trabalho 56

8/3/2019 Trabalho 56

1/7

AVALIAO DA EFICINCIA DE UM BIODIGESTOR TUBULAR NAPRODUO DE BIOGS A PARTIR DE GUAS RESIDURIAS DE

SUINOCULTURA

ARMIN FEIDEN1JOHANN REICHL2

JAIR SCHWAB3

VERA SCHWAB4

1Centro de Cincias Agrrias, Universidade Estadual do Oeste do Paran,Campus de Marechal Cndido Rondon, PR. Professor Adjunto. Engenheiro

Agrnomo. Doutor em Agronomia - Energia na Agricultura, pela UNESP-Botucatu.Contato: [email protected]

2Escola de Energia Biosolar, Municpio de Quatro Pontes, PR. Professor.Engenheiro Termodinmico, pela Universidade Tcnica de Munique.

3Colgio Estadual Entre Rios do Oeste, Municpio de Entre Rios do Oeste, PR.Professor. Licenciado em Cincias, Habilitao Matemtica, pela Faculdade de

Cincias e Letras de Pato Branco, PR.4Colgio Estadual Entre Rios do Oeste, Municpio de Entre Rios do Oeste, PR.Professora. Biloga, pela Faculdade de Cincias e Letras de Pato Branco, PR.

RESUMOUm biodigestor tubular tipo Reichl, com capacidade de 800 m3 de biomassa de guas residuriasde suinocultura, foi avaliado com e sem agitao de seu contedo. Foram aplicadas cargasmdias de 0,931 kg de slidos totais e de 0,634 kg de slidos volteis, por m 3 de reator por dia.Com agitao da biomassa, foi obtida uma produo mdia diria de biogs de 289,50 m 3, o queequivale a uma produo de 0,362 m3 de biogs por m3 reator por dia. O rendimento obtido foi de

0,389 m3

e 0,571 m3

de biogs por kg de slidos totais e slidos volteis adicionados,respectivamente. Sem agitao, a produo de biogs caiu 17,69%, atingindo uma mdia diria de238,30 m3, equivalente a 0,298 m3 por m3 de reator por dia. O rendimento foi de 0,320 m3 e 0,470m3 de biogs por kg de slidos totais e slidos volteis adicionados, respectivamente. A reduode slidos totais foi de 68,67% com agitao e de 52,11% sem agitao, mostrando uma diferenade 16,57% em favor da agitao. J para slidos volteis, a reduo foi de 80,16% com agitao e58,77% sem agitao, uma diferena de 21,39% em favor da agitao.Palavras-chave: agitao, biogs, biodigestor tubular, suinocultura.

ABSTRACTThe performance of a plug-flow digester, type Reichl, was evaluated with and without mixing. Thedigester, treating swine wastewater, had a capacity of 800 m3 and were operated at a loading rateof 0,931 kg and 0,634 kg of total solids and volatile solids per day, respectively. With mixing, the

daily average biogas production was 289,50 m3

day-1

, the specific volume production of 0,362 m3

biogas m-3 reactor day-1 and a specific biogas production of 0,389 m3 and 0,571 m3 biogas kg-1 totalsolids and volatile solids added, respectively. Without mixing, was observed a reduction of 17,69%on the daily average biogas production, to only 238,30 m3 day-1. It correspond to a specific volumeproduction of 0,298 m3 biogas m-3 reactor day-1 and a specific biogas production of 0,320 m3 and0,470 m3 biogas kg-1 total solids and volatile solids added, respectively. With mixing, a reduction of68,67% total solids was achieved, compared to 52,11% without mixing. Considering volatile solids,it was achieved 80,16% with mixing, compared to 58,77% without mixing.Keywords: mixing, biogas, plug-flow digester, swine production.

INTRODUONos ltimos vinte anos os biodigestores tubulares, tipo Reichl, tem se difundido de forma lentamas gradual na regio oeste do Estado do Paran. O substrato principal tem sido os dejetos

sunos, mas tem sido utilizados com resduos de bovinocultura-de-leite, resduos de frigorficos ede fecularias. Estes biodigestores incorporam uma srie de caractersticas prprias que osdiferenciam dos modelos clssicos de biodigestores tubulares, desenvolvidos nos Estados Unidos


2/7

e na Alemanha. Entre estas caractersticas, citamos a utilizao combinada de manta plsticanegra com agitador cintico, a dessulfurizao biolgica e a utilizao adicional de filtros seletivospara remoo de gs sulfdrico, amnia e vapor dgua. Apesar do sucesso prtico do modelo,hoje utilizado em vrios estados brasileiros, no Peru, na Bolvia e Portugal, poucos dados estodisponveis sobre sua eficincia nas condies brasileiras. Este trabalho visou: (1) avaliar a

eficincia de produo de biogs com e sem agitao da biomassa; (2) determinar a rendimentoespecfico de biogs por kg de slidos totais e volteis adicionados, com e sem agitao e, (3)obter os coeficientes de reduo de slidos totais e volteis, com e sem agitao da biomassa.

MATERIAL E MTODOSFoi utilizado um biodigestor tubular tipo Reichl, instalado na Granja Stein, localizada no municpiode Entre Rios do Oeste, com capacidade de 800 m3 de biomassa e alimentado com guasresidurias de suinocultura. O biodigestor foi operado inicialmente com agitao da biomassa, porum perodo de trs meses, sendo efetuadas 12 coletas semanais de amostras do afluente eefluente do biodigestor. Paralelamente as coletas, tambm foi avaliada a produo diria dobiogs, utilizando trs medidores de gs fabricados pela LAO, instalados em paralelo, para vencero volume de gs produzido, bem como foram efetuadas medies do volume dirio de dejetos,atravs do volume de biomassa acumulada na caixa de entrada do sistema. Numa segunda etapa,

o biodigestor foi operado sem agitao da biomassa e, aps atingido o estado estacionrio, foramefetuados mais 12 coletas semanais, nas mesmas condies das coletas anteriores. As amostrascoletadas foram analisadas no labortrio de qumica agrcola e ambiental da UniversidadeEstadual do Oeste do Paran, Campus de Marechal Cndido Rondon, utilizando a metodologiarecomendade por APHA, 1992. As variveis quantificadas foram slidos totais, slidos volteis,slidos fixos e umidade, volume de biogs e volume do substrato afluente. Tambm foiacompanhada a temperatura, o pH, a acidez voltil e a alcalinidade, estas ltimas como indicativosdo estado estacionrio do biodigestor. O sistema de agitao era constituido de dois tanques depresso, cilndricos, com dimetro de 0,70 m e comprimento de 2,80 m. O biogs, aps remoodo vapor dgua, gs sulfdrico e amnia, era comprimido a presso 30 kgf cm -2 e liberadorepentinamente por uma vlvula de alvio, a intervalos de 3 horas, no perodo diurno. O biogs,repentinamente liberado, era conduzido por uma tubulao de ao ao fundo do biodigetor, onde sedistribua em uma rede de tubos em forma de espinha de peixe. Neste tubos, uma srie deorifcios com dimetros e ngulos matemticamente dimensionados, liberava a energia cintica dogs de tal forma que criava um conjuto de vrtices que se complementavam e realimentavam deforma harmnica e sincronizada, levando as camadas frias do fundo para a superfcie e asquentes da superfce para o fundo. A agitao era localizada e efetuada apenas no sentido fundo-superfcie, com o mnimo de transporte longitudinal que pudesse afetar o comportamento de fluxoem pisto tpico dos reatores tubulares.

Figura 1. Demonstrao do efeito do agitador cintico em biodigestor tubular sem o gasmetro.


3/7

Figura 2. Biodigestor tubular com capacidade de 800 m3 de biomassa. Granja Stein, municpio de

Entre Rios do Oeste, Estado do Paran.

REVISO BIBLIOGRFICANum biodigestor tubular, tambm chamado de plug-flow ou de fluxo em pisto, a biomassa tementrada contnua em uma das extremidades do biodigestor, passa atravs do mesmo e descarregada na outra extremidade, na mesma sequncia em que entrou. O fluxo se processacomo um mbolo, sem misturas longitudinais. As partculas mantm sua identidade epermanecem no tanque por um perodo igual ao tempo de reteno hidrulica. Para garantir isso,os biodigestores so longos, com uma elevada relao comprimento-largura, na qual a dispersolongitudinal mnima (Von Sperling, 1996).

O primeiro registro do uso de biodigestores tubulares foi na Repblica da frica do Sul, em 1957,operando a 35C, com tempo de reteno hidralica de 40 dias e cargas orgncias de 3,4 kg deslidos totais por m3 (Gunnerson et al., 1989). Nos Estados Unidos, o sistema foi intensamenteestudado por pesquisadores da Universidade de Cornell, liderados pelo Prof. Jewell (Gunnerson etal., 1989). Em uma comparao entre um biodigestor tubular e um biodigestor de misturacompleta, ambos com 38 m3 e operando com dejetos de bovinocultura-de-leite, com 12,9% deslidos totais, foram obtidas produes especficas de 1,26 e de 1,13 m3 de biogs por m3 dereator por dia (Hayes et al., 1979).

Os biodigestores tubulares, conhecidos tambm como digestores plug-flow (seu nome em ingls),geralmente possuem uma relao largura:comprimento igual ou superior a 1:5. Segundo o Biogs

Handbook (EPA, 2003), os biodigestores plug-flow so retangulares, construdos abaixo do nveldo solo e operam com tempos de reteno de mais de 15 dias. Nos Estados Unidos, admite-se ouso deste tipo de digestores apenas para dejetos de bovinocultura-de-leite, operando com teoresde slidos entre 11 e 13%. Mesmo com estas restries, nas condies americanas, este tipo debiodigestor tem um alto ndice de insucesso. De um total de 30 digestores tubulares implantadosdesde 1980, em 1995 somente 9 continuavam operacionais, configurando um ndice de insucessode 77%. Entre as razes apontadas para este insucesso, a principal foi de falha de projeto, pordesconhecimento das caractersticas hidrulicas do modelo. Dos biodigestores tubularesimplantados nos Estados Unidos, 19 eram de um s projetista e, destes, 90% falharam (EPA,2003). Outra causa importante mencionada foi a formao de crosta, pois os biodigestorestubulares conceitualmente no admitem mistura, pelo menos no sentido longitudinal (EPA, 2003).

Na Alemanha, so comuns sistemas tubulares com agitadores mecnicos destinados a quebrar a

crosta e unifomizar a biomassa, sendo a agitao realizada apenas em sentido transversal e emgeral com baixa rotao (Schultz, 1996). Os biodigestores tubulares tambm tem sido utilizadosassociados com vrios sistemas de aquecimento e agitao, como sistemas com eixos


4/7

longitudinais equipados com ps que fazem uma mistura apenas no sentido lateral (Baering, 2001;Schultz, 1996; Maurer e Winkler, 1980).

Segundo Kuczman (2002b), no Brasil, na regio oeste do Paran, os biodigestores tubularespassaram a ser utilizados no incio da dcada de 80, e foram adaptados s condies locais por

Johann Reichl. Aps anos de experimentao prtica com este modelo, foram incorporadas umasrie de inovaes para aumentar sua eficincia. Kuczman (2002a) cita como vantagens dobiodigestor tubular tipo Reichl, tambm conhecido como biodigestor solar de manta plstica, obaixo custo de implantao, a utilizao eficiente da energia solar, captada pela manta plsticanegra e incorporada na biomassa pelo agitador cintico.

A regio oeste do Paran apresenta um alto potencial para uso dos biodigestores anaerbios, pelaalta concentrao de sunos, aves e bovinos de leite, cujos resduos podem ser tratados comsucesso para produzir biogs e biofertilizante (Feiden, 2002). Tambm as guas residurias defecularias mostram um elevado potencial para uso em biodigestores anaerbios (Feiden, 2003). Autilizao dos biodigestores tubulares eficiente tanto para o tratamento dos resduos suincolascomo para gerao do calor e eletricidade. Um dos exemplos do uso integrado da energia ocaso da Granja Marujo, no municpio de Castro, onde 500 m 3 de biogs gerados por um

biodigestor tubular so utilizados para gerao de calor, para secagem de gros e produo deenergia eltrica para uso na granja (Reichl, 2004).

Muitas vezes o consumo de biogs distante do ponto de produo. Neste caso, gasodutos abaixa presso podem levar o gs gerado a pontos situados a quilometros de distncia. o casoda Lacticnios Bombardelli, no municpio de Toledo-PR, que transporta o biogs gerado nobiodigestor tubular situado na granja de sunos, por uma distncia de 2 km at a unidade depasteurizao de leite, num volume de 60 m3 por hora (Feiden, 2002). Em Uberlndia-MG, afazenda gua Limpa, gera biogs atravs de biodigestores tubulares em uma rea da fazenda etransporta o biogs gerado por um gasoduto de baixa presso a uma distncia de 11 km, ondegera energia eltrica para movimentar a agroindstria e a produo de rao da fazenda (Reichl,2003).

RESULTADOS E DISCUSSONa regio oeste do Paran, os digestores tubulares tipo Reichl tem utilizado com sucesso umsistema de agitao cintico, empregando a energia cintica de um grande volume de gsarmazenado em alta presso para uniformizar a massa lquida aquecida na superfcie por efeito daabsoro da energia solar na cobertura negra, e tambm para quebrar a crosta que se forma nasuperfcie. Para otimizar a digesto anaerbia, dentro da faixa mesoflica, as temperaturas devemse aproximar da faixa ideal de 30 a 35C (Maurer e Winkler, 1980). Para otimizar a absoro decalor, os biodigestores tubulares so equipados com coberturas negras para absorver o mximode energia solar. Durante o dia, a energia captada pela superfcie negra na forma de ondascurtas, absorvida e reemitida na forma de ondas longas (Reuter, 2003). Assim, o biogs e asuperfcie da massa lquida so aquecidas. Durante a noite, a superfcie negra tende a perdercalor de uma bastante intensa, anulando o ganho diurno. Para que essa perda seja minimizada, empregada a agitao cintica, difundindo a energia absorvida para toda a massa emfermentao. A perda noturna ainda ocorre, mas de uma foram muito mais lenta, pois a energia

est dispersa em um grande volume lquido, cujo calor especfico elevado. Assim, o ganho diriopassa ser maior que a perda noturna, e a eficincia da biodigesto maior em funo da maiortemperatura mdia da massa lquida. Porm, se a agitao for muito intensa, de forma a promovera mistura longitudinal do substrato, o biodigestor pode perder sua caractersticas de fluxo empisto, afetando assim a cintica do mesmo. Isto faria diminuir sua eficincia relativa e at perdera vantagem obtida. Tendo em vista que o processo de agitao envolve custos, tanto fixos devidoa implantao do sistema, quanto variveis, decorrentes da operao do mesmo, importantequantificar a eficincia do sistema de agitao, tanto na produo de biogs como na reduo dacarga orgnica. Os resultados obtidos esto resumidos na tabela 1.

A carga orgnica aplicada aos dois tratamentos foi relativamente baixa. A literatura recomendavalores em torno de 3,8 a 8,0 kg de slidos volteis por m3 de reator por dia (Oliveira, 1993. A taxaaplicada, de 0,634 kg, foi 6 vezes menor que a taxa mnima recomendada e 12 vezes menor que a

maior taxa recomendada. Isto indica uma subutilizao do biodigestor, mas est diretamenteligado ao sistema de remoo dos dejetos empregado na granja. Os dejetos acabam ficandoexcessivamente diludos e isso afeta todo o desempenho do sistema de tratamento de dejetos. A


5/7

adoo de prticas poupadoras de gua no setor de produo seria uma medida recomendvelpara aumentar o eficincia de remoo da carga orgnica e a produo total de biogs.

Tabela 1. Resultados de indicadores tcnicos obtidos em biodigestor tubular com e sem agitaoda biomassa.

Indicador Com Agitao Sem Agitao

Carga Orgnica Mdia Diria(kg por m3 de reator)

0,931 kg slidos totais0,634 kg de slidos volteis

0,931 kg slidos totais0,634 kg de slidos volteis

Produo total mdia diria debiogs (m3 dia-1)

289,50 m3 238,30 m3

Produo especfica mdiadiria (m3 m-3 reator dia-1)

0,362 m3 0,298 m3

Rendimento sobre slidostotais (m3 biogs kg-1

adicionado)

0,389 m3 0,320 m3

Rendimento sobre slidosvolteis (m3 biogs kg-1

adicionado)

0,571 m3

0,470 m3

Reduo de Slidos Totais 68,67% 52,11%

Reduo de Slidos Volteis 80,16% 58,77%

A produo mdia de biogs foi de 289,50 m3 com agitao e de 238,30 m3 sem agitao. Istoequivale uma diferena em favor da agitao de 17,69%. Quando considerada a produoespecfica, os resultados obtidos foram de 0,362 m3 e 0,298 m3 de biogs por m3 de biodigestorcom agitao e sem agitao, respectivamente. O rendimento sobre slidos totais foi de 0,389 m3e 0,320 m3 de biogs por kg de slidos totais adicionados, com e sem agitao, respectivamente.Neste caso a vantagem foi de 17,74% em favor da agitao. O rendimento sobre slidos volteis

foi de 0,571 m3

e 0,470 m3

de biogs por kg de slidos volteis adicionados, com e sem agitao,respectivamente. Neste caso a vantagem foi de 17,68% em favor da agitao. A produoesperada de biogs para dejetos suinos varia de 0,300 a 0,600 m3 por kg de slidos volteisadicionados, segundo Oliveira (1993). J Schultz (1996), cita uma faixa de 0,220 a 0,637 m3 porkg de slidos volteis adicionados. Ambos os valores obtidos se encaixam na faixa citada naliteratura. Mesmo o valor obtido sem agitao pode ser considerado bom. Isto indica que osbiodigestores tubulares, mesmo sem agitao, podem ser utilizados com sucesso no tratamentode dejetos suinos, embora a produo seja inferior obtida com agitao.

A reduo de slidos totais foi de 68,67% e 52,11% com agitao e sem agitao, respectiva-mente, mostrando uma diferena de 16,57% em favor da agitao. J para slidos volteis, areduo foi de 80,16% e 58,77% com agitao e sem agitao, respectivamente, uma diferenade 21,39% em favor da agitao. Estes resultados mostram que a agitao foi importante para aeficincia do processo, com todos os indicadores mostrando isso.

O acompanhamento da temperatura da biomassa mostrou temperaturas mdias de 29,4C para operodo com agitao e de 26,8C para o perodo sem agitao, mas estatsticamente no houvediferena significativa. Possvelmente isso ocorreu devido a um perodo de chuvas e perodonublado, durante o perodo com agitao, e que fez com que aumentasse a variao dos valorescoletados nesse perodo. A diferena de temperatura observada entre os dois perodos, de 2,6C,no suficiente, no nosso entender, de explicar as diferenas obtidas. Ambas as temperaturasso consideradas favorveis para a digesto anaerbia, sendo que possvelmente a agitao deveter contribuido, para melhorar o contato do inculo com o substrato. Outro possveis efeitos forama quebra da crosta e a remoo mais rpida dos gases formados do seio da massa lquida e,assim, melhorar a eficincia. Como o experimento foi conduzido em perodo de vero, astemperaturas eram favorveis a biodigesto mesmo sem aquecimento adicional. Comopossvelmente os resultados sejam mais evidentes no perodo de inverno, pretende-se repetir o

experimento nesta poca. De qualquer forma, os efeitos benficos da agitao foram evidentesnos ndices avaliados. Conforme relatado anteriomente, a adoo de prticas para diminuir a


6/7

diluio dos dejetos pode ser uma das alternativas para aumentar a produo de biogs semcustos adicionais com equipamentos e se afetar as prticas de manejo do biodigestor.

CONCLUSO- A carga orgnica mdia aplicada ao digestor foi de 0,931 kg e 0,634 kg, de slidos totais e

slidos volteis, respectivamente, por m3

de reator por dia.

- Com agitao da biomassa, foi obtida uma produo mdia diria de biogs de 289,50 m 3, o queequivale a uma produo de 0,362 m3 de biogs por m3 reator por dia. Sem agitao, aproduo de biogs caiu 17,69%, atingindo uma mdia diria de 238,30 m3, equivalente a 0,298m3 por m3 de reator por dia.

- O rendimento obtido foi de 0,389 m3 e 0,571 m3 de biogs por kg de slidos totais e slidosvolteis adicionados, respectivamente, com agitao da biomassa. Sem agitao, foi de 0,320m3 e 0,470 m3 de biogs por kg de slidos totais e slidos volteis adicionados, respectivamente.

- A reduo de slidos totais foi de 68,67% com agitao e de 52,11% sem agitao, mostrandouma diferena de 16,57% em favor da agitao. J para slidos volteis, a reduo foi de

80,16% com agitao e 58,77% sem agitao, uma diferena de 21,39% em favor da agitao.

AGRADECIMENTOSAgradecemos administrao da Granja Stein e a todos os funcionrios pelo apoio e incentivo notrabalho realizado. Tambm agradecemos aos funcionrios do laboratrio de quimica agrcola eambiental da Unioeste, pelo apoio na realizao das anlises. E agradecemos tambm a todosque, direta ou indiretamente, tenham contribuido para a realizao deste trabalho.

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

APHA AMERICAN PUBLIC HEALHT ASSOCIATION. Standart methods for the examination ofwater and wastewater. Washington: APHA, 1992. 18ed.

BAERING, S. Biogas als Energieressource fr Schleswig-Holstein. Schleswig-Holstein:Investitionsbank Schleswig-Holstein, 2001, 21p. il. Disponvel em: http://www.ib-sh.de/IB/jsp/e-agentur/biogas.pdf. Data de acesso: 05/04/2004.

EPA ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY. The AgStar Biogas Handbook. ltima atuali-zao em 15 de agosto de 2003. Disponvel em: http://www.epa.gov/agstar/library/hand-book.htm.Data de acesso: 05/04/2004.

FEIDEN, A. Biodigesto: alternativa ecologicamente correta. Mal. Cdo. Rondon: Jornal OPresente, 01/07/2001. p.02-03. il.

FEIDEN, A. Biodigestor bom para a agroindstria, timo para o meio ambiente. Mal. Cdo.Rondon: O Jornal, 07/03/2002. p.05. il.

FEIDEN, A.; CEREDA, M.P. Potencial energtico do biogs gerado no tratamento de guasresidurias de fecularias em sistema piloto de biodigesto anaerbia com separao de fases.Energia na Agricultura, vol.18, n.2, p.54-66, 2003.

GUNNERSON, C.G.; STUCKEY, D.C.; SKRINDE, R.T.; WARD, R.F.; GREELEY, M. Anaerobicdigestion (biogas) systems: principles of integrated use and their application in developingcountries. In: WISE, D.L. International biosystems. Boca Raton, Florida: CRC Press, 1989, vol.1,340p. il.

HAYES, T.D.; JEWELL, W.J.; DELLORTO, S.; FANFONI, K.J.; LEUSCHNER, A.P.; SHERRIDAN,D.R. Anaerobic digestion of cattle manure. In: STAFFORD, D.A.; WHEATLEY, B.I; HUGHES, D.E.Anaerobic digestion. London: Applied Science. 1979.

KUCZMAN, O. Eficincia com custo reduzido: os benefcios da fermentao anaerbia. Cascavel:Jornal da Coopavel, 2002. p.22. il.


7/7

KUCZMAN, O. Biodigestor: eficincia com custo reduzido. Uberlndia: Jornal do Campo,01/09/2002. p.34-35. il.

MAURER, M.; WINKLER, J.P. Biogas Theoretishe Grundlagen, Bau und Betrieb von Anlagen.

Karlsruhe: Verlag C.F. Mller, 1980. 142p. il.

OLIVEIRA, P.A.V. Manual de manejo e utilizao dos dejetos sunos. Concrdia: EMBRAPA-CNPSA, 1993. 188p. il.

SCHULTZ, H. Biogas-Praxis: Grundlagen, Planung, Anlagenbau, Beispiele. Freiburg: kobuchVerlag, 1996. 187p. il.

REICHL, J. Agroindstria vai utilizar o biogs. Uberlndia: Jornal Correio, 04/05/2003. p.A8. il.

REICHL, J. Biogs uma alternativa saudvel ao meio ambiente e ao bolso. Ponta Grossa: Diriodos Campos, 15/04/2004. p.4D-5D, il.

REUTER, A. Wrme von der Sonne. Moosburg: Solarfreunde-Moosburg. Atualizado em03/02/2003. Disponvel em http://www.solarfreund-moosburg.de/Solarthermie.pdf. Acesso em15/05/2004. 24p. il.

VON SPERLING, M. Principios bsicos do tratamento de esgotos. Belo Horizonte: Departamentode Engenharia Sanitria e Ambiental - Universidade Federal de Minas Gerais, 1996. 211p. il.

trabalho 56

Documents