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Biodigestores

por Roberto M.F. Mourão / ALBATROZ Planejamento, (1998-2007)

Biodigestores

Introdução

Esse artigo analisa o uso de Biodigestores no âmbito rural e urbano (crescente).

A cada dia, mais e mais são utilizados biodigestores no ambiente urbano devido ao crescimento da consciência ambiental e, já em alguns casos, por recomendação dos órgãos ambientais.

Quanto ao uso rural, de acordo com o Ministério da Ciência e Tecnologia – MCT, a agropecuária é uma das atividades econômicas de maior importância no Brasil. Devido à sua grande extensão de terras agricultáveis e disponíveis para pastagem, o país destaca-se quanto à produção deste setor, porém tal atividade também é responsável por grande parte das emissões de gases de efeito estufa, em especial, o metano (CH4).

As emissões globais de CH4 provenientes dos sistemas de manejo de dejetos são estimadas em 25 milhões de toneladas anuais, correspondendo a 7% das emissões totais.

O Brasil, em 1995, contribuiu com cerca de 385 mil toneladas, sendo que deste total, a pecuária bovina apresentou os valores mais expressivos, contribuindo com aproximadamente 70% das emissões.

O uso do biogás como fonte de energia ainda é inexpressivo, totalizando apenas 78 MW de capacidade instalada, o qual representa 0,06% da matriz energética brasileira.

Considerando a significativa produção agropecuária brasileira, com mais de 169 milhões de cabeças (IBGE, 2006), o maior rebanho bovino do mundo com fins comerciais, vê̂-se que o atual aproveitamento do biogás no Brasil a partir dos resíduos da atividade agropecuária encontra-se bastante aquém do seu potencial.

Diante deste cenário, a legislação brasileira vem se destacando no que tange ao gerenciamento de resíduos sólidos.

A Política Nacional de Resíduos Sólidos – PNRS, instituída pela Lei n° 12.305 de 02 de agosto de 2010, preconiza o aproveitamento energético dos resíduos e o desenvolvimento de tecnologias limpas como forma de minimizar os impactos ambientais. Os resíduos passam a agregar valor econômico, devendo ser prioritariamente reciclados ou reutilizados em outras cadeias produtivas, reduzindo, assim, os custos com destinação, a demanda por matérias primas e energia e os impactos ambientais.

Outro diploma legal que vem de encontro ao aproveitamento energético de resíduos animais é a Política Nacional sobre Mudança do Clima – PNMC (Lei n° 12.187 de 29 de dezembro de 2009). De acordo com seu Artigo 12, para que os objetivos da PNMC sejam alcançados, o País deverá adotar ações de mitigação das emissões de gases de efeito estufa, com vistas em reduzir entre 36,1 % e 38,9 % suas emissões projetadas até 2020.

Aponta-se o biodigestor como uma tecnologia viável para o gerenciamento dos resíduos animais, na medida em que contribui para a redução da capacidade poluidora de fezes e do volume diário produzido, além de auxiliar na destinação ambientalmente adequada dos dejetos e ser uma fonte de energia renovável.

Os biodigestores também podem controlar a emissão de gases de efeito estufa tais como o Dióxido de Carbono e o Metano, na medida em que o processo de digestão anaeróbia se desenvolve em meio fechado, havendo a possibilidade de recuperação dos gases.

Muitos esforços também vêm sendo observados no intuito de controlar a descarga de efluentes nos corpos d ́água e a contaminação dos lençóis freáticos, já́ que cerca de 20% desses resíduos são aplicados aos solos, gerando a formação de óxido nitroso (N2O). Assim, projetos de aproveitamento do metano como fonte de energia e como forma de combater a poluição ambiental deveriam ser mais estudados.

Nesse contexto, o presente trabalho visa discutir o aproveitamento energético do biogás gerado através da recuperação das emissões de metano provenientes de resíduos animais, tendo em vista a inclusão de novas fontes de energia alternativa na matriz energética brasileira, bem como a mitigação dos impactos ambientais causados pela agropecuária.

Biodigestores

O Biodigestor é um reator biológico de concepção relativamente simples e barato de ser construído.

É um equipamento fechado em que se introduz matéria orgânica para ser decomposta por diversos micro-organismos anaeróbios. Ou ainda, é um sistema que transforma resíduos da produção humana ou rural em produtos de alta qualidade.

Como subproduto são gerados, que podem ser utilizados para outros fins:

Bio-sólido ou Biosólido, que é biofertilizante;
Bio-líquido ou Biolíquido, também biofertilizante; e
Biogás.

Essa produção traz consigo lucros e benefícios ambientais.

Estando aterrado no solo, o que é prática comum, não requer grandes áreas para a sua instalação, além de não competir pelo uso de terra com as culturas alimentares e ser de fácil operação e manutenção.

Os materiais orgânicos utilizados no biodigestor podem ser:

os resíduos de produção vegetal (folhas, palhas, restos de cultura),
de produção animal (como esterco e urina),
de atividades humanas (fezes, urina, lixo doméstico) e resíduos industriais.

A decomposição que a matéria orgânica sofre dentro do biodigestor chama-se digestão anaeróbica, que é realizada através da atividade de bactérias anaeróbicas.

Tipos de Biodigestores

Existem diversos tipos de biodigestores, cada um com características próprias de operação, que dependem do tipo de material utilizado, das condições locais, etc.

Mas basicamente um biodigestor é composto por um recipiente que abriga e permite a digestão da matéria, cujo interior é protegido do contato com o ar atmosférico para que a biomassa seja metabolizada por bactérias anaeróbias, um sistema de entrada do material que será digerido, um sistema de descarga do efluente (biofertilizante) e um armazenador de biogás (gasômetro).

Quanto ao abastecimento de biomassa, o biodigestor pode ser contínuo, que é alimentado continuamente com um substrato de fácil degradação e abundante, e intermitente, quando se utiliza sua capacidade máxima de armazenamento de biomassa, que fica retida até sua completa biodigestão, em seguida os restos da digestão são retirados e uma nova recarga de biomassa é feita.

Os biodigestores do tipo batelada são simples e de pequena exigência operacional. Trata-se de um sistema que recebe uma carga total de biomassa, ou seja, não é contínuo. Geralmente é utilizado em propriedades nas quais a produção de biomassa é sazonal, como em granjas avícolas de corte. Quanto aos biodigestores do tipo contínuo, os principais modelos são o indiano, o chinês e o canadense.

Biodigestores Contínuos – Modelo Indiano e Modelo Chinês

Os biodigestores de operação contínua operam com cargas diárias de matéria orgânica que se movimentam por meio de uma carga hidráulica dentro do biodigestor, devendo a matéria orgânica ser diluída antes de ser colocada no biodigestor e, se possível até mesmo triturada, pois isso evita entupimentos e formação de crostas no interior do biodigestor.

Os biodigestores indiano, chinês, tailandês, canadenses, filipino, e paquistanês são os mais conhecidos no mundo inteiro.

No Brasil, os biodigestores indiano, chinês e canadense são os mais utilizados, devido ao seu baixo custo, alto rendimento e fácil manuseio.

Modelo Indiano de Biodigestor

O modelo indiano é bem caracterizado por possuir uma campânula como gasômetro, a qual pode estar mergulhada sobre a biomassa em fermentação, ou em um selo d’água externo, e uma parede central que divide o tanque de fermentação em duas câmaras.

Essa parede divisória tem função de fazer com que basicamente a matéria orgânica circule por todo o interior da câmara de fermentação. Nesse modelo de biodigestor, a pressão de operação é constante, logo à medida que o volume de gás produzido não é consumido, o gasômetro tende a se deslocar verticalmente, aumentando o volume, portanto, mantendo a pressão constante no interior.

Além disso, o fato do gasômetro flutuar sobre o substrato ou sobre o selo d’água, reduz as perdas durante o processo de produção do gás.

A matéria orgânica residual utilizada para alimentar o biodigestor indiano deve apresentar uma concentração de Sólidos Totais (ST) não superior a 8%, para pode facilitar a circulação pelo interior da câmara de fermentação, e consequentemente evitar entupimentos dos canos de entrada e saída do material.

O abastecimento desse tipo de biodigestor também deve ser contínuo, ou seja, geralmente alimentado por dejetos (bovinos, suínos, etc) e restos de alimentos com uma certa frequência. Esse tipo de biodigestor pode ser construído e montado com certa facilidade, sendo o único problema o preço do gasômetro de metal que pode encarecer o custo final da construção desse equipamento.

Modelo Chinês de Biodigestor

O modelo chinês de biodigestor é formado por uma câmara cilíndrica em alvenaria para a fermentação, com teto abobadado, impermeável, destinado ao armazenamento do biogás.

Este tipo de biodigestor funciona com base no princípio de prensa hidráulica, de modo que o aumento da pressão em seu interior é resultante do acúmulo de biogás, e resulta em um deslocamento de efluente da câmara de fermentação para a caixa de saída, e em sentido contrário quando ocorre a descompressão do equipamento.

O modelo chinês é constituído quase que totalmente em alvenaria, dispensando o uso de gasômetro em chapa de aço, o que reduz os custos, contudo ainda tem chance de ocorrer alguns problemas como o vazamento do biogás, caso a estrutura não seja bem vedada e impermeabilizada.

Neste tipo de biodigestor, uma parcela do gás formado na caixa de saída acaba sendo liberada para a atmosfera, reduzindo assim parcialmente a pressão interna do gás, por este motivo as construções de biodigestor tipo chinês não são utilizadas para instalações de grande porte.

A alimentação desse biodigestor é bem parecida com a do modelo indiano, sendo a matéria orgânica fornecida continuamente, com a concentração de sólidos totais (ST) em torno de 8%, para evitar entupimento do sistema de entrada e facilitar a circulação do material no biodigestor.

Biodigestores Canadenses

O biodigestor canadense é um modelo de biodigestor horizontal que tem uma largura bem maior que a sua profundidade. Essa característica desse modelo faz com que a sua área de exposição ao sol seja bem maior, logo ocorre uma maior a produção de biogás e uma redução nos riscos de entupimento.

Este modelo utiliza materiais mais simples, sendo a sua cobertura composta geralmente por uma simples lona de plástico maleável, tipo PVC, que infla como um balão com a produção de biogás. Os biodigestores canadenses podem ser construídos enterrados ou não. Além disso, a sua cobertura pode ser retirada com uma certa facilidade para se fazer uma limpeza.

Biodigestores de Batelada

Os Biodigestores de Batelada são biodigestores que operam de forma descontinua, ou seja, os biodigestores de batelada são alimentados de uma vez só, com uma grande quantidade de matéria orgânica e, depois são fechados hermeticamente (de forma a não permitir a entrada de oxigênio) por um certo período de tempo (podendo variar de 40 até 60 dias).

Após esse período, a produção de biogás começa a cair, indicando que a matéria orgânica já foi decomposta , com isso, podendo já se fazer a retirada de 80 % da matéria restante (biofertilizante) , mantendo se 20 % da matéria orgânica para fornecer as bactérias necessárias para a decomposição da matéria orgânica, que vai ser colocada na próxima batelada.

Processo de Biodigestão

Alguns fatores são fundamentais para que o processo de biodigestão ocorra:

Temperatura,
Acidez, pH,
Umidade, e
disponibilidade de Nutrientes para as bactérias.

Esses fatores influenciam o desenvolvimento e a atividade das bactérias digestoras.

O período em que o material orgânico permanece no biodigestor até sua completa degradação é chamado de tempo de retenção. Esse tempo varia de acordo com o volume de material depositado no biodigestor, sendo que cada biodigestor possui uma capacidade limite de absorção de matéria orgânica.

O Biogás, produzido pela digestão anaeróbia em um biodigestor, é uma mistura gasosa composta principalmente por Dióxido de Carbono (CO₂) e Metano (CH₄).

O Biogás é uma fonte de energia renovável que pode ser usada para a geração de energia elétrica e de energia térmica. Após a produção do biogás, a biomassa digerida deixa o interior do biodigestor sob a forma líquida, rica em húmus e nutrientes. Esse biofertilizante é um excelente adubo natural que melhora a qualidade e produtividade do solo.

Os biodigestores podem ser usados para o tratamento de dejetos oriundos da agropecuária em propriedades rurais, de esgotos residenciais em pequenas comunidades e de dejetos industriais, principalmente em indústrias de alimentos. Sua utilização é bastante benéfica, pois contribui para reduzir a emissão de gases do efeito estufa e a poluição dos recursos naturais. Além disso, os produtos resultantes da biodigestão (biogás e biofertilizante) podem ser aproveitados.

Resíduos da Produção Rural

Dejetos de suínos, bovinos e aviários, resíduos agrícolas, resíduos de lavagem e ração – costumam ser considerados problemas para o produtor rural, pois é exigido por lei que eles tenham uma destinação adequada, evitando que contaminem o meio ambiente.

Os biodigestores auxiliam o produtor no manejo correto dos resíduos das suas atividades. Além disso, fabricam novos produtos que podem ser usados pelo produtor rural.

A função dos Biodigestores

O biodigestor é de simples construção e operação. Sua função é transformar matéria orgânica crua em biofertilizante de alta qualidade biológica. Nesse processo, o equipamento gera como resíduo um biogás, que pode ser utilizado como combustível. Esse aparelho pode ser usado em diversas situações, uma delas é o tratamento de esgoto.

Vantagens do Processo Anaeróbio

Por operar na ausência de oxigênio, seu uso traz uma série de outras vantagens:

Não implica em altos custos com aeração;
não demanda consumo de energia elétrica, uma vez que dispensa o uso de bombas, motores, aeradores, painéis elétricos etc.
Contribui com o gerenciamento de resíduos sólidos e efluentes, já́ que além de dejetos animais, outras fontes de origem orgânica como efluentes domésticos, lodo sanitário, resíduos sólidos urbanos e agrícolas, podem ser utilizados para abastecer o biodigestor;
Minimiza gastos com a destinação de resíduos e contribuí com o aumento da vida útil de aterros sanitários;
Estabiliza os sólidos do esterco e produz baixo volume de lodo (cerca de 5 a 10 vezes inferior em relação aos processos aeróbios);
Reduz a quantidade de microrganismos patógenos e a carga orgânica contaminante de solos e mananciais;
Impede que gases de feito estufa, em especial o metano, 21 vezes mais poluente que o gás carbono, seja liberado na atmosfera, gerando créditos de carbono;
Previne a liberação de odores e a proliferação de insetos;
Tem como um dos produtos do processo um biofertilizante, efluente que pode ser comercializado e/ou utilizado como fertilizante orgânico e na produção de ração animal.
Melhora o valor fertilizante do esterco através da mineralização de nitrogênio orgânico em amônia, que é mais disponível para absorção pelas plantas;
Produz um biogás rico em metano, combustível de elevado teor calorifico, que pode ser recuperado para a produção de energia térmica e elétrica;
Os produtos gerados no processo (biogás e biofertilizante) substituem os derivados de petróleo, permitindo economia na obtenção de outras fontes de energia e fertilizantes químicos.

Na prática, o uso dos biodigestores em propriedades rurais atende a 3 objetivos:

captação do biogás para produção de energia,
grande melhoria da qualidade do esterco como fertilizante (pela estabilização da matéria orgânica e disponibilização de nutrientes), e
mitigação de impactos ambientais.

Embora o controle da poluição seja uma das principais causas para a construção de um biodigestor na zona rural, a energia é a parte interessante para apoiar o retorno financeiro de seu custo de instalação.

Mais que uma alternativa energética, a produção de biofertilizante como substituto vantajoso dos adubos químicos deveria ser mais divulgada.

Emprego de Biodigestores no Mundo

A crise do petróleo na década de 70 e a crescente preocupação das nações com a poluição e as mudanças climáticas, levaram os países dependentes desse combustível a debaterem sobre o uso de fontes renováveis de energia como forma de substituir a energia fóssil.

Desta forma, a partir de 1976, estudos relativos ao aproveitamento de biogás foram intensificados em diversos países, tendo em vista a produção de energia a baixo custo.

Os modelos de biodigestores mais difundidos no mundo foram desenvolvidos e aperfeiçoados na China e na Índia. Nas décadas de 50 e 60, no auge da Guerra Fria, a China comunista optou por uma política de descentralização energética, visando tornar autossuficientes pequenas vilas e centros agrícolas, enquanto os indianos, assolados pela miséria e sem autossuficiência em petróleo, foram obrigados a utilizar seus conhecimentos para suprir a carência de fome e energia.

Biodigestores no Brasil

No Brasil, as pesquisas para a utilização do biodigestor ganharam impulso na década 80 e foram realizadas principalmente na região sul, onde se concentram grandes criadores de suínos, aves e bovinos.

Entretanto, foi na região nordeste que houve interesse dos pesquisadores em aproveitar a biomassa gerada nas pequenas e médias propriedades rurais, devido ao clima quente (temperaturas médias anuais acima de 25°C), que favorece o desenvolvimento e atividade dos microrganismos anaeróbios.

Evolução Hidráulica de Reatores Anaeróbios

A digestão anaeróbia ocorre em diversos ecossistemas naturais, como no rumem de bovinos e em sedimentos aquáticos de lagos. Com o intuito de reproduzir esses fenômenos de forma compacta foram criados os ecossistemas artificiais, conhecidos como reatores anaeróbios.

Inicialmente os reatores anaeróbios foram concebidos para tratar resíduos semissólidos como estrume de animais, lixo doméstico e para a estabilização de lodos provenientes dos tratamentos primários e secundário de efluentes.

Denominados reatores convencionais de baixa taxa, constituem-se de tanques simples, sem recirculação de lodo e com tempos de retenção variando de 15 a 60 dias.

Os tanques Imhoff, desenvolvidos em 1920 por Karl Imhoff, eram constituídos por uma câmara de decantação na parte superior e câmara de digestão de lodo na parte inferior. Foram inicialmente utilizados como única unidade de tratamento de esgotos, porém, acabaram sendo substituídos por outros sistemas anaeróbios mais econômicos e de maior eficiência.

Os modelos de tanques anaeróbios chineses e indianos, da década de 50, resultaram em grande difusão da aplicação de biodigestores como forma de tratar os dejetos animais, obter biogás e ainda conservar o efeito fertilizante do produto.

O biodigestor modelo indiano é constituído por uma cúpula móvel, de metal, onde fica armazenado o biogás gerado pela fermentação. Na medida em que a cúpula se enche de biogás, ela vai subindo em torno de uma guia de metal, funcionando como um gasômetro, já́ que pelo seu próprio peso, a cúpula acaba imprimindo certa compressão no gás estocado.

Já́ o modelo chinês, mais simples e econômico, possui cúpula fixa, de alvenaria, guarnecida por uma válvula, que é composta por uma tampa e pressionada por um deposito de água (vide Figura 1). A produção de biofertilizante é a mesma nos dois modelos, porém a capacidade de aproveitamento do gás é menor no modelo chinês.

A partir da década de 70 surgiu uma nova concepção de reatores anaeróbios (CETESB, 2006). Ela se baseia no princípio de acúmulo de biomassa dentro do reator, pela sua retenção ou recirculação.

Assim, o tempo de retenção do líquido é diferente e independente do tempo de retenção do lodo, possibilitando o tratamento de efluentes em tempo de retenção hidráulica reduzida (3 horas a 5 dias).

São os reatores de alta taxa, destacando-se os reatores anaeróbios de fluxo ascendente, os filtros anaeróbios e os reatores de leito fluidizado.

O Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente (RAFA) retém biomassa através de um decantador localizado no topo do reator e os gases são separados por defletores localizados na base dos decantadores.

Através do escoamento ascensional do afluente passando pela camada de lodo, assegura-se uma grande área de contato entre o material orgânico e a microbiota ativa. A estabilização da matéria orgânica ocorre na zona da manta de lodo, não havendo a necessidade de dispositivos de mistura, pois esta é promovida pelo fluxo ascensional e pelas bolhas de gás geradas. Destaca-se pela sua simplicidade e a não necessidade de material de enchimento. Foi um dos primeiros reatores a atingir altas taxas de aplicação de matéria orgânica, despertando grande interesse nas pesquisas por novos reatores anaeróbios.

Os filtros anaeróbios possibilitam o acúmulo de biomassa, através de um leito fixo. O material filtrante é o responsável pela retenção do lodo e pelo desenvolvimento de microrganismos, que se agrupam na forma de flocos ou grânulos, nos interstícios deste material. O fluxo através do meio filtrante, e do lodo ativo, confere alta eficiência aos filtros anaeróbios. Podem ser utilizados vários materiais para enchimento dos filtros, dando preferência àqueles inertes, que dificultem a obstrução e que sejam viáveis economicamente.

O reator de leito fluidizado utiliza material de enchimento inerte, como areia, que agrega biomassa e proporciona grande área de contato. A biomassa se mantém fluidizada através da velocidade ascensional do líquido. Esses reatores requerem um bom controle operacional.

Quanto mais complexo o sistema de tratamento, maior é a sua eficiência, porém mais complexo também se torna sua operação, limpeza e manutenção.

Por isso, dada à tecnologia simples e facilidade de construção e operação dos modelos de biodigestores indianos e chineses, estes são os mais utilizados no Brasil em propriedades rurais, para o tratamento de dejetos animais.