Avaliação da Utilização de Vinhaça em Lavadores de Gases

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NÉLIA ALVES DE PAULA
AVALIAÇÃO DA UTILIZAÇÃO DE VINHAÇA COMO LÍQUIDO EM LAVADORES DE GASES
RIBEIRÃO PRETO 2010
 (
0
) (
UNIVERSIDADE DE RIBEIRÃO PRETO – UNAERP
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS, NATURAIS E TECNOLOGIAS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIA AMBIENTAL
)
NÉLIA ALVES DE PAULA
AVALIAÇÃO DA UTILIZAÇÃO DE VINHAÇA COMO LÍQUIDO EM LAVADORES DE GASES
Dissertação apresentada ao Programa de Pós- Graduação para obtenção do Título de Mestre em Tecnologia Ambiental da Universidade de Ribeirão Preto.
Orientador: Prof. Dr. Murilo D. de Mello Innocentini
RIBEIRÃO PRETO 2010
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2
)
Ficha catalográfica preparada pelo Centro de Processamento Técnico da Biblioteca Central da UNAERP
- Universidade de Ribeirão Preto -
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Paula, Nélia Alves de, 1985 -
P324a
Avaliação da utilização de vinhaça como líquido e lavadores de gases / Nélia Alves de Paula. - - Ribeirão Preto,
 
2011.
126 f.: il. color.
Orientador: Prof. Dr. Murilo Daniel de Mello Innocentini.
Dissertação (mestrado) - Universidade de Ribeirão Preto,
UNAERP, Tecnologia ambiental. Ribeirão Preto, 2011.
1. Tecnologia ambiental. 2. Etanol. 3. Vinhaça. 4.
)
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3
)NÉLIA ALVES DE PAULA
AVALIAÇÃO DA UTILIZAÇÃO DE VINHAÇA COMO LÍQUIDO EM LAVADORES DE GASES
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação para obtenção do Título de Mestre em Tecnologia Ambiental da Universidade de Ribeirão Preto.
Área de concentração: Tecnologia Ambiental Data da defesa: 27/09/2010
Resultado:
Banca Examinadora
Prof. Dr. José Antonio Silveira Gonçalves Universidade Federal de São Carlos
Prof. Dr. Murilo Daniel de Mello Innocentini Universidade de Ribeirão Preto
Profa. Dra. Maristela Silva Martinez Universidade de Ribeirão Preto
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4
)AGRADECIMENTOS
Agradeço a todos que colaboraram direta ou indiretamente para a realização deste trabalho. Em especial aos amigos da Usina São Martinho, que abriram as portas para que eu pudesse coletar o material necessário para os experimentos e sempre estiveram dispostos a me ajudar.
Aos meus colegas de trabalho da Empral e Sucrana, por acreditarem na minha capacidade e por me ajudarem a cumprir esta meta.
Em destaque gostaria de agradecer aos meus pais pelo suporte financeiro e emocional, ao meu irmão pelo companheirismo e paciência e aos demais familiares que sempre torceram pela minha vitória.
Aos professores, estagiários e funcionários da UNAERP. O meu muito obrigado ao meu orientador Murilo, pela paciência e por todo o conhecimento compartilhado ao longo do trabalho. Às professoras Luciana, Maristela e Márcia que sempre acreditaram no meu potencial. À Norma e a Dona Ivone, que me acompanham desde os tempos de graduação e compartilharam comigo bons e maus momentos no Bloco D. Ao José Guilherme, que me auxiliou em alguns ensaios e sempre esteve disposto a me ajudar. À professora Cristina e aos seus estagiários que disponibilizaram os recursos do Laboratório de Recursos Hídricos para a realização das análises e pacientemente me auxiliaram.
Aos meus amigos que sempre estiveram ao meu lado dando força para que eu seguisse em frente e enfrentasse cada desafio com perseverança e motivação.
A todas as pessoas que passaram por minha vida neste momento e que colaboraram para que pudesse conseguir buscar os meus sonhos.
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5
)RESUMO
A crescente demanda por biocombustíveis acelerou a produção de etanol no Brasil, que resulta em um aumento na produção de vinhaça, resíduo altamente poluente e corrosivo proveniente da destilação. A proposta deste trabalho é utilizar a vinhaça como líquido em lavadores de gases, pois este equipamento de controle de poluição atmosférica requer uma grande quantidade de água que pode ser suprida pela vinhaça. O efluente gerado pode ser utilizado diretamente como fertilizante ou tratado para remoção da fuligem coletada, sendo a água reutilizada no processo para usos menos nobres e a fuligem destinada a lavoura de cana. Foi feito um balanço de massa para uma destilaria utilizando a vinhaça como líquido no lavador de gases, projetou-se um lavador de gases após várias simulações dos principais parâmetros de projeto, realizou-se ensaios de evaporação de vinhaça in natura e tratada físico- quimicamente com Ca(OH)2 para verificar a possível emissão de material volátel e realizou-se ensaios de sedimentação utilizando o hidróxido de cálcio para projetar sedimentadores para o tratamento da vinhaça. Concluiu-se que para o volume de gases calculado a vazão de vinhaça gerada não foi suficiente, sendo necessária a recirculação de parte dela. Houve um arraste de DQO com a evaporação de vinhaça, que gerou a necessidade de um tratamento prévio antes da entrada deste líquido no lavador de gases ou a utilização de um condensador para coleta dos vapores emitidos. Somente o projeto de lavador de gases para uma altura de 7 m e razão líquido-gás de 0,001 m³/m³ excedeu os limites de emissões de material particulado exigido pela legislação brasileira. O projeto de lavador de gases recomendado foi de altura de 15 m e razão líquido-gás de 0,001 m³/m³ devido à menor utilização recirculação de vinhaça. Os sedimentadores projetados através do Método de Roberts apresentaram diâmetros grandes se comparados aos usualmentes encontrados no setor, exceto para concentração de 0,5% de Ca(OH)2. Foi considerada a taxa de evaporação de 4% da vazão de circulação do lavador que representou uma evaporação de vinhaça na faixa de 38 m³/h a 115 m³/h de acordo com a razão líquido-gás utilizada, significando uma redução nos gastos de água de R$ 45.250,00 até R$ 138.700,00 por ano.
Palavras-chave: etanol, vinhaça, lavador de gases, sedimentação, economia de água
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6
)ABSTRACT
Growing demand for biofuels has accelerated the production of ethanol in Brazil, which results in an increased production of vinasse, a corrosive and highly polluting waste from the distillation. The purpose of this work is to use vinasse as liquid in wet scrubbers because this equipment to control air pollution requires a large amount of water that can be supplied by vinasse. The effluent can be used directly as fertilizer or treated to remove the soot collected, the water can be reused in the process for uses less noble and soot can be applied in sugarcane fields. It was made a mass balance for a distillery using vinasse as liquid in the wet scrubber, designed a wet scrubber after several simulations of the main design parameters, it was made tests of evaporation of vinasse in natura and physico-chemically treated with Ca(OH)2 to check possible emission of volatile organic compounds and it was made sedimentation using calcium hydroxide to project clarifier for vinasse treatment. It was concluded that for the calculated volume of gases, vinasse flow was not enough, it was necessary to recirculate part of it. There was a carying of COD with the evaporation of vinasse, creating the need of a pretreatment before the entry of the liquid in the wet scrubber or the utilization of a condenser for collecting emited vapours. Only the wet scrubber project for 7 m hight and liquid-gas ration of 0,001 m³/m³ exceeded the limits of particulated material emission required by Brazilian regulamentation. The recommended wet scrubber desing was diameter of 11,92 m,
15 m hight and liquid-gas ration of 0,001 m³/m³ due to lower requeriment of vinasse recirculation. Clarifiers projected by Roberts Methods presented high diameters if they were compared with usual ones instailled, except for the one projected for a concentration of 0,5% de Ca(OH)2. It was considered an evaporation rate of 4% of circulation liquid in wet scrubber that represented vinasse evaporation flow of 38 m³/h up to 115 m³/h, accoding to used liquid- gas ration, it meant a water costs reduction of R$ 45.250,00 up to R$ 138.700,00 per year.
Key-words: ethanol, vinasse, wet scrubber, clarification, water economy
 (
7
)LISTA DE FIGURAS
	Figura 1 -
	Produção brasileira de etanol segundo dados publicados pelaÚNICA
em 2009......................................................................................................
	
18
	Figura 2 -
	Produção brasileira de etanol por região brasileira segundo dados
publicados pela ÚNICA em 2009...............................................................
	
18
	Figura 3 -
	Matriz de combustíveis veiculares no ano base 2006.................................
	19
	Figura 4 -
	Matriz energética brasileira no ano base 2006...........................................
	20
	Figura 5 -
	Fluxograma simplificado da produção de álcool a partir da cana-de-
açúcar..........................................................................................................
	
21
	Figura 6 -
	Esquema de utilização de água (circuitos abertos) em uma usina
sucroalcooleira............................................................................................
	
23
	Figura 7 -
	Distribuição	média	dos	usos	pontuais	de	água	na	indústria
sucroenergética, situação atual...................................................................
	
26
	Figura 8 -
	Custo da água por região do Brasil no ano de 1999...................................
	29
	Figura 9 -
	Representação simplificada da geração de resíduos provenientes da
produção de etanol.....................................................................................
	
30
	Figura 10 -
	Esquema simplificado de um aparelho de destilação destacando a
vinhaça........................................................................................................
	
31
	Figura 11 -
	Classificação dos diversos tipos de materiais em suspensão e seu
diâmetro......................................................................................................
	
35
	Figura 12 -
	Esquema representativo do potencial zeta..................................................
	36
	Figura 13 -
	Potencial zeta da vinhaça............................................................................
	37
	Figura 14 -
	Representação do gráfico do potencial zeta com as zonas estáveis e
instáveis......................................................................................................
	
37
	Figura 15 -
	Processo de coagulação e floculação..........................................................
	46
	Figura 16 -
	Caldeira de biomassa e lavador de gases....................................................
	50
	Figura 17 -
	Distribuição granulométrica discreta da fuligem originada da queima do
bagaço.........................................................................................................
	
53
	Figura 18 -
	Distribuição granulométrica do material particulado proveniente da
queima do bagaço de cana-de-açúcar.........................................................
	
55
	Figura 19 -
	Mecanismo de coleta de partículas em um lavador de gases.....................
	57
	Figura 20 -
	Principais tipos de lavadores de gases........................................................
	58
	Figura 21 -
	Caldeiras analisadas pela CETESB e comparadas à resolução do
CONAMA nº 382.......................................................................................
	
62
	Figura 22 -
	Emissão de material particulado de 34 caldeiras com potência superior a
75 MW........................................................................................................
	
63
	Figura 23 -
	Curva de sedimentação...............................................................................
	65
	Figura 24 -
	Representação do balanço de massa no sedimentador...............................
	66
	Figura 25 -
	Curva de decantação típica do método de Kynch.......................................
	66
	Figura 26 -
	Gráficos típicos do método de Roberts.......................................................
	67
	Figura 27 -
	Esquema simplificado da alternativa de uso de vinhaça in natura no
lavador de gases..........................................................................................
	
68
	Figura 28 -
	Sistema de rotaevaporação utilizado nos ensaios.......................................
	89
	Figura 29 -
	Fluxograma do processo com resultados do balanço de massa..................
	102
	Figura 30 -
	Variação da eficiência fracionária em relação à variação da altura do
lavador de gases para uma razão líquido-gás fixa em 0,001 m³/m³............
	
104
	Figura 31 -
	Variação da eficiência fracionária em relação à variação da altura do
lavador de gases para uma razão líquido-gás fixa em 0,002 m³/m³............
	
104
 (
8
)
	Figura 32 -
	Variação da eficiência fracionária em relação à variação da altura do
lavador de gases para uma razão líquido-gás fixa em 0,003 m³/m³............
	
	
	
	105
	Figura 33 -
	Concentração de saída de fuligem de cada simulação realizada no
estudo..........................................................................................................
	
	
	
	106
	Figura 34 -
	Variação do diâmetro em função da velocidade do gás de combustão......
	107
	Figura 35 -
	Variação de DQO na água condensada evaporada da vinhaça bruta e
tratada físico-quimicamente para cada alíquota retirada............................
	
	
	
	109
	Figura 36 -
	Variação de pH da água condensada da vinhaça evaporada......................
	110
	Figura 37 -
	Sedimentação com concentração de 0,5% de Ca(OH)2..............................
	111
	Figura 38 -
	Sedimentação com concentração de 1,0% de Ca(OH)2..............................
	111
	Figura 39 -
	Sedimentação com concentração de 1,5% de Ca(OH)2..............................
	112
	Figura 40 -
	Sedimentação com concentração de 2,0% de Ca(OH)2..............................
	112
	Figura 41 -
	Vista em corta de uma caixa de sedimentação de água de lavagem de
fuligem........................................................................................................
	
	
	
	115
	Figura 42 -
	Foto de uma caixa de sedimentação de água de lavagem de fuligem........
	116
	Figura 43 -
	Foto de um sistema de tratamento de água de fuligem composto por
peneira rotativa, sedimentador e filtro prensa............................................
	
	
	
	116
	Figura 44 -
	Esquema simplificado de um cush-cush para tratamento de água de
fuligem........................................................................................................
	
	
	
	117
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9
)LISTA DE TABELAS
	Tabela 1 -
	Fatores de conversão de ART em etanol....................................................
	22
	Tabela 2 -
	Usos médios de água nos diversos setores do processo de produção de
açúcar e álcool no ano de 1995 e atual.......................................................
	
	
	
	26
	Tabela 3 -
	Caracterização físico-química da vinhaça..................................................
	33
	Tabela 4 -
	Propriedades da vinhaça em base seca.......................................................
	34
	Tabela 5 -
	Taxa de produção de vinhaça pura (sem flegmaça)...................................
	35
	Tabela 6 -
	Formas de utilização da vinhaça concentrada............................................
	41
	Tabela 7 -
	Coagulantes e floculantes usuais................................................................
	45
	Tabela 8 -
	Reduções alcançadas com 2,5% de Ca(OH)2.............................................
	47
	Tabela 9 -
	Ar e gases de combustão para queima estequiométrica do bagaço de
cana.............................................................................................................
	
	
	
	51
	Tabela 10 -
	Distribuição granulométrica acumulada da fuligem proveniente da
queima do bagaço.......................................................................................
	
	
	
	53
	Tabela 11 -
	Distribuição granulométrica do material particulado proveniente da
queima do bagaço de cana-de-açúcar.........................................................54
	Tabela 12 -
	Composição elementar do bagaço em base seca........................................
	56
	Tabela 13 -
	Mecanismos de coleta de partículas em um lavador..................................
	57
	Tabela 14 -
	Modelo de lavador de gases e parâmetros de operação.............................
	59
	Tabela 15 -
	Recomendações para projeto de lavadores do tipo torre de aspersão........
	60
	Tabela 16 -
	Limites de emissão para poluentes atmosféricos.......................................
	61
	Tabela 17 -
	Resultados do balanço de massa realizado para produção de vinhaça e
etanol..........................................................................................................
	
	
	
	95
	Tabela 18 -
	Resultados do balanço de massa realizado para geração de vapor.............
	96
	Tabela 19 -
	Resultado do balanço de massa realizado para o lavador de gases............
	97
	Tabela 20 -
	Fração mássica e vazão mássica de cada componente presente no ar de
combustão...................................................................................................
	
	
	
	98
	Tabela 21 -
	Composição mássica do bagaço em base úmida........................................
	98
	Tabela 22 -
	Vazão mássica de cada componente do bagaço.........................................
	99
	Tabela 23 -
	Vazões mássicas dos componentes dos gases de combustão.....................
	99
	Tabela 24 -
	Frações mássicas dos componentes dos gases de combustão....................
	100
	Tabela 25 -
	Resultados do balanço de massa para a corrente gasosa no lavador de
gases...........................................................................................................
	
	
	
	100
	Tabela 26 -
	Vazão de vinhaça evaporada e economia de água de reposição................
	101
	Tabela 27 -
	Parâmetros utilizados para os cálculos do projeto do lavador de gases
tipo torre de aspersão..................................................................................
	
	
	
	102
	Tabela 28 -
	Descrição das simulações efetuadas...........................................................
	103
	Tabela 29 -
	Descrição das amostras de água evaporada para análises de DQO e
pH...............................................................................................................
	
	
	
	108
	Tabela 30 -
	Descrição das amostras de água evaporada de vinhaça tratada com
hidróxido de cálcio.....................................................................................
	
	
	
	109
	Tabela 31 -
	Resultado do dimensionamento dos sedimentadores.................................
	113
	Tabela 32 -
	Operação das caixas de sedimentação para água de lavagem de
fuligem.......................................................................................................
	114
	Tabela 33 -
	Parâmetros e resultados para o dimensionamento das caixas de
sedimentação..............................................................................................
	115
 (
10
)LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
	ALCOPAR
	- Associação de Produtores de Álcool e Açúcar do Estado do Paraná
	ART
	- Açúcares Redutores Totais
	CETESB
	- Companhia Ambiental do Estado de São Paulo
	CTC
	- Centro de Tecnologia Canavieira
	DBO
	- Demanda Bioquímica de Oxigênio
	DQO
	- Demanda Química de Oxigênio
	EMBRAPA
	- Empresa Brasileira de Agricultura e Pecuária
	ETE
	- Estação de Tratamento de Efluentes
	IBGE
	- Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
	INPM
	- Instituto Nacional de Pesos e Medidas
	IPT
	- Instituto de Pesquisas Tecnológicas
	MME
	- Ministério de Minas e Energia
	MP
	- Material Particulado
	PAC
	- Policloreto de alumínio
	PASP
	- Ácido poliaspártico
	PCTS
	- Pagamento de Cana por Tonelada de Sacarose
	PEAD
	- Polietileno de Alta Densidade
	SBR
	- Reator batelada de lodo ativado
	UASB
	- Reator anaeróbico de fluxo descendente
	UDOP
	- União dos produtores de bioenergia
	UNICA
	- União da Indústria de Cana-de-açúcar
	CONAMA
	- Conselho Nacional do Meio Ambiente
LISTA DE SÍMBOLOS
	AR
	Açúcares redutores
	Ca
	Concentração de partículas na suspensão
	Cc
	Concentração da suspensão na zona limite
	Ce
	Concentração de fuligem na CNTP
	Ce
	Concentração de partículas na suspensão espessada
	Ceb
	Consumo específico de bagaço na caldeira
	Cev
	Consumo específico de vapor
	Cfv
	Concentração de fuligem na vinhaça
	Co
	Concentração da suspensão no instante inicial
	Dgota
	Diâmetro da gota gerada no bico atomizador
	DL
	Diâmetro do lavador cilíndrico
	dp
	Diâmetro médio da partícula
	dpi
	Diâmetro da partícula i
	Evap
	Vazão mássica de água evaporada no lavador de gases
	Fc
	Teor de fibra na cana
	g
	Aceleração da gravidade
	Gai
	Vazão mássica de umidade na entrada do lavador de gases
	Gao
	Vazão mássica de umidade na saída do lavador de gases
	Ggi
	Vazão mássica de gás seco na entrada do lavador de gases
	Ggo
	Vazão mássica de gás seco na saída do lavador de gases
	Gi
	Vazão mássica de gás úmido na entrada do lavador de gases
	Go
	Vazão mássica de gás úmido na saída do lavador de gases
	H
	Altura do lavador
	HAi
	Umidade absoluta do ar na entrada do lavador de gases
	HAo
	Umidade absoluta do ar na saída do lavador de gases
	Kpi
	Parâmetro de impactação
	MMC
	Massa molar de carbono
	MMCO2
	Massa molar de gás carbônico
	MMg
	Massa molar do componete i do bagaço presente no gás de combustão
	MMH2
	Massa molar de hidrogênio
	MMH2O
	Massa molar água
	MMN2
	Massa molar de nitrogênio
	MMO2
	Massa molar de oxigênio
	MMS
	Massa molar de enxofre
	MMSO2
	Massa molar dióxido de enxofre
	P
	Pressão atmosférica
	P1
	Pressão do ar/gás na CNTP
	P2
	Pressão do ar/gás na condição real
	PCI
	Poder calorífico inferior do bagaço
	Po
	Potência da caldeira instalada
	Pol
	Polarização (sacarose aparente)
	Polb
	Quantidade de pol presente no bagaço
	Q1
	Vazão do ar/gás na CNTP
	Q2
	Vazão do ar/gás na condição real
	Qa
	Vazão volumétrica da suspensão na alimentação
	Qar
	Vazão volumétrica de ar de combustão
	Qe
	Vazão volumétrica de suspensão espessada
	Qet
	Vazão volumétrica de etanol
 (
11
)
	Qg
	Vazão volumétrica de gases de combustão
	Qv
	Vazão volumétrica de vinhaça
	R
	Constante universal dos gases
	Rep
	Número de Reynolds da partícula
	RLG
	Razão líquido-gás
	RVA
	Razão vinhaça-álcool
	Smin
	Área mínima do sedimentador
	T1
	Temperatura do ar/gás na CNTP
	Tg
	Temperatura dos gases de combustão
	Tv
	Temperatura da vinhaça na entrada do lavador de gases
	u
	Velocidade de decantação na zona limite
	Ub
	Umidade do bagaço gerado
	uc
	Velocidade no instante crítico
	vg
	Velocidade de ascensão do gás no lavador
	vt
	Velocidade terminal da gota
	Wai
	Vazão mássica do componente i presente no ar
	War
	Vazão mássica de ar de combustão
	War
	Vazão mássica de ar para combustão
	WART
	Vazão mássica de ART
	Wb
	Vazão mássica de bagaço gerada na extração de caldo
	Wbc
	Vazão mássica de bagaço para alimentar a caldeira
	Wbi
	Vazão mássica do componente i do bagaço presente no gás de combustão
	Wc
	Vazão de cana na entrada da moenda
	WC
	Vazão mássica de carbono
	WCO2
	Vazão mássica de gás carbônico
	We
	Vazão mássica de partículas na entrada do lavador de gases
	Wei
	Vazão mássica de partículas na entrada com diâmetro dpi
	Wf
	Vazão mássica de fuligem gerada na combustão
	Wg
	Vazão mássica de gases de combustão
	Wgi
	Vazão mássica do componente i presente nos gases de combustão
	WH2
	Vazão mássica de hidrogênio
	WH2O
	Vazão mássica de água gerada pela reação de combustão
	WH2O B
	Vazão mássica de água presente no bagaço
	WH2O T
	Vazão mássica total de água nos gases de combustão
	wi
	Distribuição granulométrica em massa
	WN2
	Vazão mássica de nitrogênio
	WO2
	Vazão mássica de oxigênio presente no bagaço
	WO2CC
	Vazão mássica de oxigênio consumido na combustão completa
	WO2e
	Vazão mássica de oxigênio estequeométrica
	WO2s
	Vazão mássica de oxigênio na saída dos gases de combustão
	WS
	Vazão mássica de enxofre
	Ws
	Vazão mássicatotal de partículas na saída do lavador
	Wsi
	Vazão mássica de partículas na saída com diâmetro dpi
	WSO2
	Vazão mássica de dióxido de enxofre
	WT
	Vazão mássica total de gases de combustão
	Wvp
	Vazão mássica de vapor necessário para processo
	xai
	Fração mássica do componente i do bagaço presente no gás de combustão
	Xai
	Fração mássica de água presente no gás na entrada do lavador de gases
	xgi
	Fração mássica do componente i do bagaço presente no gás de combustão
	Xi
	Fração mássica do componente i presente nos gases de combustão
	Zc
	Distância no instante em que a concentração da suspensão está na zona
	Zic
	Distância no instante crítico
	Zo
	Distância no instante inicial
	ηi
	Eficiência fracionária de coleta no lavador
	ηi
	Eficiência fracionária de coleta do lavador de gases
	ηi*
	Eficiência individual de cada gota no lavador
	θc
	Tempo no instante crítico
	ρg
	Densidade do gás de combustão
	ρp
	Densidade da partícula
	ρp
	Densidade da partícula
	ρv
	Densidade da vinhaça
	global
	Eficiência global do lavador de gases
	g
	Viscosidade do gás
 (
14
)SUMÁRIO
	1
	INTRODUÇÃO.............................................................................................................
	15
	2
	OBJETIVO....................................................................................................................
	16
	2.1
	OBJETIVOS ESPECÍFICOS.........................................................................................
	16
	3
	REVISÃO BIBLIOGRÁFICA....................................................................................
	17
	3.1
	DESCRIÇÃO DO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE ETANOL.................................
	20
	3.2
	NECESSIDADE DE ÁGUA NA INDÚSTRIA DA CANA-DE-AÇÚCAR.................
	22
	3.3
	RESÍDUOS DA PRODUÇÃO DE ETANOL................................................................
	30
	3.4
	CARACTERÍSTICAS DA VINHAÇA..........................................................................
	31
	3.5
	TRATAMENTOS DE VINHAÇA.................................................................................
	38
	3.6
	CARACTERÍSTICAS DO MATERIAL PARTICULADO PROVENIENTE DA
QUEIMA DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR....................................................
	
49
	3.7
	TRATAMENTO	DO	MATERIAL	PARTICULADO	PROVENIENTE	DA
QUEIMA DE BAGAÇO................................................................................................
	
55
	3.8
	SEDIMENTAÇÃO.........................................................................................................
	65
	3.9
	CONSIDERAÇÕES FINAIS.........................................................................................
	67
	4
	MATERIAIS E MÉTODOS........................................................................................
	68
	4.1
	EQUAÇÕES REFERENTES AO BALANÇO DE MASSA.........................................
	69
	4.2
	EQUAÇÕES PARA O DIMENSIONAMENTO DO LAVADOR DE GASES............
	81
	4.3
	ENSAIO DE ROTAEVAPORAÇÃO............................................................................
	88
	4.3.1
	Materiais.........................................................................................................................
	89
	4.3.2
	Procedimento..................................................................................................................
	89
	4.4
	ENSAIO DE SEDIMENTAÇÃO.......................................................................
	91
	4.4.1
	Materiais.........................................................................................................................
	91
	4.4.2
	Procedimento..................................................................................................................
	92
	4.5
	EQUAÇÕES	REFERENTES	AO	DIMENSIONAMENTO	DOS
SEDIMENTADORES....................................................................................................
	
92
	5
	RESULTADOS.............................................................................................................
	95
	5.1
	BALANÇO DE MASSA................................................................................................
	95
	5.2
	PROJETO DE LAVADOR DE GASES........................................................................
	102
	5.3
	ENSAIOS DE ROTAEVAPORAÇÃO..........................................................................
	107
	5.4
	PROJETO DOS SEDIMENTADORES.........................................................................
	110
	6
	CONCLUSÕES.............................................................................................................
	118
	7
	RECOMENDAÇÕES...................................................................................................
	119
	7
	REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................
	121
1 INTRODUÇÃO
Os biocombustíveis estão presentes no cotidiano brasileiro há mais de 80 anos. Atualmente, o consumo de etanol supera o de gasolina e a tendência é só aumentar. Isto porque o etanol de cana-de-açúcar apresenta muitas vantagens econômicas, sociais e ambientais em relação ao petróleo e mesmo a outros biocombustíveis.
O processo de fabricação de álcool a partir da cana-de-açúcar, como qualquer outro processo industrial, gera resíduos e subprodutos. Dentre os resíduos industriais provenientes da fabricação do álcool, destaca-se a vinhaça, que sempre foi encarada como problema de importância, não só pelo seu potencial poluidor como também pelo volume produzido (10 a 15 litros para cada litro de álcool produzido), que acarreta dificuldades e altos custos no seu manuseio. A vinhaça é utilizada como fertilizante na lavoura sendo disposta no solo.
Outra fonte impactante do meio ambiente em um complexo sucroalcooleiro é a queima do bagaço de cana nas caldeiras que gera como principais poluentes: material particulado (MP), monóxido e dióxido de carbono e óxidos de nitrogênio. Para o controle desta poluição são atualmente utilizados lavadores de gases que removem o material particulado presente nos gases de combustão através do contato direto com um líquido atomizado, geralmente água. Estes equipamentos apresentam alta eficiência para controle da poluição do ar e utilizam em média uma vazão de água correspondente a 1,0 a 1,5 m³água/tvapor, além de contar com uma taxa de reposição devido à evaporação, perdas e arraste de 7,5% do total da água de entrada no lavador de gases. A produção de vapor requerida pelo processo industrial varia de acordo com as operações unitárias existentes no processo produtivo e dos tipos de produtos obtidos (álcool e/açúcar), normalmente em média uma destilaria utiliza 400 kgvapor/tcana.
Após a coleta do material particulado, é feito o tratamento da água de lavagem através de sedimentação e a água é recirculada nos equipamentos. Os sólidos sedimentados são dispostos na lavoura.
A proposta deste trabalho é a utilização da vinhaça como líquido no lavador de gases objetivando outra alternativa para utilização deste resíduo, para a redução da captação de água e a possível reutilização do líquido após um tratamento físico-químico do efluente gerado (vinhaça + fuligem). Os sólidos removidos podem ser dispostos na lavoura como adubo e o líquido reutilizado no processo industrial ou na irrigação do campo.
 (
100
)
2 OBJETIVOS
Este trabalho tem como objetivo geral analisar a viabilidade técnico-econômica do uso de vinhaça in natura em substituição à água em lavadores de gases.
2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Os objetivos específicos deste trabalho foram:
· Calcular o balanço de massa para o processo proposto;
· Projetar um lavador de gases do tipo torre de aspersão;
· Avaliar a possível emissão de compostos voláteis a partir da evaporação da vinhaça;
· Dimensionar e comparar o tamanho dos sedimentadores para o tratamento físico- químico da vinhaça com hidróxido de cálcio nas concentrações de 0,5%, 1,0%, 1,5% e 2,0%
· Avaliar a viabilidade técnica e a economia do processo.3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Nas últimas três décadas, a indústria da cana-de-açúcar recebeu fortes investimentos em ciência e tecnologia, tanto do setor público quanto do privado. Hoje, a cana-de-açúcar é o insumo básico não apenas para o açúcar, mas para uma variedade incrível de produtos com valor agregado, particularmente o etanol que abastece nossos automóveis e ajuda a romper o domínio dos combustíveis fósseis sobre nossa sociedade (JANK, 2008).
Segundo o mais recente levantamento do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
– IBGE (2007) há 363 usinas cadastradas no país. O Estado de São Paulo aparece com o maior número, 170, seguido do Paraná, 29, de Pernambuco e Alagoas com 26 usinas cada. Existem projetos para implantação de 90 novas unidades produtoras de álcool no Centro-Sul até o ano de 2010.
De acordo com levantamento da União da Indústria de Cana-de-açúcar - UNICA, até o dia 16 de novembro de 2009, as unidades produtoras da principal região canavieira do país, o Centro-Sul, atingiram 471,5 milhões de toneladas de cana processada, 7,5% acima do total no mesmo período da safra anterior. No acumulado desde o início da safra 08/09, as vendas de etanol para o mercado interno atingiram 14,7 bilhões de litros e para o mercado externo chegaram a 2,4 bilhões (UNICA, 2009). Normalmente, no Brasil, a safra da cana-de-açúcar se estende de abril a novembro.
A produção de etanol foi crescente em todos os estados produtores de etanol, destacando-se o Estado de São Paulo que além de ser o maior produtor ainda contou com o maior crescimento de produção. O centro-oeste, região em desenvolvimento na produção de etanol, apresenta os mesmos níveis de produções para os Estados de Mato Grosso e Mato Grosso do Sul e um crescente aumento para Goiás, que pode ser justificado pela implantação de indústrias neste estado. Os Estados do Paraná e Minas Gerais apresentam valores de produções próximas, porém houve um maior crescimento de produção no estado mineiro.
Baseado nos dados estatísticos publicados pela ÚNICA no ano de 2009, a Figura 1 foi elaborada para ilustrar o crescimento da produção de álcool no Brasil. Os valores apresentados refem-se aos dados coletados até 16/05/2009.
 (
Safra 05/06 Safra 06/07 Safra 07/08
Safra 08/09 *
) (
Safra 05/06 Safra 06/07 Safra 07/08
Safra 08/09 *
)1,80E+07
1,60E+07
1,40E+07
 (
)
s
))
o
o
s
o
s
r
r
r
Lit 
tt 
ii
ll
il
ll
M 
ii
m
m
( 
((
) (
(Mil Litros)
)1,20E+07
 (
Produção de álcool
)1,00E+07
8,00E+06
6,00E+06
4,00E+06
2,00E+06
0,00E+00
Figura 1. Produção brasileira de etanol por estado.
Fonte: ÚNICA, 2009.
A fim de facilitar a visualização da produção brasileira por regiões, estão apresentadas na Figura 2 as duas maiores regiões produtoras de etanol, centro-sul e norte-nordeste, além do total brasileiro de produção de etanol.
30.000.000
25.000.000
 (
Produção etanol (Mil Litros)
)20.000.000
15.000.000
10.000.000
5.000.000
0
REGIÃO CENTRO-SUL
REGIÃO NORTE-NORDESTE
BRASIL
 (
Safra 04/05 Safra 05/06 Safra 06/07 Sasfra 07/08 Safra 08/09
)
Figura 2. Produção brasileira de etanol por região do Brasil.
Fonte: ÚNICA, 2009.
Os derivados da cana-de-açúcar, principalmente o etanol, registraram uma grande expansão, destacando o expressivo aumento da participação da cana como fonte de energia. A Figura 3 ilustra a forte participação do etanol como uma das matrizes energéticas brasileiras de combustíveis veiculares de acordo com informações divulgadas pelo Ministério de Minas e Energia (MME) no ano base de 2006. Os derivados do petróleo, no entanto, continuavam a liderar o volume de participação dos combustíveis veículares, fornecendo cerca de três quartos da energia consumida.
A demanda por enquanto só cresce, porém com o futuro esgotamento das fontes naturais do chamado “ouro negro”, o planeta não tem mais capacidade de absorver os gases provenientes de sua combustão. O problema ambiental aliado à escassez confere urgência à mudança da matriz energética global, resultando na importância cada vez maior de fontes limpas e renováveis como o etanol.
Gasolina 23,3%
Álcool Anidro 8,2%
Álcool Hidratado 13,7%
GNV 3,4%
Biodiesel 0,5%
Diesel 50,9%
Figura 3. Matriz de combustíveis veiculares no ano base de 2006.
Fonte: MME, 2007.
A "mudança de consciência energética" por que passa o planeta pode ser garantia de futuros mercados ao biocombustível brasileiro, mas ainda não é uma realidade. Atualmente, o Brasil é o único país a utilizar o etanol em larga escala – 20% da frota nacional roda com álcool (Veja on-line, 2009).
O Brasil dispõe de recursos naturais abundantes para ampliar as suas potencialidades energéticas a partir das mais distintas fontes, incluindo não-renováveis como petróleo, gás natural e urânio, por exemplo. A combinação equilibrada entre renováveis e não-renováveis é fundamental para a segurança energética.
Como é apresentado na Figura 4, o Brasil possui grande potencial hidrelétrico, dispõe também de áreas agricultáveis para expansão sustentável da bioenergia e, simultaneamente, a oferta de alimentos.
GÁS INDUSTRIAL 0,9%
IMPORTAÇÃO 8,0%
BIOMASSA 3,7%
DERIVADOS DE PETRÓLEO 2,8%
CARVÃO MINERAL 1,4%
GÁS NATURAL 3,6%
NUCLEAR 2,6%
HIDRO 77,4%
Figura 4. Matriz energética brasileira no ano base de 2006.
Fonte: MME, 2007.
A indústria da cana-de-açúcar também pode prover biomassa a partir das folhas de cana, conhecidas como palhiço, e do bagaço gerado durante o processo de produção de açúcar e etanol. A cana pode gerar em média 250 kg de bagaço por tonelada de cana moída e a planta possui 14% de sua massa composta de folhas e pontas que são removidas no momento da colheita.
Com o incentivo para a produção de energia a partir da biomassa, o Brasil tem condições concretas de ser líder mundial na produção de energia limpa, mas para isso precisa produzir excedentes significativos para exportar – quase toda a produção de etanol, por exemplo, é para consumo interno.
3.1 DESCRIÇÃO DO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE ETANOL
A matéria-prima fundamental da indústria alcooleira no Brasil é a cana-de-açúcar, embora o etanol possa ser produzido a partir de diferentes matérias-primas, tais como amiláceas (mandioca, batata-doce, milho e outros grãos), e celulósicas (madeira e resíduos agrícolas, dentre os quais se destaca o bagaço de cana-de-açúcar). As matérias-primas amiláceas e celulósicas diferem das sacararinas por não possuírem açúcares diretamente fermentescíveis, requerendo uma etapa de conversão dos polímeros de glicose que as constituem em moléculas simples de glicose.
Do ponto de vista industrial da fabricação de álcool, a cana-de-açúcar é constituída de fibra e caldo, sendo este último a matéria-prima propriamente dita. A fibra é todo material insolúvel em água e o caldo é composto por todos os componentes solúveis, tais como açúcares, cinzas, materiais nitrogenados e outros. O teor de fibras é um parâmetro importante uma vez que indica a quantidade de bagaço disponível e a dificuldade de extração do caldo (CAMARGO et al., 1990).
O processo de produção de álcool é constituído pela colheita, manuseio da matéria- prima, extração do caldo, tratamento do caldo, fermentação e destilação apresentado simplificadamente na Figura 5.
Figura 5. Fluxograma simplificado da produção de álcool a partir da cana-de-açúcar.
O manuseio da matéria-prima é composto pela recepção e limpeza de cana-de-açúcar e nesta etapa ocorre a retirada das impurezas minerais e vegetais carregadas do campo. Em seguida há o preparo de cana, feito através de nivelador, picador e desfibrador, que fornece uma cana desfibrada pronta para a extração de caldo nas moendas.
O caldo extraído segue para o tratamento que constitui em retirada de impurezas grosseiras através de peneira, regulagem do pH com adição de cal, aquecimento e sedimentação para remoção de impurezas solúveis. O lodo gerado na sedimentação é filtrado para recuperação dos açúcares presentes, sendo o caldo filtrado retornado para o processo e a torta produzidadirecionada para lavoura e usada como fertilizante juntamente com outros resíduos.
O caldo clarificado segue para a evaporação, constituída somente por um efeito, com o objetivo de aumentar a concentração de açúcar presente no caldo (ºBrix). Este caldo segue para fermentação e pode ser preparado com a adição de mel, proveniente da fabricação de
açúcar. A partir deste momento é conhecido como mosto, independente de ser somente caldo pré-evaporado ou a mistura de caldo-mel.
A fermentação alcoólica é um processo complexo que envolve diversas etapas de transformação dos açúcares do caldo de cana pela ação das leveduras para produzir o vinho que será destilado e formará o álcool.
Algumas relações podem ser estabelecidas para o cálculo do etanol a ser produzido através do valor correspondente de açúcares redutores totais (ART) conforme Tabela 1.
Tabela 1 Fatores de conversão de ART em etanol
	Álcool
	Absoluto
	Anidro
	Hidratado
	Graus INPM
	100,00
	99,30
	93,00
	Massa Específica (kg/m3)
	789,30
	791,50
	809,80
	ART em álcool (L/kg ART)
	0,65
	0,65
	0,68
	Sacarose em álcool (L/kg)
	0,68
	0,68
	0,71
	Álcool em ART (kg ART)
	1,55
	1,54
	1,47
	Álcool em sacarose (kg)
	1,47
	1,46
	1,40
Fonte: Fernandes, 2003
O bagaço gerado na moenda possui umidade média de 50%, com poder calorífico em torno de 1.800 kcal/kg e é utilizado com o combustível para a geração de vapor. O vapor necessário para atender o processo (aquecimento, força motriz, etc.), normalmente entre 400- 430 kgvapor/tcana, é obtido através de caldeiras aquatubulares, atualmente de alta pressão (67 bar e 510ºC), com consumo específico de bagaço em torno de 2,2 tvapor/tbagaço (VIOTTI, 2009).
3.2 NECESSIDADE DE ÁGUA NA INDÚSTRIA DA CANA-DE-AÇÚCAR
Há uma visão histórica por parte das entidades ambientais que a agroindústria sucroalcooleira é uma grande consumidora de água, o que realmente era procedente devido aos elevados volumes de captação de água que o setor utilizava no processo industrial. Entretanto, atualmente o setor adotou uma postura focada na conservação e no uso racional da água estabelecendo programas rigorosos de gestão ambiental e de recursos hídricos (ANA, 2009).
Há cerca de dez anos eram utilizados sistemas abertos, apresentados na Figura 6, por várias plantas instaladas nas proximidades de grandes cursos d’água sendo a água captada, utilizada no processo e lançada no rio após tratamento em lagoas (decantação, anaeróbia, facultativa e polimento) ou ainda lançada diretamente quando a legislação permitia (águas de resfriamento). Elia Neto (1995) em seu estudo indica que a necessidade de água de uma usina seria de 21m³água/tcana, se os circuitos fossem totalmente abertos.
Lavagem de açúcar
Preparo de leite de cal
 (
Processo industrial
)Uso geral Embebição
 (
Processo industrial
)Caldeiras
Lavagem cana/esteira
Resfriamento	 Colunas barométricas
Diluição de méis Preparo de fermento Lavagem de gases
Tratamento/Rio Rio
Figura 6. Esquema de utilização de água (circuitos abertos) em uma usina sucroalcooleira.
No processo industrial, o primeiro uso da água é na lavagem de cana e esteira transportadora. Em um primeiro momento, a lavagem de cana operava em circuito fechado através de caixas de sedimentação ou decantadores circulares, em circuito semifechado onde se recicla 2/3 do total, havendo, portanto captação e devolução constantes. O lodo das lagoas é utilizado na fertilização das lavouras, assim como a fração mais suja desta água.
Atualmente, as novas unidades estão implantando o sistema de limpeza de cana a seco para evitar as perdas de sacarose e o consumo de água conseqüentes dessa lavagem. O sistema de limpeza de esteiras de cana continua utilizando água, porém em quantidade menor.
No setor de extração do caldo e geração de energia utiliza-se água para o resfriamento dos mancais da moenda e dos turbogeradores. Antigamente, este circuito era aberto, porém hoje se utiliza torres de resfriamento que necessitam apenas de água de reposição das perdas do sistema por evaporação e arraste.
No setor de concentração do caldo são utilizadas colunas barométricas em substituição aos multijatos para a produção de vácuo, levando à redução de 30% da necessidade de água nesta operação. O fechamento do circuito é realizado há muito tempo através de sistemas de resfriamento por aspersão (spray) ou torres de resfriamento.
Algumas unidades optam pela instalação de condensadores evaporativos, nos quais o vácuo nas caixas de evaporação é produzido a partir de uma bomba de vácuo, sendo o vapor condensado em um trocador de calor tubular montando no interior de uma torre de resfriamento.
Na destilaria utiliza-se água para o resfriamento dos condensadores das colunas de destilação. Na fermentação, a água é indispensável para manter o mosto no interior da dorna de fermentação resfriado a uma temperatura máxima de 34ºC devido às condições da fermentação alcoólica. O circuito de águas de resfriamento de condensadores da destilaria e das dornas de fermentação passou a ser utilizado em conjunto através do efeito cascata, ou seja, utilizando a água primeiramente nas dornas e posteriormente nos condensadores. Além disso, tornou-se fechado através da utilização de sistemas evaporativos (torres de resfriamento), com a necessidade de água apenas para a reposição das perdas por evaporação e arraste (cerca de 2 a 3% da água em circulação).
Para a geração de vapor, é necessário água de alimentação de caldeira com rígidos padrões de qualidade exigidos pelo fornecedor da caldeira. Quanto maior for a pressão de operação do vapor, mais rigoroso será o tratamento da água. Normalmente, a água captada do rio ou poço artesiano passa por um processo de clarificação e floculação com polímeros (policloreto de alumínio – PAC), filtração, desmineralização (por resinas catiônicas, aniônicas e mistas ou por membranas através de osmose reversa) e é finalmente desaerada para remoção dos gases dissolvidos. Este circuito é fechado, pois há a recuperação de todo o condensado de vapor, havendo a necessidade somente de reposição das descargas da caldeira e perdas de vapor/condensado no processo.
Para o controle da poluição do ar gerado pela caldeira durante a produção de vapor, é requerido aproximadamente 1,0 a 1,5 m³água/tvapor nos lavadores de gases instalados. De acordo com Carvalho Jr e Lacava (2003) normalmente são utilizados de 1 a 5 litros de água para limpar 4 m³ de gás.
O circuito é fechado e conta com um equipamento de separação de fuligem, normalmente sedimentadores, peneiras rotativas ou cush-cush. A água necessária para reposição deste sistema é em torno de 7,5% do total de entrada no lavador de gases (VIOTTI, 2009) (Engeboiler, 2009).
Nas caldeiras mais antigas, a limpeza dos cinzeiros é feita com água, sendo esta incorporada no sistema de tratamento da água de fuligem. Embora as caldeiras mais modernas possuam retiradas de cinzas via mecânica com grelhas basculantes e transportadores tipo rosca sem fim, ainda se encontram unidades em que a limpeza da caldeira é feita com a utilização de água continuamente. Pode-se estimar o uso em 0,5m³água/tvapor para o circuito de tratamento do efluente de lavagem de gases na caldeira, uma vez que as águas dos cinzeiros são tratadas conjuntamente (OLIVEIRA, 2009).
Os demais usos se referem a águas de limpeza de equipamentos, águas para preparo de produtos, embebição da moenda ou difusor, etc., que podem ser supridos utilizando águas condensadas – a água da cana.
A recirculação de água em todos os principais usos e a recuperação de condensado de processo permite levar a necessidade de captação de água para valores em torno de 1m³água/tcana. A redução deste valor exige tratamentos adicionais ou operação com água condensada que pode implicar em risco para os equipamentos como a corrosão.
De acordo com o levantamento realizado pela ÚNICA em 2005 nas usinas localizadas no Estado de São Paulo o valor médio para a taxa de captação de água era de 1,83m³água/tcana (OLIVEIRA, 2009).
Segundo Oliveira (2009), de1990 a 2007 mesmo com o crescimento da produção canavieira no período de 124% houve uma redução na demanda de água de 25%, indicando que a indústria sucroalcooleira vem reduzindo efetivamente o uso de água, tanto através da racionalização como pela implementação de novas tecnologias que implicam em menor consumo de água.
A CETESB institui como limite de captação de água o valor máximo de 1 m³ de água por tonelada de cana moída por meio da Resolução SMA 88 de 19/12/2008 para novos empreendimentos e ampliações de empreendimentos existentes do setor sucroalcooleiro para áreas consideradas adequadas. Entretanto, este valor reduz para 0,7 m³ de água por tonelada de cana moída para áreas classificadas como adequadas com restrições ambientais.
Os usos de água se alteram ao longo do tempo, como pode ser observado em relação à lavagem de cana, que vem diminuindo significativamente com tendência a zerar devido à tecnologia de limpeza a seco (ANA, 2009).
De acordo com a Figura 7, os usos pontuais de água para a produção de açúcar e etanol que mais requerem água são os condensadores/ multijatos dos cozedores (setor de fabricação de açúcar) e resfriamento de dornas e caldo (setor de fermentação).
 (
10%
5%
16
26%
)10%
14%
%
19%
 (
Demais
Lavador de gases
Resfriamento dos condensadores
Resfriamento de dornas e caldo
Condensadores/ Multijato dos cozedores
Condensadores/ Multijato da evaporação
Lavagem de cana
)Figura 7. Distribuição média dos usos pontuais de água na indústria sucroenergética, situação atual.
Fonte: ANA, 2009.
Na Tabela 2 estão apresentados os valores médios de consumo de água nos diversos setores do processo produtivo de açúcar e álcool para cada etapa do processo em 1995. Enquanto que a Tabela 3 apresenta usos de água atualizados que incluem o uso de vapor como uso de água, o que antes era apenas considerado na produção do vapor na caldeira e não em seus usos intermediários e finais.
Tabela 2 Comparativo entre os usos médios de água nos diversos setores do processo de produção de açúcar e álcool no ano de 1995 e atual (modificado)
	Setor
	Finalidade
	Uso em 1.995
(m³/tc)
	Uso atual
(m³/tc)
	Alimentação, preparo e extração (moendas
e difusores)
	Lavagem de cana
	5,33
	2,200
	
	Embebição
	0,25
	0,250
	
	Resfriamento de mancais
	0,15
	0,035
	
	Resfriamento de óleo
	-
	0,130
Tabela 2 Comparativo entre os usos médios de água nos diversos setores do processo de produção de açúcar e álcool no ano de 1995 e atual (modificado) (continuação)
Setor	Finalidade
Uso em 1.995 (m³/tc)
Uso atual (m³/tc)
Preparo de leite de cal	0,03	0,030
Resfriamento coluna de sulfitação
0,05
0,050
Tratamento de caldo
Preparo de polímero	-	0,008
Embebição dos filtros	0,04	0,03
Condensadores dos filtros	0,3	0,3
Aquecimento do caldo – açúcar
0,080
-
Aquecimento do caldo - álcool	-	0,025
Condensadores/Multijatos evaporação Condensadores/Multijatos cozedores
2,0
4
2,25
5,75
Concentração do
Diluição de méis	0,3	0,03
caldo
Resfriamento dos cristalizadores
-
0,05
Lavagem de açúcar	0,005	0,015
Retentor de pó de açúcar	-	0,20
Tabela 2 Comparativo entre os usos médios de água nos diversos setores do processo de produção de açúcar e álcool no ano de 1995 e atual (modificado) (continuação)
	Setor
	Finalidade
	Uso médio
(m³/tc)
	Uso atual
(m³/tc)
	
	Produção de vapor
	0,5
	0,5
	
	Dessuperaquecimento
	-
	0,015
	Geração de vapor e energia
	Lavagem de gases da caldeira
	-
	1,0
	
	Limpeza dos cinzeiros
	-
	0,25
	
	Resfriamento turbogeradores
	0,2
	0,5
	
	Resfriamento do caldo
	1,0
	1,25
	
	Preparo de mosto
	0,001
	0,10
	Fermentação
	Preparo pé-de-cuba
	0,001
	0,001
	
	Resfriamento de dornas
	3,00
	3,00
	
	Lavagem de gases da
fermentação
	-
	0,015
	Destilaria
	Resfriamento dos
condensadores
	4,00
	3,5
	
	Limpeza de pisos e
equipamentos
	0,05
	0,05
	Outros
	
	
	
	
	Uso potável
	0,03
	0,03
Fonte: ELIA NETO, 1995.
Fonte: Ana, 2009.
Além do fator ambiental há também o econômico que implica na preocupação com a redução da capitação de água e emissão de efluentes devido à cobrança pelo uso e descarte da água.
Os custos visando o reuso de água devem ser comparados com os custos de tratamento de água e de efluentes adicionados das taxas de consumo de água e de lançamento de efluentes.
A Figura 8 apresenta os valores médios do custo da água industrial para as diversas regiões do Brasil para o ano de 1999.
Figura 8. Custo da água por região do Brasil no ano de 1999.
Fonte: Martins & Almeida, 1999.
O custo da água, segundo a Copasa varia de R$ 0,91 a R$1,41/m³ dependendo da faixa da vazão utilizada. Enquanto que a Sabesp apresenta um valor fixo para a faixa de 0 a 10 m³ de R$11,34 e varia de R$ 2,20 a R$4,54 por m³ de acordo com a faixa de vazão.
A busca por reuso de efluentes, condensados e outros líquidos geradors no processo industrial é essencial para desenvolver o bom gerenciamento de recursos hídricos e minimizar a capitação, contaminação e gastos relacionados com a água. Por isso a proposta apresentada neste estudo pode contribuir para um melhor aproveitamento dos efluentes gerados no processo.
3.3 RESÍDUOS E EFLUENTES DA PRODUÇÃO DE ETANOL
Como qualquer outro processo industrial, a destilaria também gera resíduos que necessitam de controle ambiental. Na Figura 9 está representado o esquema simplificado do processo de produção de etanol destacando os principais resíduos e efluentes gerados.
Figura 9. Representação simplificada da geração de resíduos provenientes da produção de etanol.
Dos resíduos de fabricação de álcool, a vinhaça é sem dúvida um dos mais relevantes, não só em termos do enorme volume gerado, mas pelo elevado poder poluidor agregado. Outros resíduos como a torta de filtro, as cinzas da caldeira e a terra proveniente da limpeza de cana por via seca ou úmida são aplicados diretamente na lavoura como fertilizantes.
Os efluentes líquidos gerados no processo são basicamente de limpeza de equipamentos e pisos, purga de água do sistema de lavagem de gases da caldeira, descarga das torres de resfriamento e esgoto humano. A água residuária pode ser enviada para a lavoura ou é tratada para ser lançada em um rio. O esgoto gerado é tratado separadamente em uma Estação de Tratamento de Esgoto (ETE) geralmente composta por fossa séptica e filtro biológico.
Os principais efluentes gasosos são os gases da chaminé da caldeira. Comumente são usados de lavador de gases com circuito fechado de recirculação de água de lavagem. O efluente líquido gerado a partir da lavagem dos gases é sedimentado e o lodo gerado passa por um filtro prensa para retirar a umidade presente e recuperar a água. Geralmente é estabelecido
um controle diário, através da análise da cor dos gases da chaminé e um controle mensal através de análise de emissão de dióxido de carbono (CO2) e monóxido de carbono (CO) para monitoramento das emissões.
3.4 CARACTERÍSTICAS DA VINHAÇA
A etapa final da produção de álcool consiste na destilação do vinho em colunas, que podem ser de bandejas (pratos) tipo calotadas, perfuradas ou valvuladas. O aquecimento da coluna pode ser feito com vapor de forma direta (borbotagem) ou indireta para realizar a separação dos compostos voláteis.
A Figura 10 apresenta um fluxograma simplificado de uma coluna de destilação de álcool, em destaque, a vinhaça originada da coluna A.
Figura 10. Esquema simplificado de um aparelho de destilação destacando a vinhaça.
Diversos autores como Camargo et. al. (1990), Lyra et. al. (2003), Granato (2003), Rafaldini et. al. (2006) e Rocha (2007) definem a vinhaça como principal resíduo líquido altamente poluidor resultante do processamento do álcool, produzido em grande quantidade cujos principais componentes são nutrientes provenientes da cana-de-açúcar da qual se
originou (potássio, nitrogênio, etc.) e grande quantidade de matéria orgânica, variando de
30.000 a 40.000 mg/L.
Segundo Rocha (2007) a vinhaça é um resíduo sólido classe II obtido na destilação alcoólica à 105ºC comcoloração marrom escura, natureza ácida e com cheiro bastante peculiar. Ela representa, em média, 52% em peso de todos os resíduos sólidos produzidos na destilaria.
A degradação térmica de açúcares redutores e compostos amino é a principal responsável pela coloração marrom escura da vinhaça, de acordo com Kannana et al. (2006). Este fato se deve a formação de melanoidinas e compostos polifenólicos. A presença destas substâncias, análogas às ácidas húmicas do solo, também foi relatada no estudo realizado nas destilarias da Índia por Mohana et al. (2007), confirmando a sua relação com a cor.
Por se tratar de uma suspensão com teor de sólidos em torno de 7%, dos quais 75% são orgânicos e biodegradáveis, a vinhaça apresenta elevada Demanda Química de Oxigênio (DQO) e Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO), origem de seu potencial altamente poluidor. É uma solução tamponada com pH em torno de 4,3; fato que, aliado à alta temperatura na qual é obtida, lhe oferece caráter corrosivo (CAMARGO et al., 1990).
Segundo Lyra et al. (2003) a DBO é da ordem de 12.000 a 20.000 mg/L, cujo impacto ambiental de um litro de vinhaça se compara ao esgoto doméstico não tratado gerado por 1,43 pessoas. Portanto para se produzir dez litros de álcool, a poluição gerada pela vinhaça é equivalente àquela produzida por aproximadamente 172 pessoas em um dia.
A composição da vinhaça é dependente de inúmeros fatores, dentre os quais se destacam a natureza e a composição da matéria-prima, o tipo de preparo do mosto, o método e a condução da fermentação, a levedura, os equipamentos utilizados e a condução da destilação.
Segundo Solomon et al. (2007) a vinhaça possui graduação alcoólica não superior a 0,03 ºGL. De acordo com Hidalgo (2009) a vinhaça possui altas concentrações de potássio, cálcio, magnésio, enxofre e nitrogênio.
As características físico-químicas estudadas pelo Centro de Tecnologia Canavieira - CTC (2008) estão apresentadas na Tabela 3.
Tabela 3 Caracterização físico-química da vinhaça (modificado)
	Caracterização da vinhaça
	Mínimo
	Médio
	Máximo
	pH (-)
	3,50
	4,15
	4,90
	Temperatura (ºC)
	65
	89
	111
	DBO (mg/L)
	6680
	16950
	75330
	DQO (mg/L)
	9200
	28450
	97400
	Sólidos Totais (mg/L)
	10780
	25155
	38680
	Sólidos Suspensos Totais (mg/L)
	260
	3967
	9500
	Sólidos Suspensos Fixos (mg/L)
	40
	294
	1500
	Sólidos Suspensos Voláteis (mg/L)
	40
	3632
	9070
	Sólidos Dissolvidos Totais (mg/L)
	1509
	18420
	33680
	Sólidos Dissolvidos Voláteis (mg/L)
	588
	6580
	15000
	Sólidos Dissolvidos Fixos (mg/L)
	921
	11872
	24020
	Resíduos Sedimentáveis (mg/L)
	0,20
	2,29
	20,00
	Nitrogênio (mg/L)
	90
	357
	885
	Nitrogênio amoniacal (mg/L)
	1
	11
	65
	Fósforo Total (mg/L)
	18
	60
	188
	Potássio Total (mg/L)
	814
	2035
	3852
	Cálcio (mg/L)
	71
	515
	1096
	Magnésio (mg/L)
	1
	5
	12
	Ferro (mg/L)
	2
	25
	200
	Sódio (mg/L)
	8
	52
	220
	Cloreto (mg/L)
	480
	1210
	2300
	Sulfato (mg/L)
	790
	1538
	2800
	Sulfito (mg/L)
	5
	36
	153
	Etanol (% v/v)
	0,09
	0,1
	1,19
	Levedura (% v/v)
	0,38
	1,35
	5,00
	Glicerol (% v/v)
	0,26
	0,59
	2,5
Fonte: CTC, 2008.
Na Tabela 4 estão apresentadas as características da vinhaça em base seca.
Tabela 4 Propriedades da vinhaça em base seca (modificado)
	Parâmetros
	Média
	Intervalo
	Proteína crua (%)
	12,10
	9,7 – 15,6
	Proteína verdadeira (%)
	10,3
	8,7 – 13,2
	Cinzas (%)
	6,60
	5,0 – 8,5
	Fibra detergente neutra (%)
	3,55
	3,1 – 3,9
	Fibra detergente ácida (%)
	0,05
	0,02 – 0,13
	pH (-)
	4,5
	4,2 – 5,1
	Sólidos solúveis (º Brix)
	30,7
	24 – 40
	Açúcares redutores (mg/mL)
	4,43
	1,4 – 6,2
	Cálcio (%)
	0,50
	0,39 – 1,00
	Fósforo (%)
	0,24
	0,10 – 0,31
	Potássio (%)
	1,60
	1,28 – 2,17
	Sódio (%)
	0,08
	0,05 – 0,22
	Enxofre (%)
	1,19
	0,84 – 2,13
	Ferro (ppm)
	6,90
	2,31 – 11,67
Fonte: HIDALGO, 2009.
Piveli et. al. (2006) e Granato (2003) estimam que a vazão de vinhaça produzida seja de 10 a 15 litros para cada litro de álcool produzido. Uma proporção média de 13 litros para cada litro de álcool é adotada em uma publicação da ELETROBRÁS (1981), por Rafaldini et. al. (2006); Solomon et al. (2007) e também por Rocha (2009).
Segundo CTC, a flegmaça, resíduo da coluna B de destilação, pode ser incorporada na vinhaça, aumentando-a em cerca de 2 Lvinhaça/Lálcool. Além disso, a quantidade de produção de vinhaça varia de acordo com o grau alcoólico do vinho obtido durante a fermentação apresentada na Tabela 6 (CTC, 2008).
Tabela 5 Taxa de produção de vinhaça pura (sem flegmaça)
	Teor alcoólico do Vinho
(ºGL)
	Vinhaça
(L/Letanol)
	Vinhaça
(L/L álcool hidratado)
	10
	8
	7,68
	9
	9,11
	8,75
	8
	10,5
	10,06
	7
	12,29
	11,79
Fonte: CTC, 2008.
A vinhaça apresenta alguns sólidos suspensos, que são partículas insolúveis na água, com velocidades de sedimentação tão reduzidas que inviabilizam sua separação natural ao longo do tempo. Aliado a isso, a maioria destas partículas apresenta sua superfície carregada eletricamente, partículas coloidais, as quais apresentam carga negativa, impedindo que as mesmas aproximem-se uma das outras. Os colóides apresentam diâmetro médio de 100 nm, conforme apresentado na Figura 11.
Figura 11. Classificação dos diversos tipos de materiais em suspensão e seu diâmetro.
A presença de cargas elétricas aumenta a repulsão entre as partículas, dificultando a aglomeração e formação de agregados maiores e de mais fácil sedimentação.
O fenômeno de neutralização consiste exatamente na eliminação dessas cargas eletrostáticas superficiais ou, em outras palavras, na diminuição do chamado potencial zeta, Figura 12.
O potencial zeta é responsável pelo comportamento eletrostático da partícula coloidal e tem como finalidade controlar a estabilidade dos colóides. A estabilidade do colóide é o resultado da adsorção de íons, e o potencial zeta é a medida dessa adsorção.
Figura 12. Esquema representativo do potencial zeta.
O potencial zeta é utilizado para avaliar a estabilidade e a tendência à floculação de sistemas coloidais, uma vez que pode ser considerado um parâmetro razoável para medir a magnitude das interações repulsivas entre as partículas coloidais. A medida do potencial zeta, ou potencial eletrocinético, corresponde à determinação da carga eletrostática superficial de pequenas partículas sólidas dispersas em água. A maioria dos colóides na natureza tem carga negativa, e a magnitude dessa carga determina a estabilidade do colóide.
O potencial zeta da vinhaça foi analisado pela Empresa Brasileira de Agricultura e Pecuária (EMBRAPA) e está apresentado na Figura 13.
Potencial Zeta - vinhaça
1
0
-1
 (
Potencial 
Zeta 
(mV)
)-2
-3
-4
-5
-6
2	3	4	5	6	7
pH
Figura 13. Potencial zeta da vinhaça.
Fonte: EMBRAPA, 2009.
 (
Ponto isoelétrico
) (
Instável
) (
Potencial zeta (mV)
)Comparando-se a Figura 13 com a Figura 14, que representa o gráfico do potencial zeta, nota-se que a vinhaça encontra-se na zona de instabilidade, entre 20 mV e -20 mV, o que lhe confere um alto potencial para coagulação.
 (
Estável
Ponto isoelétrico
Instável
Estável
)
pH (-)
Figura 14. Representação do gráfico do potencial zeta com as zonas estáveis e instáveis.
3.5 TRATAMENTOS DE VINHAÇA
Segundo Lyra et. al. (2003) houve um rápido crescimento da produção de álcool no Brasil com a criação do programa governamental Proálcool em 1975 e consequentemente o volume de vinhaça produzida passou a ser muito grande, resultando em uma série de pesquisas para o uso alternativo da vinhaça.
Zhang et al. (2009) relatam que vários métodos têm sido propostos para o tratamento de vinhaça, tais como fermentação anaeróbica incluindo reator anaeróbico de fluxo ascendente (UASB) e processo de reator batelada de lodo ativado (SBR), processo de filtração por membrana, processo de adsorção, eletrólise, processo de evaporação, coagulação, tratamento aeróbico, tratamento enzimático, entre outros.
De acordo com IPT (1980), a principal utilização da vinhaça é disposição no solo na forma de fertirrigação, substituindo em grande parte o uso de fertilizantes.
Segundo Solomonet al. (2007), a fertirrigação é uma tecnologia que visa à utilização de forma racional dos recursos naturais, e conta com benefícios tanto do ponto de vista agronômico e econômico. O aumento da produtividade, que ocorre com mais intensidade em solos mais pobres e em regiões mais secas, além da economia de fertilizantes. A aplicação em doses compatíveis com as características físicas e químicas do solo aumenta a produção de açúcar por hectare, porém com uso de volumes elevados pode aumentar o nível de potássio no caldo da cana.
Segundo Rafaldini et. al. (2006) quando a vinhaça é aplicada no solo, seja “in natura” ou diluída, seu alto potencial poluidor é diminuído, graças ao elevado poder de autodepuração deste recurso natural.
Rocha (2007) apresenta como formas de processar a fertirrigação através de inundação, por sulcos de infiltração, por aspersão com equipamento semifixo e por aspersão através de canhão hidráulico.
Mesmo diante das vantagens ainda há duvidas quanto à adequação da prática do ponto de vista de proteção dos recursos naturais, principalmente em relação aos efeitos em longo prazo, a salinização do solo e contaminação de aqüíferos subterrâneos como foi abordado por Lyra et. al. (2003) e Solomon, Lora e Monroy (2007). Estudos para avaliar o aspecto da possibilidade de alguns componentes da vinhaça originar poluição nas águas subterrâneas só iniciaram no final da década de setenta, embora tenham sido estudados desde 1950.
Rafaldini et. al. (2006) relataram que a aplicação de doses elevadas de vinhaça, acima das indicadas para o tipo de solo, pode ocasionar problemas de produtividade, mostrando um efeito negativo da vinhaça sobre a maturação da cana.
Relatos de Rafaldini et. al. (2006) sobre a biodegradação da vinhaça depositada nos canais e tanques após a fertirrigação abordam a liberação de odores desagradáveis devido aos gases liberados durante a decomposição que é prejudicial à saúde, principalmente amônia, sulfeto e mercaptanas que também são formadas a partir da presença do enxofre no meio.
Além desses fatores que impactam negativamente sobre a fertirrigação há o volume que é muito maior que a demanda de aplicação no solo, tornando o excedente um problema para o tratamento e a sua disposição final (RAFALDINI et. al., 2006).
Piveli et. al. (2006) apresentam como alternativa à fertirrigação, no caso da impossibilidade de aplicação no campo, a adoção de um sistema pós-tratamento utilizando lagoa anaeróbia em série com lagoa facultativa ou uma anaeróbia com uma aerada como polimento do biodigestor. De forma mais eficiente, um sistema de três lagoas em série – anaeróbia, facultativa e aerada.
Segundo Rocha (2007), a biodigestão da vinhaça, processo de degradação da matéria orgânica por organismos, é um recurso que pode ser considerado porque além da remoção do poder poluidor há a produção de biogás cuja composição é de 55 a 70% de metano e 25 a 45% de gás carbônico, além de outros gases, que podem ser usado para produção de energia elétrica.
Os tipos de biodigestores mais comuns são o chinês, indiano, fluxo pistão ou horizontal, filtro anaeróbico de fluxo descendente (UASB), filtro anaeróbico de fluxo ascendente e bifásico. O reator UASB possui altos índices de remoção e velocidades volumétricas, além de baixos conteúdos de sólidos em suspensão e tempo de retenção hidráulico.
Rocha (2007) apresenta como vantagens da biodigestão a energia produzida pelo biogás, que é maior que a requerida pelo sistema, a aceitação de grandes taxas de substâncias orgânicas e o efluente resultante que pode ser utilizado como fertilizante. Por outro lado, as desvantagens abrangem um processo lento, a necessidade de um longo período para início da operação e o elevado custo de implantação.
Piveli et. al. (2000) acredita que a biodigestão anaeróbia aproveita a energia disponível da vinhaça e é uma boa alternativa devido a sua carga orgânica elevada, possibilitando a cogeração de energia através do biogás produzido e o líquido efluente do biodigestor é um fertilizante agrícola.
De acordo com Rafaldini et. al. (2006) apud Antunes e Mano (s.d.), os gases da biodegradação da vinhaça exalam odores desagradáveis proveniente do amoníaco, sulfeto de hidrogênio e o mercaptano de metilo.
No estudo de Mohana et. al. (2007), o tratamento de biodigestão acarreta em baixa degradação de melanoidinas, sendo necessário explorar tratamentos adicionais para remover a cor do efluente e prevenir sérios problemas ambientais como a redução da atividade fotossintética e da concentração de oxigênio dissolvido. As melanoidinas podem ser removidas por tratamentos físico-químicos, entretanto esses métodos requerem altas dosagens de reagentes e geram grande quantidade de lodo. A descoloração e degradação microbiológica é uma alternativa competitiva com baixo custo para o processo de decomposição química. Há um sucesso limitado nas pesquisas por bactérias e fungos que podem degradar melanoidinas eficientemente com objetivo de reduzir cor e DQO.
Outro tratamento utilizado em algumas unidades é a concentração de vinhaça para a reutilização da água evaporada, que pode estar associada ou não à biodigestão. As primeiras unidades de concentração de vinhaça foram instaladas na Áustria m 1943 pela Volgelbusch. Rocha (2007) define a concentração de vinhaça como a redução de volume da vinhaça através da retirada de água da vinhaça sem perda de sólidos. Para a evaporação da água a tecnologia mais utilizada é evaporadores de múltiplo efeito, tipo Roberts ou Falling Film, semelhante à utilizada para concentração de açúcar. Este método é uma uma forma de reduzir os custos de transporte em caminhões-tanque aumentando o raio econômico de aplicação.
Segundo Rocha (2007) apud Katz (1979), o consumo de vapor é 0,27 kgvapor/Lvinhaça, de eletricidade é 0,0134 kW/L e o de água de refrigeração é 0,013 m³/Lágua_evaporada.
Para Rocha (2007) a vinhaça concentrada deve ser usada quando for a solução mais econômica ou quando for obrigatório, por exemplo, novas usinas onde as áreas agrícolas têm lençol freático de pequena profundidade ou onde há restrições ambientais para aplicação da vinhaça na lavoura, na expansão das usinas atuais, quando ocorre a saturação do solo com potássio ou com aumento de área que acarrete aumento das distancias, encarecendo, dificultando ou impossibilitando o retorno da vinhaça “in natura” (diluída) à lavoura.
As formas de utilização da vinhaça concentrada, os itens necessários e o custo operacional estão apresentados na Tabela 6.
Tabela 6 Formas de utilização da vinhaça concentrada
	Formas de utilização
	Itens necessários
	Custo operacional
	Bombeamento
	Tubulação
	Energia elétrica
	
	Motobombas
	Manutenção
	
	Tanques de armazenamento
	Operador
	
	Canais de distribuição
	Diesel (aspersor)
	
	Compra do caminhão ou aluguel
	Motorista
	
	
	Combustível
	
	Tanques de Armazenamento
	Manutenção
	Compostagem
	Tanques de armazenamento
	
Energia elétrica
	
	Máquina para compostagem
	Manutenção
	
	Trator
	Operador
	
	Caminhão
	Combustível
	Queima em Caldeiras
	Tanques de armazenamento
	
Energia elétrica
	
	Motobombas
	Operador
	
	Tubulação
	
Manutenção
	
	Caldeira de Vinhaça
	
Fonte: Rocha, 2007.
Segundo IPT (1990), quando a vinhaça é concentrada até cerca de 60% de sólidos totais, ela pode ser utilizada como fertilizante e ração. Após a concentração, pode ser seca por atomização, sendo o pó obtido usado como complemento de ração ou incinerada para geração de vapor e obtenção de cinzas potássicas para uso como fertilizante.
Hidalgo (2009) descreve em seu trabalho que a vinhaça é utilizada em diversos países tropicais e na Europa como um aditivo ou suplemento alimentar na nutrição de ruminantes e não-ruminantes. Um aspecto que limita o seu uso em alimentação animal é a baixa concentração de matéria seca, além dos valores de pH que podem causar corrosão nos tanque de armazenamento e distribuição. Entretanto, o valor do pH favorece o balanço da flora intestinal e previne a propagação de organismos patogênicos. Devidoà presença de ácidos orgânicos, há um aumento de peso e crescimento. A vinhaça tem sido usada como um líquido na alimentação animal, alternativamente pode ser usada seca o que facilita a distribuição e melhora a ingestão.
Rocha (2007) apresenta a combustão da vinhaça como alternativa de tratamento. Esta idéia está relacionada com a queima do licor negro na indústria de papel e celulose. Esta alternativa é a única que permite eliminar o potencial poluidor da vinhaça, com a recuperação econômica do potássio e aproveitamento do potencial energético. Entretanto, há como desvantagem o impacto da combustão sobre as tubulações e refratários e os altos índices de emissões de poluentes atmosféricos como material particulado, NOx, SOx e CO.
Cortez e Perez (1997) estudaram a combustão da vinhaça como método de disposição para resolver o problema da vinhaça. Ele levantou um breve histórico da combustão de vinhaça, onde cita Kujala et al. (1976) que relata o conceito de evaporação seguido de combustão desde antes da primeira guerra mundial, quando a Porion Furnace desenvolvida por Whitaker e U.S Industrial Chemicals Inc. Além disso, cita Reich (1945) que propôs uma concentração de vinhaça em um evaporador de quatro efeitos até 70-80% de sólidos seguido de uma combustão (343ºC) resultando carbono. Este mesmo princípio foi usado em Lucknow, Índia por Chakrabarty et. al. (1964) na destilaria de Dyer Mdeaking Breweries Ltd., quando uma planta piloto foi construída para recuperar sais de potássio da vinhaça produzida a partir de melaço. Duas plantas de incineração foram instaladas no Brasil em Pernambuco há 60 anos, mas ambas fecharam devido a problemas econômicos.
Gupta et. al. (1968) foram os primeiros a conduzirem experimentos usando uma unidade de combustão de leito fluidizado. A vinhaça era preparada a 30-40º Brix e então era pulverizada em um secador tipo “spray drier” e queimada a 700ºC. Um esquema similar foi descrito por Dubey (1974) que usou uma fornalha bicombustível (vinhaça a 60º Brix de sólidos e bagaço). De acordo com Sheehan e Greenfield (1980), Yamauchi e colaboradores em 1977 também conduziram experimentos com vinhaça a 21% de sólidos e óleo pesado. Mais recente, uma companhia holandesa, Hollandse Constructive Group B. V. relataram a combustão completa da vinhaça com concentração de até 60% de sólidos em seu gerador de vapor especialmente projetado. A sueca Alfa-Laval também reporta a tecnologia da queima de vinhaça. Ambos os relatos mencionam o uso da tecnologia de combustão “swirl” para queimar vinhaça com 60% de sólidos, porém sem informar detalhes da combustão em si.
Polack et. al. (1981) mostraram que a vinhaça da Lousiania – Estados Unidos da América é um difícil efluente para ser disposto por incineração. Foi utilizada uma fornalha de bagaço modificada, previamente desenvolvida por Harper (1980), que foi adaptada e equipada com queimador de ar que utiliza atomizador (Eclipse Convecto-Flame oil burner Model 168 HCF-CGO) e alimentada a uma pressão de 51 cm.c.a. para 1,4 MPa. A fornalha foi mantida
de 760 a 927ºC por fogo com gás natural e a vinhaça pré-aquecida (50ºC) foi atomizada em concentrações variando de 63,0 a 73 ºBrix.
Chaudhari, Mishra e Chandb (2008) apresentam em seu estudo que na China, um grande número de destilarias usa evaporadores de múltiplo efeito para concentrar os efluentes seguidos de incineração para recuperar a maior parte do conteúdo energético. A termólise é um processo efetivo para tratamento de vinhaça. O tratamento a 140ºC com concentração de óxido de cobre igual a 3 kg/m³ e pH de 2,0 resultando em uma redução máxima de 60% de remoção de DQO, principalmente devido a formação de resíduo sólido insolúvel e estável. A termólise catalítica usando óxido de cobre com catalisador é bastante efetiva e a redução da DQO existente a temperaturas moderadas (130-140ºC) e pressão (7-8 bar) são comparadas ao reportado por outros trabalhos através de termólise não catalítica em temperaturas (200- 250ºC) e pressões (70-80 bar) consideravelmente mais altas. A cinética da termólise da vinhaça apresentou uma reação de primeira ordem relacionada a DQO. O sólido obtido a 140ºC e pH de 2,0 tem uma proporção atômica de C:H de 1:1,08 e uma capacidade calorífica de 21,77 MJ/kg. O lodo obtido após a termólise tem boas características de filtração. O resíduo pode ser usado como um combustível em fornalhas para recuperar a sua energia e as cinzas contendo cobre pode ser misturadas com material orgânico e usadas como fertilizante rico em nutriente na agricultura.
De acordo com Zhang, Xiong e Wei (2009), o tratamento físico-químico é empregado após o tratamento anaeróbico primário objetivando reduzir a DQO e cor. Estes autores apresentam os biofloculantes como menos nocivos ao meio ambiente e ao ser humano, indicando o potencial deles para substituir os floculantes químicos. O objetivo do estudo deles foi aplicar a tecnologia de floculação biológica para eliminar o problema de poluição causado pelo efluente da produção de etanol de várias matérias-primas. O biofloculante ácido poliaspártico (PASP) (C4H6NO3(C4H5NO3)mC4H6NO4), primeiramente encontrado no corpo de organismos marinhos é reconhecido com um tipo de “agente verde” de tratamento de efluente no mundo.
A vinhaça, inicialmente, passou por uma peneira de 50 mesh para remover os sólidos, que são usados como alimento após secagem, e então foi tratada por floculação biológica. Foi adicionado à vinhaça 1,0 g/L ácido poliaspártico e a amostra foi agitada durante 2 minutos a 150 rpm e finalmente mantida em repouso por 20 min. O floculante foi adicionado a certa quantidade de amostra (agitação de 150 rpm) até ter gerado muita precipitação e a cor do líquido ter se alterado (de marrom para marrom avermelhado). Então esta quantidade foi registrada para determinar a concentração do floculante. Finalmente a solução foi filtrada em
papel de filtro (tamanho do poro de 0,12 mm). O filtrado foi misturado com a matéria-prima para a próxima fermentação. A vinhaça foi reutilizada e reciclada.
A floculação química usou 1,0 g/L cloreto de polialumínio (PAC-PAM), a amostra foi agitada durante 2 minutos a 150 rpm e finalmente mantida em repouso por 20 min. Após floculação, o efluente foi filtrado em papel de filtro para reutilização.
O efluente da destilaria contém proteínas e açúcares que fornecem nitrogênio e carbono para o crescimento de microorganismos, logo o reuso da vinhaça no processo de fermentação alcoólica é uma boa alternativa.
No estudo de Zhang, Xiong e Wei (2009), a recirculação de vinhaça foi avaliada. O número de ciclos foi determinado pela taxa de produção de etanol, com alta produtividade de etanol o número de ciclos foi aumentado. A concentração de etanol em 90 horas usando vinhaça filtrada foi 8,16% (v/v). Sem a floculação, as concentrações finais de etanol foram 6% no primeiro reciclo e 4,8% no segundo reciclo. O reciclo direto sem floculação gera um efeito negativo severo na fermentação e no crescimento das células de levedura, que foram observadas em microscópio. O efeito negativo se tornaria maior se o número de reciclos aumentasse, e para atingir a mesma produtividade de etanol seria requerido muito mais tempo de fermentação. A causa pode ser relativa à alta concentração de sólidos solúveis e algumas substâncias tóxicas específicas.
Com o tratamento de floculação química para o reuso de vinhaça, as concentrações finais de álcool foram 6,41% (v/v) no primeiro reciclo e 7,2% no segundo reciclo. A produtividade foi menor do que com vinhaça filtrada (8,16%). O conteúdo de sólidos foi bem reduzido, mas as substâncias tóxicas não foram removidas usando a floculação química. O resíduo do filtro pode ser tóxico de componentes inorgânicos e não podem ser usado com alimento, resultando em uma poluição secundária. Este pós-tratamento do resíduo do filtro pode ser problemático para indústria de etanol.
Com o tratamento de floculação biológica para o reuso de vinhaça, as concentrações finais de etanol de repetidas fermentações teve uma