamento Ambiental.</p><p>Probiogás. Guia técnico de aproveitamento energético de biogás em</p><p>estações de tratamento de esgoto / Probiogás; organizadores, Ministério</p><p>das Cidades,</p><p>PROBIOGÁS. Brasil. Secretaria Nacional de Saneamento Ambiental.</p><p>Tecnologias de digestão anaeróbica com relevância para o Brasil:</p><p>substratos, digestores e uso de biogás / Probiogás; organizadores, Ministério</p><p>das Cidades, Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit</p><p>GmbH [GIZ]; autores. Carolina Bayer Gomes Cabral ... [et al.]. - Brasília, DF:</p><p>Ministério das Cidades, 2015.</p><p>PROSAB: Programa de Pesquisas em Saneamento Básico; Rede Cooperativa</p><p>de Pesquisas/ Digestão Anaeróbia de Resíduos Orgânicos e</p><p>Aproveitamento de Biogás. Coordenador: Cassini, S. T., 2003.</p><p>RedBioLAC. (2016). Biodigestores. Disponível em:</p><p><http://redbiolac.org/biodigestores/>. Acesso em: 20 de setembro de 2017.</p><p>SEADI, T.A. Biogás Hanbook. 2008. University of Southern Denmark Esbjerg,</p><p>NielsBohrs, 2008.</p><p>SPEECE, R.E. Anaerobic biotechnology for industrial wastewaters. United</p><p>States, 1996.</p><p>Strapasson, AB; Ferreira, D.; Durães, F.O.M; Giulianio, T.Q.; CASSINI, S. T. A.; Barbosa,</p><p>CMBM. Matérias-primas para geração de biocombustiveis. In: Carlos Augusto</p><p>Perlingeiro. (Org.). Biocombustiveis no Brasil: fundamentos, aplicações e</p><p>perspectivas. 1ed. Rio de Janeiro: Synergia, 2014, v. 1, p. 49-81.</p><p>STRIPPEL, Florian et al. Biowaste to biogas. Fachverband, maio de 2016. Disponível</p><p>em Biowaste to biogas: <http://biowaste-to-biogas.com/Download/biowaste-to-</p><p>biogas.pdf>. Acesso em 14 de setembro de 2017.</p><p>http://novamais.com/noticias/37058/familias-substituem-botijoes-de-gas-por-biodigestor-no-agreste-e-sertao</p><p>http://novamais.com/noticias/37058/familias-substituem-botijoes-de-gas-por-biodigestor-no-agreste-e-sertao</p><p>http://biowaste-to-biogas.com/Download/biowaste-to-biogas.pdf</p><p>http://biowaste-to-biogas.com/Download/biowaste-to-biogas.pdf</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>56</p><p>TALLER BIOGÁS. Disponível <http://tallerbiogas.blogspot.com.br/> Acesso em 19</p><p>de fevereiro de 2018.</p><p>TORRES, A.; PEDROSA, J. F.; MOURA, J. P. Educação Ambiental em Ação.</p><p>Revista EA, 2012. Disponível em:</p><p><http://www.revistaea.org/artigo.php?idartigo=1248> Acesso em: 24 de Setembro</p><p>de 2017.</p><p>VIVAN, M.L.; KUNZ, A.; STOLBERG, J.; PERDOMO, C.C. Tratamento de</p><p>dejetos suínos através do sistema de lagoas de estabilização. In: JINC –</p><p>1ª Jornada de Iniciação Científica Embrapa/UnC. Brasil, 2008.</p><p>http://tallerbiogas.blogspot.com.br/</p><p>http://www.revistaea.org/artigo.php?idartigo=1248</p><p>EM UMA UNIDADE DE PRODUÇÃO DE SUÍNOS. .................................................................... 26</p><p>FIGURA 9 - CAIXA DE AREIA COM DEPOSIÇÃO DE SÓLIDOS FIXOS, PARA TRATAMENTO DE</p><p>DEJETOS DE SUÍNOS. .................................................................................................................... 27</p><p>FIGURA 10 - RELAÇÕES ENTRE TEMPERATURA E CRESCIMENTO DE MICRO-ORGANISMOS DE</p><p>DIFERENTES CLASSES TÉRMICAS ............................................................................................... 28</p><p>FIGURA 11 - BIODIGESTOR MODELO INDIANO – VISTA FRONTAL ............................................... 31</p><p>FIGURA 12 - BIODIGESTOR MODELO INDIANO................................................................................ 32</p><p>FIGURA 13 - VISTA SUPERIOR DE UM BIODIGESTOR MODELO CHINÊS. .................................... 33</p><p>FIGURA 14 - ESQUEMA DE CONCEPÇÃO DE BIODIGESTOR MODELO CHINÊS.......................... 33</p><p>FIGURA 15 - BIODIGESTOR DE LONA COBERTA – BLC .................................................................... 34</p><p>FIGURA 16 - DESENHO ESQUEMÁTICO DE UM BIODIGESTOR DE FLUXO TUBULAR. .............. 35</p><p>FIGURA 17 - BIODIGESTOR PLUG-FLOW (FLUXO TUBULAR). ........................................................ 36</p><p>FIGURA 18 - BIODIGESTOR DE FLUXO TUBULAR – BOLSA DE GEOMEMBRANA. ...................... 36</p><p>FIGURA 19 - ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO DE BIODIGESTOR DE FLUXO ASCENDENTE –</p><p>UASB ................................................................................................................................................ 38</p><p>FIGURA 20 - FOTO DE UM REATOR TIPO UASB ................................................................................ 39</p><p>FIGURA 21 - BIODIGESTOR EM FASE SÓLIDA E EM BATELADA, COM RECIRCULAÇÃO DE</p><p>INÓCULO......................................................................................................................................... 40</p><p>FIGURA 22 - EXEMPLOS DE CONFIGURAÇÕES ESPECIAIS NA FERMENTAÇÃO A SECO ........... 41</p><p>FIGURA 23 - BIODIGESTOR DE MISTURA COMPLETA – RESÍDUOS ANIMAIS E VEGETAIS........ 42</p><p>FIGURA 24 - UNIDADE DE DEMONSTRAÇÃO ITAIPU DE BIOMETANO ........................................ 43</p><p>FIGURA 25 - BIODIGESTOR DE MISTURA COMPLETA COM AGITAÇÃO ....................................... 44</p><p>FIGURA 26 - EXEMPLOS DE BIODIGESTORES MODERNOS ADAPTADOS PARA APLICAÇÕES</p><p>DOMÉSTICAS (BIOGÁS HOME) ................................................................................................... 46</p><p>FIGURA 27 - PRODUÇÃO DE BIOGÁS POR QUATRO DIFERENTES TIPOS DE DIGESTORES</p><p>ANAERÓBIOS.................................................................................................................................. 49</p><p>FIGURA 28 - ESQUEMA DE ATERRO SANITÁRIO ............................................................................... 50</p><p>FIGURA 29 - FOTO DE ATERRO SANITÁRIO ....................................................................................... 51</p><p>Lista de Tabelas</p><p>TABELA 1 - CARACTERÍSTICAS DE ALGUNS SUBSTRATOS PARA PRODUÇÃO DE METANO .... 22</p><p>TABELA 2 - CAPACIDADE DE GERAÇÃO DE BIOGÁS DE REATORES UASB E BCL PARA DEJETOS</p><p>DE SUÍNOS ...................................................................................................................................... 23</p><p>TABELA 3 - FAIXA TERMAL E TEMPO DE RETENÇÃO TÍPICO NA DIGESTÃO ANAERÓBIA. ....... 28</p><p>TABELA 4 - CLASSIFICAÇÃO DAS TÉCNICAS DE GERAÇÃO DE BIOGÁS CONFORME</p><p>DIFERENTES CRITÉRIOS. .............................................................................................................. 47</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>9</p><p>Apresentação do Curso</p><p>Seja bem-vindo ao nosso curso sobre produção e uso de biogás para</p><p>geração de energia elétrica, térmica e produção de biometano. Nosso objetivo é que</p><p>você entenda a origem do biogás, como ocorre sua produção pelo processo de</p><p>biodigestão, as etapas envolvidas na aplicação energética do biogás e a destinação</p><p>adequada ou aplicação do digestato para a fertilização do solo. Para isso, o curso</p><p>foi estruturado em três aulas, a saber:</p><p>Aula 1: Conceitos básicos e digestão anaeróbia;</p><p>Aula 2: Características e aplicações do biogás e do digestato;</p><p>Aula 3: Operação e manutenção de plantas de biogás, arranjos de</p><p>viabilidade econômica e panorama do biogás.</p><p>Assim, na primeira aula você terá acesso aos conteúdos sobre o processo</p><p>de produção e aproveitamento energético do biogás, as características dos</p><p>substratos, dados sobre potencial de produção de biogás, pré-tratamento do</p><p>substrato e tecnologias de digestão anaeróbia para tratamento e produção de</p><p>biogás. Na segunda aula, o foco do estudo estará voltado a apresentação das</p><p>principais características e aplicações do biogás, englobando aspectos sobre</p><p>tratamento, armazenamento e transporte do biogás. Por fim, na última aula (Aula</p><p>3) informações a respeito da operação, monitoramento e manutenção de plantas</p><p>de biogás serão repassadas. Além disso, na Aula 3 os temas arranjos tecnológicos,</p><p>modelos de negócio e viabilidade técnica, econômica e financeira, serão abordados.</p><p>Dessa forma, você terá uma visão geral sobre o biogás como uma fonte de</p><p>energia e poderá aplicar isso no planejamento e análise de projetos. Além disso, o</p><p>conhecimento que você irá adquirir possibilitará que você decida em quais temas</p><p>gostaria de se aprofundar e, assim, escolher quais serão os próximos cursos da</p><p>nossa plataforma a realizar.</p><p>Espero que esteja animado. Bons estudos e um ótimo trabalho.</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>10</p><p>Desenvolvimento Proporcionado</p><p>Nesta aula será proporcionado o desenvolvimento de conhecimentos e</p><p>habilidades que poderão ser colocados em prática por você ao longo do curso e</p><p>após a finalização das atividades propostas:</p><p>COMPETÊNCIAS:</p><p>1. Conhecimento básico de digestão anaeróbica</p><p>2. Identificar processos de produção de biogás e determinar os</p><p>métodos para seu aproveitamento energético;</p><p>3. Conhecimento de técnicas para avaliação do potencial de produção</p><p>de biogás;</p><p>4. Noção de pré-tratamentos existentes para os substratos disponíveis</p><p>para digestão anaeróbia.</p><p>HABILIDADES:</p><p>1. Criterioso;</p><p>2. Observação.</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>11</p><p>1. INTRODUÇÃO</p><p>Para iniciar a apresentação dos conteúdos neste curso, primeiramente</p><p>serão expostos os conceitos gerais, o contexto histórico e o processo de produção</p><p>e aproveitamento energético do biogás. Após a análise destes conteúdos, o estudo</p><p>estará focado na caracterização dos substratos, dados sobre potencial de produção</p><p>do biogás, processo de biodigestão anaeróbia e pré-tratamento do substrato.</p><p>Ademais, serão abordadas as tecnologias de digestão anaeróbia para produção de</p><p>biogás e o regime de alimentação dos biodigestores.</p><p>Estes conteúdos serão importantes para situá-los sobre o contexto do</p><p>biogás e sua relevância. Além disso, a partir das informações desta Aula 1, será</p><p>possível avançar no conteúdo e aprender efetivamente sobre a aplicação do biogás</p><p>para geração de energia e produção e uso de biometano.</p><p>2. CONCEITOS GERAIS SOBRE O BIOGÁS</p><p>A digestão anaeróbia ou biodigestão de materiais orgânicos é um</p><p>processo fermentativo em que a matéria orgânica complexa é degradada a</p><p>compostos mais simples, sendo uma maneira eficiente de tratar quantidades</p><p>consideráveis de resíduos, e reduz o seu poder poluente.</p><p>Esse processo ocorre por meio da ação de diversos grupos de micro-</p><p>organismos, principalmente os que não necessitam de oxigênio para o seu</p><p>crescimento, conhecidos como micro-organismos anaeróbios, que interagem</p><p>simultaneamente até a formação dos produtos finais. O composto de gases</p><p>proveniente desse processo é chamado de biogás, sendo constituído</p><p>principalmente por metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2), contendo também</p><p>pequenas quantidades de hidrogênio (H2), amônia</p><p>(NH3) e outros gases traço.</p><p>O processo de digestão anaeróbia é comum no meio ambiente, pois ocorre</p><p>naturalmente com toda matéria orgânica que entra em decomposição, tais como:</p><p>resíduos acumulados em lixões, aterros sanitários ou em lagoas de armazenamento</p><p>de efluentes. Nesses casos, a parte do resíduo ou efluente que está em contato com</p><p>o ar é digerida por micro-organismos aeróbios, e a parte que não está em contato</p><p>com o ar, por micro-organismos anaeróbios.</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>12</p><p>Porém, com tecnologias adequadas, como os biodigestores, a biodigestão</p><p>anaeróbia pode ser utilizada para o tratamento de resíduos sólidos e líquidos, pois</p><p>há um processo de reciclagem e recuperação desses materiais, que acaba por</p><p>produzir, além do biogás, uma parte líquida digerida, conhecida como digestato.</p><p>Essa bioestabilização da fração orgânica tem sido largamente estudada nas</p><p>últimas décadas e aplicada para o tratamento de resíduos de diversas origens, com</p><p>o intuito de desenvolver alternativas tecnológicas de aproveitamento energético e</p><p>de redução de impactos ambientais.</p><p>Definição</p><p>Digestão anaeróbia: É um processo mediado pela ação</p><p>microbiana, por meio da atividade conjunta de vários</p><p>grupos de células anaeróbias, em diferentes níveis</p><p>tróficos, que convertem matéria orgânica complexa</p><p>em gases e lodo.</p><p>Digestão aeróbia: Realizada por organismos que</p><p>necessitam de oxigênio para a conversão da matéria</p><p>orgânica (aeróbicos), tem como produtos o gás</p><p>carbônico (CO2), água (H2O) e lodo.</p><p>Para fixar:</p><p>Em geral, a biodigestão consiste na conversão</p><p>microbiológica de substratos orgânicos, através de</p><p>associações simbióticas entre diferentes grupos de</p><p>micro-organismos que é realizado em fases, e</p><p>resulta como produto final gases e lodo, chamado</p><p>também de biogás e digestato.</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>13</p><p>Dentre esses resíduos possíveis de serem tratados, pode-se citar o esgoto</p><p>urbano, resíduo orgânico urbano, dejetos da produção de animais e efluentes de</p><p>indústrias, tais como abatedouros de animais, fecularias, usinas de açúcar e etanol,</p><p>entre outros.</p><p>Além disso, como grande parte do biogás é composto por metano (CH4) isso</p><p>lhe confere características de alto poder calorífico, podendo ser utilizado como</p><p>fonte de energia para a geração de energia elétrica, térmica e na produção de</p><p>biometano e gás carbônico (CO2).</p><p>Há atualmente uma gama muito grande de modelos de biodigestores,</p><p>sendo cada um adaptado a uma realidade e a uma necessidade de biogás. A Figura</p><p>1, Figura 2 e Figura 3, trazem exemplos de alguns modelos de biodigestores.</p><p>Figura 1 - Biodigestor modelo lagoa coberta – aplicado no tratamento de efluentes da</p><p>suinocultura no sul do Brasil.</p><p>Fonte: Imagem aérea – CIBiogás (2017)</p><p>Para saber mais:</p><p>Cada biodigestor possui especificidades</p><p>distintas, devendo ser utilizado para</p><p>determinados contextos e condições</p><p>ambientais de acordo com a necessidade do</p><p>projeto. Em nossas próximas aulas,</p><p>discutiremos mais sobre o assunto e, em</p><p>outros cursos, aprofundaremos nossos</p><p>conhecimentos sobre a instalação, uso e</p><p>manutenção de biodigestores.</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>14</p><p>Figura 2 - Biodigestor modelo indiano – aplicado ao uso doméstico no nordeste do Brasil.</p><p>Fonte: Pontal Nova (2017).</p><p>Figura 3 - Biodigestor modelo CSTR (reator tanque-agitado contínuo) - aplicado na Unidade</p><p>de Demonstração Itaipu (Foz do Iguaçu, PR).</p><p>Fonte: CIBiogás (2020).</p><p>2.1. História do biogás</p><p>Em 1667, Thomas Shirley observou que a decomposição de matéria</p><p>orgânica nos pântanos gerava um gás, o qual inicialmente foi chamado de gás dos</p><p>pântanos ou fogo fátuo. No entanto, ele não tinha conhecimento de como ocorria</p><p>esta formação e de que gás se tratava. Após Shirley, quem estudou esse fenômeno</p><p>foi Alessandro Volta, em 1776. Este pesquisador foi quem realmente descobriu a</p><p>presença de metano no gás dos pântanos.</p><p>Já no século XIX, Ulysse Gayon, aluno de Louis Pasteur (cientista francês que</p><p>vislumbrou a possibilidade de utilizar biogás como combustível para aquecimento</p><p>e iluminação), realizou a fermentação anaeróbia de uma mistura de estrume e água,</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>15</p><p>a 35º C, conseguindo obter 100 litros de gás por m3 de matéria. Em 1884, Louis</p><p>Pasteur, ao apresentar à Academia das Ciências as pesquisas e experiências do seu</p><p>aluno, considerou que essa fermentação poderia constituir uma fonte de</p><p>aquecimento e iluminação.</p><p>Entretanto, no ano de 1859, em Bombaim, na Índia, foi realizada a primeira</p><p>experiência de utilização direta de biogás, sendo construída a primeira instalação</p><p>operacional destinada a produzir gás combustível para um hospital de hansenianos</p><p>(CASTAÑÓN, 2002). Nessa mesma época, pesquisadores de diversos países, como</p><p>Alemanha e França, estabeleceram as bases teóricas e experimentais da</p><p>biodigestão anaeróbia.</p><p>Já em 1895, deu-se a primeira experiência europeia, com a utilização do</p><p>biogás para iluminação de algumas ruas da cidade de Exeter, na Inglaterra, a qual</p><p>seguiram outras experiências motivadas, principalmente, pelo entusiasmo inicial</p><p>que este processo atingiu.</p><p>Em 1910, Sohngen verificou que a fermentação de materiais orgânicos</p><p>produz compostos reduzidos, tais como hidrogênio, ácido acético e gás carbônico.</p><p>Demonstrou também que ocorre a redução de CO2 para a formação de metano.</p><p>Segundo Costa (2006), nesta época, este combustível não conseguiu</p><p>substituir os tradicionais, só voltando a ser utilizado na década de 40, impulsionado</p><p>pela crise energética provocada pela II Guerra Mundial. Durante e depois da Guerra,</p><p>alemães e italianos, entre os povos mais atingidos pela devastação dos conflitos,</p><p>desenvolveram técnicas para obter biogás de dejetos e restos de culturas.</p><p>Nas décadas de 50 e 60, a relativa abundância das fontes de energia</p><p>tradicionais, petróleo, gás natural, hídrica e carvão mineral principalmente,</p><p>desencorajaram a recuperação do biogás na maioria dos países desenvolvidos. No</p><p>entanto, na Índia e na China, com poucos recursos de capital e energia, o biogás</p><p>desempenhou um papel de certa importância, sobretudo em pequenos</p><p>aglomerados rurais.</p><p>Em 1939, o Instituto Indiano de Pesquisa Agrícola, em Kanpur, desenvolveu</p><p>a primeira usina de gás de esterco. Segundo Nogueira (1986), o sucesso obtido</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>16</p><p>animou os indianos a continuarem as pesquisas, criando, em 1950, o Gobar Gás</p><p>Institute.</p><p>Tais pesquisas resultam em grande difusão da metodologia de</p><p>biodigestores como forma de tratar os dejetos de animais para a obtenção do</p><p>biogás e o aproveitamento do efluente líquido final com propriedades fertilizantes,</p><p>o digestato.</p><p>Esse trabalho pioneiro, realizado no Norte da Índia, permitiu a construção</p><p>de quase meio milhão de unidades de biodigestores no interior daquele país. A</p><p>utilização do biogás como fonte de energia motivou a China a adotar a tecnologia a</p><p>partir de 1958, onde, até 1972, já haviam sido instalados 7,2 milhões de</p><p>biodigestores na região do Rio Amarelo, que possui condições climáticas favoráveis</p><p>à produção de biogás.</p><p>A partir da crise energética dos anos 70, o gás metano dos digestores</p><p>anaeróbios voltou a despertar o interesse, tanto por países desenvolvidos como</p><p>países em desenvolvimento. No entanto, em nenhum país o uso desta tecnologia</p><p>alternativa foi tão acentuada, no sentido de quantidade de plantas, como na China</p><p>e Índia.</p><p>De acordo com Costa (2006), nos últimos anos o biogás não é mais</p><p>encarado apenas como um subproduto obtido a partir da decomposição anaeróbia,</p><p>mas se tornou alvo de intensas pesquisas que são impulsionadas pelo aquecimento</p><p>da economia nos últimos anos e pela elevação acentuada do preço</p><p>dos</p><p>Para saber mais:</p><p>Há vários marcos na história que</p><p>apresentam preocupações com o meio</p><p>ambiente a nível mundial, dentre eles:</p><p>Estocolmo-72 (1972), Relatório</p><p>Brundtland (1987), Protocolo de Kyoto</p><p>(1997), Rio+10 (2002) e Acordo de Paris</p><p>(2015).</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>17</p><p>combustíveis fósseis, no intuito de criar novas formas de produção energética que</p><p>possibilitem a redução do uso dos recursos naturais não renováveis.</p><p>Em 1997, a Comissão Europeia publicou o Relatório Branco sobre Fontes</p><p>Renováveis de Energia (White Paper on Renewable Energy Sources) em que define a</p><p>produção de fontes renováveis de energia como prioritária. Este documento propôs</p><p>que pelo menos 12% do consumo energético da União Europeia (UE) fosse</p><p>constituído por fontes renováveis de energia até 2010.</p><p>Assim, a produção de biogás em plantas de larga escala cresceu muito nos</p><p>países da UE, principalmente na Alemanha, Áustria e Itália, chegando a 17.358</p><p>plantas em 2015, que, juntas, geraram 9,8 Mega Tonelada Equivalente de Petróleo</p><p>(Mtep) de biogás, que é aplicado, principalmente, na geração de energia elétrica e</p><p>calor.</p><p>Além disso, também vem crescendo a produção de biometano e injeção na</p><p>rede de gás natural nesses países, principalmente na Suécia e Alemanha. Porém,</p><p>vale ressaltar que, para alcançar esses resultados a maioria dos países da UE usam,</p><p>além de resíduos e efluentes, cultivos energéticos como substrato para a</p><p>biodigestão, como o milho.</p><p>Considerando a importância que a biodigestão tem, atualmente, no</p><p>processo de produção de biogás como uma fonte de energia, elaboramos esse</p><p>curso com o objetivo de abordar esse tema, como também de toda a cadeia</p><p>produtiva, indo desde os princípios da biodigestão, passando pelo uso do digestato</p><p>e do biogás, até o planejamento de projetos de biogás.</p><p>Para fixar:</p><p>Cultivos energéticos são plantas de</p><p>crescimento rápido, com objetivo único: ser</p><p>matéria prima para a obtenção de energia de</p><p>outras substâncias combustíveis, tais como</p><p>cana-de-açúcar, milho e girassol.</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>18</p><p>2.2. Processo de produção e aproveitamento energético do biogás</p><p>O processo de produção e aproveitamento energético de biogás envolve,</p><p>basicamente, as seguintes etapas: pré-tratamento do substrato; digestão anaeróbia</p><p>no biodigestor; armazenagem, tratamento e valorização do digestato; tratamento,</p><p>armazenamento e transporte de biogás; aplicação do biogás na geração de energia</p><p>elétrica e/ou calor; e, produção, armazenamento e transporte de biometano. Todos</p><p>esses processos podem ser observados na Erro! Fonte de referência não</p><p>encontrada..</p><p>Figura 4 - Cadeia de produção e uso do biogás</p><p>Fonte: Strippel et al. (2016).</p><p>Conforme a Erro! Fonte de referência não encontrada., pode-se observar</p><p>que as diferentes fontes de matéria-prima (biomassa) são acumuladas em tanques</p><p>ou vasos, sendo encaminhadas para processos de lavagem e pré-tratamento (1- 4).</p><p>A seguir a biomassa passa por filtros para redução de possíveis odores e para</p><p>sanitização (5 - 6) e é encaminhada para o biodigestor (7). Observa-se o biogás</p><p>produzido e armazenado no biodigestor e a saída de segurança do biogás (8 e 10).</p><p>O digestato (acumulado no biodigestor) é comumente estocado (12) ou ainda</p><p>tratado (13) por meio de separação, secagem e/ou peletização para utilização em</p><p>plantações na forma de biofertilizante. Já o biogás gerado (9) pode ser distribuído e</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>19</p><p>utilizado de diferentes formas: na geração de energia elétrica, térmica e na</p><p>produção de biometano (11) (STRIPPEL et al., 2016).</p><p>Por meio da Erro! Fonte de referência não encontrada. é possível</p><p>observar os processos de forma mais simplificada.</p><p>Figura 5 - Diagrama da cadeia produtiva de biogás</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>Nas próximas aulas, todos esses processos serão explicados e,</p><p>adicionalmente, serão apresentados outros temas transversais ao setor de biogás</p><p>que são importantes para que você o entenda. Dentre os assuntos, estão os temas:</p><p>(1) operação; (2) monitoramento; (3) segurança; (4) manutenção de plantas de</p><p>biogás; (5) análise de viabilidade econômica de projetos; (6) estudos de casos</p><p>práticos; (7) a situação do setor de biogás no Brasil e no mundo; e, (8) perspectivas</p><p>de avanço do setor e das tecnologias.</p><p>3. DIGESTÃO ANAERÓBIA</p><p>Antes de apresentar os conteúdos relacionados à digestão anaeróbia,</p><p>alguns termos técnicos mais adequados para o processo de biodigestão serão</p><p>disponibilizados, a saber:</p><p>• Os efluentes, resíduos ou qualquer tipo de matéria orgânica que entra no</p><p>biodigestor como matéria-prima de um processo de biodigestão, é chamado</p><p>de substrato. O termo substrato é mais adequado que biomassa, dejeto,</p><p>resíduo e esterco.</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>20</p><p>• A fração líquida resultante do processo de biodigestão é denominada</p><p>de digestato, podendo ou não ser utilizada como fertilizante, conforme sua</p><p>disponibilidade, composição e características. O termo digestato é mais</p><p>adequado que biofertilizante.</p><p>Além disso, você também deve entender quais são as vantagens e</p><p>desvantagens do processo de digestão anaeróbia em relação ao aeróbio, que são</p><p>apresentadas no desenho esquemático da Erro! Fonte de referência não</p><p>encontrada..</p><p>Figura 6 - Vantagens e desvantagens do processo anaeróbio em relação ao aeróbio.</p><p>Fonte: Adaptado de Chernicharo (2008).</p><p>Para a produção de biogás por meio da digestão anaeróbia, o primeiro</p><p>passo é conhecer as características dos substratos que podem ser utilizados e</p><p>analisar as possibilidades de misturas e melhoria do potencial de produção de</p><p>biogás. O segundo passo é preparar esse substrato para que o processo ocorra com</p><p>mais eficiência dentro do biodigestor, o que chamamos de pré-tratamento do</p><p>substrato.</p><p>Com isso, o substrato é destinado ao biodigestor para que ocorra o</p><p>processo de digestão anaeróbia em si, podendo ser utilizadas diversas tecnologias</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>21</p><p>com diferentes características. Na sequência analisaremos os aspectos referentes a</p><p>essa temática.</p><p>A codigestão é um processo utilizado principalmente para melhorar os</p><p>rendimentos da digestão anaeróbica de resíduos orgânicos sólidos devido aos seus</p><p>inúmeros benefícios. Por exemplo, a diluição de compostos tóxicos, o aumento da</p><p>carga de matéria orgânica biodegradável, o melhor equilíbrio de nutrientes, o efeito</p><p>sinérgico de micro-organismos e o melhor rendimento de biogás.</p><p>Esse processo de mistura demanda um estudo mais aprofundado das</p><p>características, disponibilidade dos substratos e um pré-tratamento mais avançado.</p><p>Porém, é interessante para alcançar maior estabilidade na biodigestão, eficiência na</p><p>produção de biogás, controle da sazonalidade da disponibilidade de substratos, e</p><p>na melhoria das características do digestato.</p><p>3.1. Caracterização dos substratos e potencial de produção de biogás</p><p>Como estudado, os substratos utilizados na biodigestão podem ser</p><p>provenientes de diversas atividades. Devido a isso, é importante conhecer os</p><p>substratos que serão utilizados, pois a sua composição irá influenciar a escolha do</p><p>biodigestor, manejo a ser adotado e também a eficiência do biodigestor na geração</p><p>de biogás.</p><p>Basicamente o que define o potencial de produção de biogás de um</p><p>substrato é a concentração de Sólidos Totais Voláteis (SV), parâmetro relacionado à</p><p>fração biodegradável do substrato, a matéria orgânica. Os Sólidos Totais (ST)</p><p>indicam a quantidade de matéria orgânica e mineral do substrato.</p><p>Definição</p><p>É possível utilizar apenas um tipo de</p><p>substrato na biodigestão, o que</p><p>se</p><p>denomina de monodigestão, ou misturar</p><p>diferentes substratos, processo</p><p>denominado de codigestão.</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>22</p><p>O potencial máximo de produção de metano de um substrato pode ser</p><p>dado em metros cúbicos de metano por quilo de sólidos voláteis (m3 CH4 kg.SV-1) ou</p><p>em metros cúbicos de metano por quilo de substrato (m3 CH4 kg.Substrato-1). Na</p><p>Tabela 1 é possível verificar as características de alguns substratos e o potencial</p><p>máximo de produção de metano.</p><p>Tabela 1 - Características de alguns substratos para produção de metano</p><p>Substratos ST (%) SV/ST (%) m3 CH4.kgSV-1 m3 CH4.kg substrato</p><p>-1</p><p>Agricultura</p><p>Palha de Trigo1 86 92 0,188 0,148</p><p>Milho - resíduos da</p><p>colheita1</p><p>35 92 0,251 0,081</p><p>Resíduos da limpeza</p><p>de grãos1</p><p>89 94 0,316 0,267</p><p>Silo de milho (planta</p><p>verde)1</p><p>33 96 0,306 0,097</p><p>Pecuária</p><p>Dejetos de bovino de</p><p>leite (com restos de</p><p>ração)1</p><p>8,5 85 0,193 0,014</p><p>Dejetos de bovino2 8-11 75 - 82 0,12 - ,3 0,012 – 0,018</p><p>Dejetos de suíno2 7 75 - 85 0,2 – 0,45 0,025 – 0,030</p><p>Esterco de galinhas2 32 63 - 80 0,15 – 0,27 0,042 – 0,054</p><p>Indústria</p><p>Vinhaça de Cana¹ 3-5 75 - 85 0,376 0,006</p><p>Torta de filtro de</p><p>Cana3</p><p>25 70 0,262 0,047</p><p>Polpa de Café3 20 93 0,244 0,045</p><p>Polpa da laranja3 12-30 94,5 0,227 0,024</p><p>Glicerina1 100 99,5 0,425 0,423</p><p>Efluente de</p><p>cervejaria2</p><p>5 85 0,340 0,0016</p><p>Efluente de fábrica</p><p>de laticínios3</p><p>4 88 0,295 0,0011</p><p>Efluente de</p><p>abatedouro3</p><p>8 77 0,236 0,0014</p><p>Resíduos</p><p>Sólidos</p><p>Urbanos</p><p>Resíduos municipais</p><p>(misturados) 4</p><p>30 - 40 50 - 60 0,270 – 0,390 0,041 – 0,094</p><p>Resíduos orgânicos</p><p>(separados) 5</p><p>30 - 40 70 - 80 0,210 – 0,227 0,044 – 0,089</p><p>Restos de alimentos5 15 – 20 85 – 95 0,467 – 0,510 0,059 – 0,097</p><p>Resíduos da caixa de</p><p>gordura5</p><p>25 – 45 90 – 95 0,650 – 0,780 0,146 – 0,333</p><p>1 Fonte: http://www.lfl.bayern.de/iba/energie/049711/?sel_list=8%2Cb&strsearch=&pos=lef</p><p>2 Fonte: PROBIOGÁS, 2015.</p><p>3 Fonte: Handreichung Biogasnutzung, 2004.</p><p>4 Fonte: Tekoa Engenharia e Consultoria LTDA (2011) por carga de BN Umwelt GmbH.</p><p>5 Fonte: PROBIOGÁS, 2015.</p><p>http://www.lfl.bayern.de/iba/energie/049711/?sel_list=8%2Cb&strsearch=&pos=lef</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>23</p><p>Tratamento</p><p>de esgoto</p><p>Lodo de esgoto</p><p>flotado6</p><p>35- 38 97 - 98 0,531 – 1,350 0,336 – 0,980</p><p>Esgoto7 - - - 0,00072 – 0,00112</p><p>É importante entender que esses parâmetros são gerados em laboratório,</p><p>onde o ambiente é controlado e monitorado, e podem variar muito conforme as</p><p>características da atividade produtiva e da região onde o substrato é produzido. Por</p><p>exemplo, na pecuária, que pode variar conforme a dieta dos animais e o modo de</p><p>limpeza das instalações.</p><p>Além disso, cada tecnologia de biodigestão suporta diferentes quantidades</p><p>de sólidos totais, o que demanda que alguns substratos sejam diluídos. Também é</p><p>necessário considerar que, ainda que o potencial máximo de produção de biogás</p><p>seja alto nas análises laboratoriais, na prática, a produção real será menor, pois</p><p>pode variar conforme o tipo de biodigestor, temperatura, manejo, pH, etc.</p><p>A capacidade de geração de biogás também dependerá da eficiência do</p><p>biodigestor, podendo variar de acordo com o tipo do digestor e a condição</p><p>operacional a qual ele é submetido. É necessário conhecer os parâmetros e assim</p><p>empregá-los de forma que o manejo seja adequado. A Tabela 2 apresenta como os</p><p>parâmetros, valores da qualidade de biogás e seu potencial de produção podem</p><p>variar conforme a tecnologia.</p><p>Tabela 2 - Capacidade de geração de biogás de reatores UASB e BCL para dejetos de suínos</p><p>Geração de biogás Qualidade do biogás Potencial de produção</p><p>(m3d-1)</p><p>H2S</p><p>(ppm)</p><p>CO2 (%) CH4 (%) (m3 biogás kg.SV-1) (m3</p><p>CH4 kg.SV-1)</p><p>UASB</p><p>escala</p><p>piloto8</p><p>0,69 189 25 74 1,56 1,15</p><p>UASB9 0,83 124 21 76 1,43 1,09</p><p>BCL10 0,32 322 29 67 0,31 0,21</p><p>BCL11 0,21 536 34 62 0,33 0,20</p><p>UASB – Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente; BCL - Biodigestor do tipo Lagoa Coberta</p><p>6 Fonte: KTBL, 2016.</p><p>7 Fonte: Metcalf & Eddy, 2003.</p><p>8 Fonte: Costa e Kunz, 2007.</p><p>9 Fonte: Kunz, 2007.</p><p>10 Fonte: Kunz et. al, 2005.</p><p>11 Fonte: Vivan et. al, 2008.</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>24</p><p>Assim, os parâmetros que estão disponíveis nas publicações devem ser</p><p>utilizados apenas para as estimativas iniciais e estudos prévios de viabilidade.</p><p>Porém, para a elaboração do projeto técnico e planejamento da operação da planta,</p><p>é importante conhecer o substrato que será utilizado por meio de análises de</p><p>laboratório e testes em biodigestores em escala piloto.</p><p>3.2. Processo de biodigestão anaeróbia</p><p>O mecanismo de decomposição anaeróbia e, consequentemente, a</p><p>geração de biogás, desenvolve-se pela ação de um consórcio de micro-organismos</p><p>que agem de forma interdependente na conversão da matéria orgânica, bem como</p><p>na síntese de novas células bacterianas, assegurando energia e nutrientes</p><p>necessários para o seu próprio crescimento e reprodução.</p><p>O processo é complexo, tanto pelo número de reações bioquímicas, quanto</p><p>pela quantidade de micro-organismos envolvidos, dividindo-se em quatro principais</p><p>etapas: Hidrólise, Acidogênese, Acetogênese e Metanogênese. Um esquema sobre</p><p>esse processo pode ser visto na Erro! Fonte de referência não encontrada..</p><p>Para que os micro-organismos se reproduzam e cresçam, é necessário ter</p><p>um meio de cultura apropriado, sendo importante manter a uniformidade na</p><p>característica do substrato e das condições físico-químicas durante o processo de</p><p>biodigestão anaeróbia.</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>25</p><p>Figura 7 - Etapas da digestão anaeróbia</p><p>Fonte: Strapasson et al. (2014).</p><p>O substrato é o "alimento" para os micro-organismos poderem</p><p>metabolizar, e, assim, reproduzir novas células (anabolismo) e produzir energia</p><p>(catabolismo) para o seu crescimento. Ele deve conter vários elementos diferentes,</p><p>tais como: fonte de energia, receptores de elétrons, estrutura para a produção de</p><p>novas células, diferentes tipos de vitaminas e macro e micronutrientes (metais).</p><p>Em adição ao substrato, os micro-organismos requerem um ambiente</p><p>adequado para crescer e reproduzir. Os principais fatores abióticos que influenciam</p><p>a produção de biogás são: presença de oxigênio no ambiente; temperatura;</p><p>potencial de hidrogênio (pH); alcalinidade; sulfato; acidez; tamanho das partículas;</p><p>produção e consumo de ácidos orgânicos; e nutrientes.</p><p>3.3. Pré-tratamento do substrato</p><p>O substrato que será destinado ao biodigestor precisa passar por</p><p>processos de pré-tratamento na grande maioria dos casos. São processos que</p><p>permitem retirar partículas grandes ou inertes, triturar, aquecer, misturar, entre</p><p>outros.</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>26</p><p>3.3.1. Separação de sólidos e mistura do substrato</p><p>A separação sólido-líquida, envolvendo a digestão anaeróbia, é aplicada em</p><p>substratos com materiais grosseiros, cujo objetivo é remover as partículas sólidas</p><p>grosseiras em suspensão, impedindo a entrada de materiais inertes (sólidos fixos)</p><p>no biodigestor, de modo a evitar a obstrução e acúmulo no sistema, onde a fração</p><p>líquida tenha maior atuação dos micro-organismos.</p><p>Dependendo do modelo do biodigestor, não é recomendado que os</p><p>substratos sejam encaminhados sem passar pelo separador de sólidos,</p><p>principalmente quando são usados em biodigestores sem agitação, como por</p><p>exemplo biodigestor tipo lagoa coberta (denominado também de BCL).</p><p>Essa separação facilita a degradação e estabilização da matéria orgânica</p><p>nos processos posteriores, bem como diminui o Tempo de Retenção Hidráulica</p><p>(TRH) favorecendo a produção de biogás.</p><p>A separação de sólidos pode ser feita em diversos níveis, mas uma</p><p>separação de sólidos simples com peneiras ou telas (Figura 8) ou caixa de areia</p><p>(Figura 9) ajuda a remover os materiais inertes, evitando assoreamento nos</p><p>biodigestores, além de entupimentos de bombas e linhas de transmissão. A caixa</p><p>de homogeneização também</p><p>auxilia na separação sólido-líquido, pois é responsável</p><p>por armazenar os substratos brutos utilizados no processo de alimentação do</p><p>sistema de tratamento, tendo por finalidade a agitação dos substratos, por meio de</p><p>bomba de recalque, e a decantação da areia e de sólidos pesados. Para melhorar a</p><p>eficiência da mistura aconselha-se atingir todos os pontos da caixa.</p><p>A agitação é importante por possibilitar que o substrato esteja</p><p>homogeneizado e uniforme quando for inserido no biodigestor, aumentando,</p><p>assim, a eficiência da biodigestão, pois facilita o contato dos micro-organismos com</p><p>o material que será degrado.</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>27</p><p>Figura 8 - Conjunto de telas utilizadas para separação de sólidos grosseiros em uma</p><p>unidade de produção de suínos.</p><p>Fonte: CIBiogás (2016)</p><p>Figura 9 - Caixa de areia com deposição de sólidos fixos, para tratamento de dejetos de</p><p>suínos.</p><p>Fonte: CIBiogás (2016)</p><p>3.3.2. Trituração de substrato</p><p>O tratamento inicial do substrato difere em diferentes plantas, dependendo</p><p>da matéria-prima utilizada. Às vezes, uma ou mais etapas de pré-tratamento estão</p><p>envolvidas. Por exemplo, a utilização da trituração para aumentar a digestibilidade</p><p>dos resíduos que são difíceis de quebrar.</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>28</p><p>As culturas energéticas com altos teores de celulose, hemicelulose e lignina</p><p>(por exemplo, palha, grama, silagem, alimentos, resíduos vegetais em geral) são</p><p>degradadas lentamente na biodigestão, devido à sua estrutura complexa.</p><p>A fim de maximizar a taxa de digestão de materiais ricos em celulose, é</p><p>benéfico cortá-lo e/ou aplicar um processo de trituração para quebrar a estrutura</p><p>complexa da celulose e torná-la mais acessível para a digestão como uso do calor</p><p>ou tratamento químico.</p><p>Quanto menor a partícula, mais acessível estará o substrato para que os</p><p>micro-organismos realizem a biodigestão. Diminuir seu tamanho pode aumentar a</p><p>taxa de degradação e proporcionar um maior rendimento na produção de biogás,</p><p>pois há mais contato superficial entre substrato e micro-organismos.</p><p>3.3.3. Aquecimento do substrato</p><p>Os processos anaeróbicos, como muitos outros sistemas biológicos, são</p><p>fortemente dependentes da temperatura, pois a velocidade de reação dos</p><p>processos biológicos depende da velocidade de crescimento dos micro-organismos</p><p>e, por sua vez, da temperatura do meio, conforme pode ser observado na Figura 10.</p><p>A temperatura é um dos fatores mais importantes na seleção das espécies,</p><p>não influenciando apenas na atividade metabólica da população de micro-</p><p>organismos, mas, também, no equilíbrio iônico e na solubilidade dos substratos.</p><p>Para a atividade microbiana, são, normalmente, consideradas 3 faixas</p><p>termais de temperatura: psicrófilo, mesófilo e termófilo. Dentro de cada faixa de</p><p>temperatura, existe um intervalo para o qual ocorre a máxima taxa de crescimento,</p><p>que é a determinação da temperatura ótima em cada uma das faixas de operação</p><p>(Tabela 3).</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>29</p><p>Figura 10 - Relações entre temperatura e crescimento de micro-organismos de diferentes</p><p>classes térmicas</p><p>Fonte: Madigan, M. et al. (2010).</p><p>Tabela 3 - Faixa termal e tempo de retenção típico na digestão anaeróbia.</p><p>Micro-organismo de acordo</p><p>com a classe termal</p><p>Mínimo</p><p>(°C)</p><p>Ótimo</p><p>(°C)</p><p>Máximo</p><p>(°C)</p><p>Tempo mínimo</p><p>de retenção</p><p>Psicrófilos 4-10 15-18 20-25 70-100 dias</p><p>Mesófilos 15-20 25-35 35-45 30-60 dias</p><p>Termófilos 25-45 50-60 75-80 15-20 dias</p><p>Fonte: Adaptado de Speece (1996).</p><p>Os micro-organismos produtores de gás metano (metanogênicos)</p><p>apresentam um crescimento máximo na faixa mesófila e na faixa termófila, mas, no</p><p>geral, são mais sensíveis às flutuações de temperatura do que outros micro-</p><p>organismos no processo, A escolha da temperatura de operação depende de</p><p>fatores econômicos e operacionais, assim prefere-se a utilização de temperaturas</p><p>mesófilas.</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>30</p><p>Em geral, o aumento da temperatura ambiente leva ao aumento da</p><p>velocidade de crescimento dos micro-organismos devido a aceleração do processo</p><p>de digestão, favorecendo a maior produção de biogás.</p><p>Contudo, é necessário tomar cuidado nessa abordagem pois, os micro-</p><p>organismos metabólicos possuem sua própria faixa ideal de temperatura, como</p><p>visto na Tabela 3. A variação da temperatura acima ou abaixo desse intervalo pode</p><p>acarretar a inibição dos micro-organismos.</p><p>O fator de temperatura e sua influência em outros parâmetros devem ser</p><p>aprofundados em um curso mais específico. Afinal, é a temperatura o principal fator</p><p>ambiental que controla o crescimento microbiano.</p><p>3.4. Tecnologias de digestão anaeróbia para produção de biogás</p><p>O biodigestor é um sistema ou tecnologia que proporciona condições</p><p>favoráveis para que a degradação da matéria orgânica seja realizada, por micro-</p><p>organismos em ambiente anaeróbio, tratando os resíduos, e, produzindo biogás e</p><p>digestato.</p><p>3.4.1. Regime de alimentação</p><p>As características do substrato definem o regime de alimentação de uma</p><p>planta de biogás, tendo, assim, impacto na escolha do tipo de tecnologia e na</p><p>Atenção:</p><p>O calor faz com que os micro-organismos trabalhem</p><p>mais rápido e se adaptem a esse clima. Mais material</p><p>é degradado em menor tempo e o volume do</p><p>biodigestor pode ser reduzido comparado com o</p><p>mesmo material digerido em temperaturas menores.</p><p>A alta temperatura pode aumentar a disponibilidade</p><p>de certos compostos orgânicos por causa da</p><p>solubilidade aumentada, contudo, pode levar a</p><p>formação de elementos tóxicos mais rapidamente,</p><p>havendo a liberação de grandes quantidades de</p><p>ácidos graxos voláteis (AGV) e amônia.</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>31</p><p>produção de biogás. Essencialmente, a classificação conforme o regime segue os</p><p>seguintes tipos: contínuo, semi-contínuo e em batelada.</p><p>• Contínuo: Neste sistema, a alimentação do digestor é ininterrupta, sendo a</p><p>vazão de entrada igual a vazão de saída. Esse tipo de fluxo é utilizado</p><p>principalmente para biodigestores que realizam o tratamento de esgoto</p><p>industriais e urbanos.</p><p>• Semi-contínuo: A alimentação é feita apenas uma vez até completar o TRH,</p><p>posteriormente, são adicionadas novas cargas, onde o digestato é</p><p>descarregado regularmente na mesma quantidade de substrato inserido.</p><p>Este processo é mais usual em pequenas escalas, como em áreas rurais.</p><p>• Batelada: Conhecido também como descontínuo, esses reatores trabalham</p><p>com ciclos de alimentação, digestão e descarte. São alimentados uma única</p><p>vez até se findar a biodigestão. Após isso, são esvaziados e alimentados</p><p>novamente, iniciando um novo processo de fermentação. Esse regime é</p><p>utilizado quando a concentração de sólidos no substrato é mais elevada, por</p><p>exemplo: biodigestão de resíduos da avicultura ou de Resíduos Sólidos</p><p>Urbanos (RSU).</p><p>3.4.2. Classificação dos biodigestores por tecnologias</p><p>Os biodigestores variam de acordo com sua complexidade e utilização. Os</p><p>modelos de biodigestores mais utilizados são: indiano, chinês, fluxo tubular, fluxo</p><p>ascendente e de mistura completa. A descrição detalhada de cada um destes</p><p>dispositivos está disponível a seguir.</p><p>Biodigestor modelo indiano</p><p>Normalmente, esses digestores são enterrados e verticais, possuem uma</p><p>campânula móvel como gasômetro, e uma parede central, que divide o tanque de</p><p>fermentação em duas câmaras, como mostra a Figura 11.</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>32</p><p>O gasômetro na parte superior do biodigestor flutua conforme for a</p><p>produção e consumo do biogás, aumentando o volume deste de modo que se</p><p>desloca verticalmente e, portanto, mantendo a pressão no interior constante.</p><p>Figura 11 - Biodigestor modelo Indiano – vista frontal</p><p>Fonte: Strapasson et al. (2014).</p><p>A parede divisória faz com que o material circule por todo o interior da</p><p>câmara de fermentação. A Figura 12 apresenta a vista superior</p><p>deste modelo de</p><p>biodigestor.</p><p>Figura 12 - Biodigestor modelo indiano</p><p>Fonte: CIBiogás (2016).</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>33</p><p>Nesse biodigestor, a temperatura de fermentação não varia muito, pois</p><p>como normalmente é construído enterrado no solo, sofre pouca variação de</p><p>temperatura, favorecendo a ação dos micro-organismos. Contudo, pelo fato do</p><p>biodigestor ser instalado no solo, é imprescindível todo o cuidado com infiltrações</p><p>no lençol freático.</p><p>Demanda trabalho manual para alimentação e retirada do digestato, sendo</p><p>que o substrato deve ser bem diluído para evitar entupimentos no sistema de</p><p>entrada e facilitar a circulação do material no interior do biodigestor.</p><p>Este tipo de biodigestor é muito utilizado para aplicações domésticas por</p><p>ser de baixo custo de construção e operação, principalmente em pequenas</p><p>propriedades rurais. Contudo, a campânula costuma ter problemas de corrosão, se</p><p>utilizado material metálico.</p><p>Biodigestor modelo chinês</p><p>É formado por uma câmara cilíndrica em alvenaria, para fermentação, com</p><p>teto servindo para o armazenamento de parte do biogás produzido, ou seja, um</p><p>gasômetro impermeável e fixo como pode ser visto na Figura 13.</p><p>Figura 13 - Vista superior de um biodigestor modelo chinês.</p><p>Fonte: Taller Biogás (2018).</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>34</p><p>Como neste tipo de digestores não há gasômetro, o biogás é armazenado</p><p>dentro do sistema, funcionando com base no princípio de prensa hidráulica, ou seja,</p><p>se houver aumento de pressão em seu interior devido ao acúmulo de biogás,</p><p>ocorrerão deslocamentos do efluente da câmara de fermentação para a caixa de</p><p>saída, e em sentido contrário se houver descompressão (Figura 14).</p><p>Figura 14 - Esquema de concepção de biodigestor modelo chinês</p><p>Fonte: Strapasson et al. (2014).</p><p>Devido à perda de uma parcela do gás formado na caixa de saída para a</p><p>atmosfera, o que faz reduzir parcialmente a pressão interna do gás, este tipo de</p><p>biodigestor não é utilizado para instalações de grande porte, demandando também,</p><p>trabalho para alimentação do substrato e retirada do digestato.</p><p>Também tem uma relação custo-benefício atrativa, e semelhante ao</p><p>modelo indiano, o substrato deverá ser fornecido continuamente, com baixas</p><p>concentração de sólidos totais para evitar entupimentos do sistema de entrada e</p><p>facilitar a circulação do material.</p><p>Biodigestor de fluxo tubular (plug flow) – Lagoa coberta</p><p>Neste modelo, também conhecido como lagoa coberta, canadense ou fluxo</p><p>pistão, o substrato tem entrada contínua em uma das extremidades, passando</p><p>através do biodigestor e sendo descarregado na outra extremidade.</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>35</p><p>É construído com geometria piramidal (Figura 15), escavado no solo e</p><p>impermeabilizado em alvenaria ou com material geossintético, normalmente PVC e</p><p>PEAD, com as aberturas para a entrada do substrato e saída do digestato.</p><p>Figura 15 - Biodigestor de lona coberta – BLC</p><p>Fonte: Torres et al. (2012)</p><p>A câmara é coberta por material geossintético flexível que infla conforme o</p><p>gás é produzido, servindo como reservatório do biogás, e podendo ser retirada e</p><p>limpa pelo fácil manuseio (Figura 16).</p><p>Contém uma grande área de exposição ao sol, o que contribui para</p><p>produção de biogás em regiões quentes (CASTANHO & ARRUDA, 2008), porém é</p><p>mais sensível às variações térmicas, sendo mais recomendável para regiões de</p><p>temperaturas constantes.</p><p>Figura 16 - Desenho esquemático de um biodigestor de fluxo tubular.</p><p>Fonte: CIBiogás (2016).</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>36</p><p>Segundo a PROBIOGÁS (2015), esse tipo de sistema deve operar com um</p><p>percentual de sólidos totais inferior a 5%. Entretanto, para um funcionamento</p><p>eficiente do sistema, é aconselhável, como boas práticas, utilizar um teor de sólidos</p><p>totais de no máximo 2% (CIBiogás, 2018).</p><p>A utilização destes biodigestores foi de grande interesse nos últimos anos</p><p>no Brasil, sendo, atualmente o modelo mais utilizado no país, devido à fácil</p><p>construção e pela evolução na tecnologia de geomembranas.</p><p>O mercado de créditos de carbono também contribuiu para a</p><p>popularização de sua utilização, devido a captura do biogás que seria emitido pelas</p><p>lagoas anaeróbias. Na Figura 17 é possível observar uma foto de um biodigestor de</p><p>fluxo tubular.</p><p>Figura 17 - Biodigestor Plug-Flow (Fluxo tubular).</p><p>Fonte: CIBiogás (2016).</p><p>Uma variação do modelo de fluxo tubular é o uso de bolsas de</p><p>geomembrana parcialmente enterradas e com cobertura que permita a entrada dos</p><p>raios solares e aquecimento natural, como na Figura 18.</p><p>Esse modelo é muito utilizado em escala doméstica em diversos países da</p><p>América Latina e Caribe, podendo ter custos menores que os modelos chinês e</p><p>indiano. Porém, demandam volume maior por exigirem um substrato com menor</p><p>quantidade de sólidos.</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>37</p><p>Figura 18 - Biodigestor de fluxo tubular – Bolsa de geomembrana.</p><p>Fonte: RedBioLAC (2016)</p><p>Outra variação desse modelo de biodigestor é a lagoa coberta com mistura</p><p>mecânica, esse tipo de lagoa é uma adaptação dos reatores de mistura contínua e</p><p>apresenta maior eficiência na produção de biogás se comparada às lagoas clássicas</p><p>existentes, podendo operar com uma concentração de ST de 10 a 15% (PROBIOGÁS,</p><p>2015).</p><p>De acordo com o monitoramento e acompanhamento das Unidades de</p><p>Demonstração realizado pelo CIBiogás, recomenda-se que esse tipo de sistema</p><p>opere com uma concentração máxima de ST de 6%.</p><p>Para saber mais:</p><p>Os biodigestores para aplicações domésticas e em</p><p>zonas mais carentes devem ter características bem</p><p>específicas para obterem um custo-benefício</p><p>adequado à realidade dessas regiões. Para mais dados</p><p>sobre este assunto, você, poderá acessar as</p><p>informações disponibilizadas pela Red de</p><p>Biodigestores para Latinoamérica y Caribe de 2016,</p><p>Oportunidades para el desarrollo de un sector sostenible</p><p>de biodigestores de pequeña y mediana escala en LAC.</p><p>Disponível em: http://redbiolac.org/2016/11/ya-esta-disponible-</p><p>la-publicacion-sobre-biodigestores-en-version-digital-descarguela-</p><p>aqui/</p><p>http://redbiolac.org/2016/11/ya-esta-disponible-la-publicacion-sobre-biodigestores-en-version-digital-descarguela-aqui/</p><p>http://redbiolac.org/2016/11/ya-esta-disponible-la-publicacion-sobre-biodigestores-en-version-digital-descarguela-aqui/</p><p>http://redbiolac.org/2016/11/ya-esta-disponible-la-publicacion-sobre-biodigestores-en-version-digital-descarguela-aqui/</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>38</p><p>Reatores do tipo filme fixo - UASB</p><p>Dos reatores anaeróbios de filme fixo, o mais conhecido é o Upflow</p><p>Anaerobic Sludge Blanket ou Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente com Manta de</p><p>Lodo (UASB), que apresenta um alto desempenho na produção de biogás e</p><p>caracteriza-se pelo fluxo ascendente dos efluentes. Na Figura 19, é possível observar</p><p>a estrutura interna de um reator UASB.</p><p>Sua peculiaridade está no fluxo ascendente contínuo na câmara de</p><p>digestão, causado pela disposição da entrada da biomassa, que se dá na parte</p><p>inferior da câmara.</p><p>Ao se iniciar as operações, o perfil de sólidos no reator varia de muito denso</p><p>e com partículas granulares de elevada capacidade de sedimentação, próximas ao</p><p>fundo (leito de lodo), até um lodo mais disperso e leve, próximo ao topo do reator</p><p>(manta de lodo).</p><p>Figura 19 - Esquema de funcionamento de biodigestor de fluxo ascendente – UASB</p><p>Fonte: Campos (1999).</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>39</p><p>Como o biodigestor é vertical, a biomassa inserida passa primeiramente</p><p>pelo leito de lodo e manta de lodo, e como ambas possuem uma densidade de</p><p>micro-organismos muito elevada, há uma agilização no processo de digestão.</p><p>Um dispositivo de separação de gases, sólidos e líquidos (separador</p><p>trifásico) evita que o fluxo ascendente dos gases que se</p><p>formam nos processos de</p><p>estabilização carregue as partículas que se desgarram da manta de lodo, permitindo</p><p>que estas retornem à câmara de digestão, ao invés de serem arrastadas para fora</p><p>do sistema junto com o digestato.</p><p>Esse lodo gerado e armazenado no reator UASB deve ser retirado do fundo</p><p>do tanque de forma equilibrada para não comprometer a flora bacteriana. Ademais,</p><p>este modelo requer um maior controle na operação, pois a formação dos grânulos</p><p>não é um processo simples, havendo baixa velocidade do crescimento dos micro-</p><p>organismos metanogênicos, além de possuir uma construção estrutural mais</p><p>complexa (JUNQUEIRA, 2014).</p><p>Contudo, pode ou não ser adicionado um inóculo, uma vez que adicionado,</p><p>promove a diminuição do tempo necessário para a bioestabilização anaeróbia dos</p><p>resíduos, já que contribui para a melhora da densidade microbiana (PROSAB, 2003).</p><p>Uma limitação destes reatores se baseia-se no fato de não tolerarem altas</p><p>concentrações de sólidos na alimentação do sistema, necessitando uma boa</p><p>separação prévia sólido-líquida.</p><p>Definição</p><p>O inóculo é composto que contém micro-</p><p>organismos típicos da digestão anaeróbica anterior,</p><p>fornecendo ao novo substrato uma população</p><p>adicional de micro-organismos já adaptados ao</p><p>substrato.</p><p>São retirados do interior de um biodigestor já em</p><p>operação, fazendo com que acelere a adaptação da</p><p>nova biodigestão.</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>40</p><p>Na Figura 20, observa-se um biodigestor modular de fibra de vidro vertical</p><p>rígido, semienterrado no solo, uma adaptação dos reatores de fluxo ascendente</p><p>convencionais.</p><p>Figura 20 - Foto de um reator tipo UASB</p><p>Fonte: JIE (2016).</p><p>Biodigestores via seca</p><p>Biodigestores em fase sólida, ou via seca, são mais comuns em operação</p><p>por batelada, sendo alimentados com resíduos contendo entre 20 e 40% de ST,</p><p>sendo normalmente utilizados para substratos como fração orgânica dos RSU,</p><p>gramas, restos de alimentos, entre outros.</p><p>A adição de água é dispensável nesse processo e a quantidade de sólidos</p><p>no biodigestor afeta o seu volume e o processo de tratamento. Porém, devido à</p><p>baixa concentração de água em sistemas de digestão em fase sólida, necessita-se</p><p>de biodigestores com menores volumes (comparados às outras tecnologias</p><p>estudadas nesse curso).</p><p>Em contrapartida, tem-se a necessidade de bombas para recirculação do</p><p>líquido proveniente de digestões anteriores, chamado de percolado ou lixiviado,</p><p>sendo recirculado sobre a fração sólida e assim, inoculando o substrato e</p><p>garantindo um nível de umidade no processo. Na Erro! Fonte de referência não</p><p>encontrada. observa-se o esquema desse sistema.</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>41</p><p>Figura 21 - Biodigestor em fase sólida e em batelada, com recirculação de inóculo</p><p>Fonte: Adaptado de Kothari et al. (2014).</p><p>É possível regular a temperatura do processo e do líquido de percolação</p><p>por um sistema de aquecimento embutido no piso no interior do reator, e por um</p><p>permutador de calor que atua como reservatório para o líquido de percolação</p><p>(SEADI, 2008).</p><p>Porém, deve-se ressaltar que os reatores de via seca devem ser operados</p><p>com um regime intermitente de recirculação, pois a recirculação contínua pode</p><p>causar a diminuição na produção de metano acumulado pelo fato de contribuir para</p><p>a acidificação do meio, lixiviando alguns compostos em que as arqueas</p><p>metanogênicas não são capazes de metabolizar, inibindo-as (KUSH, 2013).</p><p>A Erro! Fonte de referência não encontrada. demonstra exemplos de três</p><p>configurações de plantas com uso de biodigestores de via seca.</p><p>Figura 22 - Exemplos de configurações especiais na fermentação a seco</p><p>Fonte: BMELV (2010).</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>42</p><p>O tempo de digestão da via seca é entre 2 a 4 semanas, dependendo do</p><p>tipo de substrato. A seguir algumas características são apresentadas.</p><p>• A produtividade de biogás é de 15 a 40% menor quando comparada com a</p><p>via úmida;</p><p>• Produzem quantidades mais baixas de metano, mesmo a taxas mais</p><p>elevadas de carga orgânicas;</p><p>• Suporta substratos com maior concentração de sólidos, além de maior</p><p>tamanho de partícula;</p><p>• Não é necessária grande diluição dos substratos;</p><p>• O biorreator precisa ser aberto para ser preenchido e/ou esvaziado;</p><p>• Alimentação do biorreator é descontínua.</p><p>Um exemplo é o uso desta rota por fermentação em bolsas de plástico, uma</p><p>adaptação da tecnologia de silagem. Nela, uma bolsa de plástico impermeável a</p><p>gases, deitada sobre uma placa aquecível de concreto, é alimentada com substrato</p><p>por meio de um equipamento de enchimento.</p><p>O biogás é capturado por uma tubulação de coleta e transportado até o</p><p>local de aproveitamento do gás. A umidificação do substrato se restringe à</p><p>percolação regular, até que o material a fermentar se encontre submerso.</p><p>Biodigestor de mistura contínua (CSTR)</p><p>Os reatores de mistura contínua, também conhecidos como Continuous</p><p>Flow Stirred Tank Reactor (CSTR), utilizam um alto nível tecnológico para geração de</p><p>biogás, controlando de maneira bastante confiável todo o processo de biodigestão</p><p>(temperatura, agitação, entre outros).</p><p>São muito utilizados na Europa, em países como a Alemanha, Áustria e</p><p>Dinamarca, para geração de biogás para codigestão de resíduos animais e vegetais</p><p>e semelhante ao UASB, pode ser ou não adicionado inóculo.</p><p>Também chamado de modelo de mistura completa, o CSTR é constituído</p><p>de concreto reforçado, com sistema de aquecimento no interior e exterior das</p><p>paredes e no chão.</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>43</p><p>Possui também isolamento ao redor das paredes e debaixo do piso,</p><p>garantindo perda mínima de calor. É composto por um misturador, sistema de</p><p>trituração, controladores de temperatura, sistema de controle dos parâmetros</p><p>físicos, químicos e microbiológicos, todos no interior do biodigestor (Erro! Fonte de</p><p>referência não encontrada.).</p><p>Figura 23 - Biodigestor de mistura completa – resíduos animais e vegetais</p><p>Fonte: Curso de Operacionalização de Biodigestores (2016).</p><p>A maioria dos sistemas são construídos com uma cobertura exterior e</p><p>interior. A cobertura exterior protege dos elementos da atmosfera e a interna</p><p>armazena o biogás.</p><p>A Erro! Fonte de referência não encontrada. apresenta uma foto do uso</p><p>deste tipo de biodigestor em uma unidade de demonstração da Itaipu, instalada,</p><p>operada e monitorada pelo CIBiogás. De acordo com as experiências do CIBiogás,</p><p>recomenda-se que esse tipo de sistema opere com um teor de ST de no máximo</p><p>12%.</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>44</p><p>Figura 24 - Unidade de Demonstração Itaipu de biometano</p><p>Fonte: CIBiogás (2017).</p><p>A Erro! Fonte de referência não encontrada. apresenta um biodigestor</p><p>de mistura completa com agitação mecânica com agitador de eixo longo com</p><p>demais equipamento desse sistema.</p><p>Figura 25 - Biodigestor de mistura completa com agitação</p><p>Fonte: BMELV (2010).</p><p>3.4.3. Classificação dos biodigestores por porte</p><p>Os intervalos que classificam os biodigestores entre pequeno, médio e</p><p>grande variam bastante dependendo da literatura utilizada.</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>45</p><p>Uma referência a se utilizar é a Lei Alemã de Energias Renováveis (EEG)</p><p>(2004), país líder nesse assunto nos últimos anos. Assim, a classificação por porte</p><p>sugerida está descrita a seguir.</p><p>Biodigestores de pequena, média e grande escala</p><p>São biodigestores construídos com foco no tratamento de efluentes em</p><p>atividades produtivas, podendo, também, ser instalados com foco específico na</p><p>produção de biogás, visando uso para energia elétrica, onde, em alguns casos, são</p><p>utilizados cultivos energéticos como substrato na biodigestão.</p><p>Por serem de pequena, média e grande escala, demandam um nível</p><p>tecnológico mínimo para manter a operação com pouca mão de obra e custos</p><p>Na Europa, em busca de aumentar o uso de fontes</p><p>renováveis de energia, alguns países começaram a</p><p>pagar mais pela energia elétrica gerada por essas</p><p>fontes, o que é chamado de subsídio. Isso viabilizou</p><p>o cultivo de grãos para armazenamento (silagem) e</p><p>uso durante todo o inverno, inclusive no inverno</p><p>rigoroso, para produção de biogás. No Brasil e na</p><p>América Latina, em geral, a grande quantidade de</p><p>efluentes e resíduos disponíveis para a biodigestão e</p><p>a falta de subsídios, não incentivam os cultivos</p><p>energéticos para produção de biogás.</p><p>Exemplo</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>46</p><p>reduzidos de manutenção. Porém, isso varia muito conforme a disponibilidade de</p><p>recursos, subsídios, substratos, clima, custo da mão de obra, entre outros fatores</p><p>que implicam no sistema de implantação do biodigestor e na garantia da eficiência</p><p>do processo e a viabilidade econômica do investimento.</p><p>Biodigestores domésticos</p><p>Os biodigestores domésticos são caracterizados por terem uma boa</p><p>relação entre custo de instalação, operação, manutenção e eficiência. Além disso,</p><p>são aplicados para pequenas vazões e regiões com poucos recursos financeiros.</p><p>Há centenas de anos os modelos indianos e o chinês, apresentados no</p><p>capítulo 3.4.2, vêm sendo utilizados em regiões carentes para o tratamento de</p><p>esgoto, resíduos de alimentos e efluentes de animais, para que haja produção de</p><p>biogás e digestato.</p><p>Porém, nas últimas décadas, seu uso cresceu em diversas regiões do</p><p>planeta, como Ásia, África, América Latina e Caribe, devido ao aumento da demanda</p><p>e difusão da tecnologia.</p><p>Modelos com maior nível tecnológico vêm sendo desenvolvidos para uso</p><p>doméstico nos últimos anos em busca de melhorar a sustentabilidade de regiões</p><p>urbanas (Figura 26). Porém, nitidamente, tem custos mais elevados e não são</p><p>acessíveis a todas as classes sociais, e por isso ainda é mais utilizável, nessa</p><p>categoria, os modelos indianos e o chinês.</p><p>Figura 26 - Exemplos de biodigestores modernos adaptados para aplicações domésticas</p><p>(Biogás Home)</p><p>Fonte: Homebiogas (Disponível em: <https://homebiogas.com>).</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>47</p><p>3.4.4. Eficiência das tecnologias na produção de biogás</p><p>A realização de um projeto de biogás está condicionada ao conhecimento</p><p>profundo e multidisciplinar de todos os aspectos relacionados ao substrato, à</p><p>tecnologia energética, legislação, administração, organização e logística.</p><p>Considerando que o mercado oferece uma variedade incrível de opções</p><p>técnicas, apresentaremos, brevemente, algumas tecnologias que estão atualmente</p><p>disponíveis no mercado e os princípios para a escolha do substrato e da tecnologia</p><p>a se usar.</p><p>Existem inúmeras combinações entre componentes e equipamentos para</p><p>utilização em uma planta de biogás, como também para a produção. As técnicas</p><p>típicas são apresentadas na Tabela 4.</p><p>Tabela 4 - Classificação das técnicas de geração de biogás conforme diferentes critérios.</p><p>Critério Tipo</p><p>Teor de matéria seca dos substratos - digestão úmida</p><p>- digestão seca</p><p>Regime de Alimentação - descontinua</p><p>- semicontínua</p><p>- contínua</p><p>N° de fases do processo - uma fase</p><p>- duas fases</p><p>Temperatura do processo - psicrofílico</p><p>- mesofílicos</p><p>- termofílico</p><p>Fonte: FNR (2010).</p><p>A consistência dos substratos depende do seu teor de matéria seca, o que</p><p>justifica a classificação básica da tecnologia de biogás em técnicas de digestão seca</p><p>e técnicas de digestão úmida. A digestão úmida se realiza com substratos</p><p>bombeáveis, já a seca faz uso de substratos empilháveis.</p><p>A diluição do substrato em água apresenta como vantagem a minimização</p><p>dos riscos de choque de carga orgânica e/ou de cargas tóxicas ao processo de</p><p>metanização, em função da diluição e solubilização da concentração desses</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>48</p><p>compostos no meio líquido, bem como a digestão mais rápida do substrato devido</p><p>a facilidade do contato dos micro-organismos com o material que será degrado.</p><p>Conforme definições estipuladas em publicação de apoio do Ministério do</p><p>Meio Ambiente da Alemanha, baseadas na Lei Alemã de Energias Renováveis (EEG)</p><p>de 2004, na entrada, um teor de matéria seca de no mínimo 30% (base em massa)</p><p>e uma carga orgânica volumétrica de no mínimo 3,5 kg matéria orgânica dia no</p><p>biodigestor. Na digestão úmida, o substrato líquido pode ter um teor de matéria</p><p>seca de até 12% (em massa).</p><p>Na Europa, a maioria das plantas de biogás agrícolas adotam a digestão</p><p>úmida, realizada nos típicos reservatórios circulares. A explicação detalhada dos</p><p>tipos de biodigestores já foi vista no item 3.4.2.</p><p>Na técnica de fluxo contínuo, o substrato é bombeado várias vezes ao dia</p><p>para o biodigestor, onde a mesma quantidade de substrato carregada no</p><p>biodigestor chega no reservatório de digestato por pressão ou retirada.</p><p>Já a alimentação semi-contínua, uma carga de substrato não fermentado é</p><p>introduzida no biodigestor no mínimo uma vez a cada dia de funcionamento.</p><p>Comprovou-se que a alimentação em pequenas cargas várias vezes ao dia</p><p>oferece uma produção de gás uniforme e a utilização mais eficiente do espaço do</p><p>biodigestor.</p><p>Sobre o número de fases em que um processo pode ser conduzido,</p><p>caracteriza-se por bifásico quando as fases de hidrólise e metanização são</p><p>realizadas em reservatórios diferentes, como também em diferentes condições, tais</p><p>como, de pH e temperatura.</p><p>Como já explicado no item 3.2 desse material, os micro-organismos são</p><p>divididos em 3 categorias. Na prática, não há limites rígidos entre as diferentes</p><p>faixas de temperatura, mas as variações bruscas podem prejudicar o seu</p><p>desenvolvimento.</p><p>Contudo, os micro-organismos metanogênicos possuem a capacidade de</p><p>se adaptar a diferentes níveis de temperatura quando a sua variação é lenta e por</p><p>isso a estabilidade do processo depende muito mais da constância da temperatura</p><p>do que do valor absoluto em si.</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>49</p><p>A eficiência tecnológica de um sistema de produção de biogás também está</p><p>relacionada ao bom aproveitamento do gás. Por exemplo, se o biogás é utilizado</p><p>para a geração de energia elétrica, deve-se operar o motor com potência instalada</p><p>para gerar o máximo possível, sem que haja a necessidade de queimar o biogás</p><p>excedente por meio de um queimador ou flare.</p><p>Na Figura 27 é apresentado um gráfico com a estimativa de produção de</p><p>biogás de um substrato genérico por quatro diferentes tipos de digestores</p><p>anaeróbios: lagoa coberta, mistura completa, filme fixo e fluxo em pistão. As colunas</p><p>representam o valor médio de produção e a linha preta no meio de cada coluna é a</p><p>barra de erros que representa os intervalos dos valores de produção obtidos.</p><p>Figura 27 - Produção de biogás por quatro diferentes tipos de digestores anaeróbios</p><p>Fonte: Adaptado de Cantrell et al. (2008).</p><p>A produção de biogás e metano a partir do substrato utilizado reflete a</p><p>eficiência de um sistema de produção. Normalmente, este parâmetro está</p><p>relacionado com a carga orgânica adicionada.</p><p>O modelo e o nível tecnológico do biodigestor a ser escolhido para geração</p><p>de biogás é uma decisão do responsável técnico e do proprietário ou usuário.</p><p>Contudo, é importante que se tenha ciência dos limites de cada tecnologia no que</p><p>diz respeito à geração de biogás.</p><p>Os biodigestores de fluxo tubular, por exemplo, têm como vantagem o seu</p><p>baixo custo. No entanto, não se pode esperar que estes reatores operem com a</p><p>Conceitos Básicos e Digestão Anaeróbia</p><p>50</p><p>mesma eficiência dos biodigestores de mistura completa com controle de</p><p>temperatura.</p><p>Portanto, a tecnologia instalada deve ser compatível com o substrato</p><p>utilizado (características e quantidade disponível), com a expectativa de produção,</p><p>com a demanda energética do local, com as características do meio (temperatura,</p><p>declividade do terreno, radiação solar, etc.) com a capacidade de tratamento</p>