Produção de biogás a partir do aproveitamento energético dos resíduos orgânicos

A digestão anaeróbia é o processo de produção de biogás que ocorre em consequência direta de uma série de interações metabólicas, devido a atuação de diversos grupos de microrganismos. Neste artigo, é apresentado um breve panorama do processo e das tecnologias para biodigestão de resíduos orgânicos. Boa leitura!

Produção de biogás a partir do aproveitamento energético dos resíduos orgânicos
Comunidades & Produtores de Biogás
Biodigestão de substratos orgânicos

Aproveitamento energético dos resíduos orgânicos

Autor: Prof. Dr. Fabio Rubens Soares 

Introdução

A digestão anaeróbia (DA) pode ser definida como a conversão de material orgânico em dióxido de carbono, metano e o digerido através de bactérias, em um ambiente pobre em oxigênio.

Este processo é o mesmo que ocorre num aterro sanitário, porém, é acelerado através de equipamentos projetados para otimizar as condições da reação de forma a aumentar sua velocidade. O gás obtido durante a digestão anaeróbia, chamado de biogás, inclui além do metano e do dióxido de carbono, alguns gases inertes e compostos sulfurosos. A digestão anaeróbia é consequência de uma série de interações metabólicas com a atuação de diversos grupos de microrganismos. A produção de metano ocorre em um espectro amplo de temperaturas, mas aumenta significativamente em duas faixas, ditas mesofílica – entre 25-40°C, e termofílica – entre 50-65°C. A Figura 1 mostra um esquema simplificado de um processo de digestão anaeróbia.

Figura 1 - Processo de Digestão Anaeróbia de RSU

Fonte: EPE. 2007

A maioria dos sistemas de digestão anaeróbia necessita de uma fase de pré-tratamento da carga de entrada na qual são separados os resíduos não digeríveis. A separação garante a remoção de materiais recicláveis, como vidros, metais e resíduos indesejáveis. Dentro do digestor a carga é diluída para atingir o teor de sólidos desejado e aí permanece durante o tempo de retenção designado (em torno de 20 dias). Para a diluição, uma ampla variedade de fontes de água pode ser utilizada, como água limpa, água de esgoto ou líquido recirculante do efluente de digestor. Frequentemente há a necessidade de um trocador de calor a fim de manter a temperatura no vaso de digestão. As impurezas do biogás são retiradas para que o produto esteja de acordo com a necessidade de sua aplicação. No caso de tratamento residual, o efluente do digestor é desidratado e o líquido é reciclado para ser usado na diluição da carga de alimentação. Os biossólidos são aerobicamente tratados para a obtenção do produto composto, estabilizados para serem depositados em aterros ou usados como combustível para incineração.

A quantidade de biogás produzida depende, entre outros fatores, da tecnologia empregada na digestão. A usina de Tilburg, na Holanda, por exemplo, pode alcançar 106 m3/t de resíduos (75% de restos de alimentos e de jardim e 25% de papel não reutilizável), com um teor de 56% de metano. A Kompogas, fabricante de biodigestores, sugere, como média, o valor de 120 m3 de biogás por tonelada de material orgânico. Considerando-se essas referências e a proporção de matéria orgânica na quantidade de resíduos gerados, pode-se afirmar que entre 60 a 75 m³ de biogás são produzidos por tonelada de resíduo em um processo de digestão anaeróbia. A composição típica do biogás assim produzido é apresentada na Tabela 1.

Tabela 1 - Composição típica do biogás

Fonte: Verma, 2002

Da mesma forma que na recuperação de gás do aterro, o biogás pode ser consumido diretamente, situação em que apresenta poder calorífico entre 19 e 25 MJ/Nm3, ou tratado para separação e apro- veitamento do metano, cujo poder calorífico é semelhante ao do gás natural. Em termos elétricos, considerando a eficiência elétrica do motor de cogeração de 35% na conversão de energia térmica para energia elétrica, podem ser obtidos entre 50 e 150 kWh por tonelada de resíduo, dependendo do conteúdo energético do material orgânico.

O processo de decomposição biológica natural que ocorre na biodigestão anaeróbia tem sido amplamente utilizado em vários países. Desde o século passado este tipo de tratamento tem sido utilizado para o lodo de esgoto e, mais recentemente, muitas experiências têm sido feitas com a digestão anaeróbia de resíduos rurais e esgotos industriais.

A digestão anaeróbia, como processo industrial, surgiu na Índia em 1859, e até 1920, era muito utilizada em lagoas anaeróbias. Com o avanço do conhecimento do processo, foram desenvolvidos reatores com condições adequadas para atingir melhor eficiência e aceleração do processo. Os estudos de Buswell, entre outros sobre microbiologia, permitiram identificar as bactérias anaeróbias apropriadas e as condições específicas para promover a produção de biogás.

Nos últimos anos, o estudo da biodigestão anaeróbia de RSU foi intensificado, fazendo com que grande número de plantas piloto e em escala comercial fossem construídas, principalmente na Europa devido a dois fatores principais: os altos custos da energia e as restrições ambientais, especialmente no que diz respeito ao controle e proibição de disposição de matéria orgânica em aterros sanitários, bem como às dificuldades para a implantação de novos aterros ou à expansão dos existentes.

O processo operacional da biodigestão anaeróbia é composto de quatro etapas:

    • pré-tratamento;
    • digestão dos resíduos;
    • recuperação do biogás;
    • tratamento dos rejeitos.

Em geral, é necessário pré-tratamento dos resíduos para obter uma biomassa homogênea. Este pré-tratamento envolve a separação ou triagem dos materiais não biodegradáveis e trituração.
O projeto de instalação de um sistema de digestão anaeróbia baseia-se nas características operacionais do processo, na quantidade de água para diluição, na taxa de alimentação e no tempo de retenção, buscando-se sempre minimizar as perdas de biomassa.

No biodigestor, a massa é misturada constantemente para alcançar o conteúdo de sólidos desejado, e permanece retida no interior do reator por tempo determinado. Para a diluição utiliza-se água ou lodo de esgoto (biomassa biológica) ou a própria recirculação do líquido efluente do reator.

No processo termofílico, normalmente se requer um trocador de calor para manter a temperatura de reação entre 55ºC e 60ºC. O biogás obtido é então purificado e armazenado para utilização. Caso o efluente sólido do biodigestor apresente umidade muito elevada, utiliza-se um processo de deságue para o seu descarte e o efluente líquido pode ser reutilizado ou enviado para tratamento. A biomassa residual do processo deve receber tratamento aeróbio para obtenção de um composto de qualidade que pode ser utilizado como fertilizante.

Parâmetros do Processo

Ainda os seguintes parâmetros devem ser considerados para o controle no processo anaeróbio:

    • Composição dos resíduos e concentração de sólidos voláteis - Os sólidos voláteis são o resultado da subtração dos sólidos totais e das cinzas obtidas após combustão completa dos resíduos. Os sólidos voláteis são subdivididos em sólidos voláteis biodegradáveis e sólidos voláteis refratários. O conhecimento da fração de biodegradáveis ajuda na melhor definição da biodegradabilidade dos resíduos, da geração de biogás, da taxa de aplicação orgânica e da relação entre carbono e nitrogênio. A lignina é um material complexo de difícil degradação por bactérias anaeróbias e constitui basicamente a fração dos refratários nos resíduos orgânicos municipais.
    • Sólidos totais e taxa de aplicação orgânica ou taxa de alimentação - O conteúdo máximo de sólidos totais na carga de materiais para o biodigestor pode ser de até 40%. A taxa de aplicação orgânica é a medida da capacidade de conversão biológica de um processo de biodigestão anaeróbia e sua unidade de medida é usualmente kgSV/m³.d. Se alimentarmos um sistema acima da taxa de aplicação orgânica sustentável poderá ocorrer a perda de eficiência da reação e, consequentemente, baixa produção de biogás devido ao acumulo de substâncias inibidoras da reação como ácidos graxos no interior do digestor.
      Em sistemas contínuos, a taxa de aplicação orgânica é um parâmetro de controle muito importante. Processos de biodigestão anaeróbia foram avaliados por Gallert et al. (2003) onde: foram observadas para resíduos verdes coletados seletivamente taxas acima de 8,5 DQO/m³.d. No entanto, para taxas mais elevadas acima de 15 kg DQO/m³.d, observou-se acidificação do reator: 
      • o pH da mistura deve ser mantido entre 6,5 e 8,5;
      • a velocidade de elevação da temperatura da biodigestão não deve ser maior que 1 ºC/dia, pois incrementos maiores do que essa taxa podem causar choque térmico na reação;
      • a relação C/N representa a relação entre as quantidades de carbono e de nitrogênio presentes na matéria orgânica. O valor ótimo para a relação C/N deve estar entre 20 e 30. Valores mais altos indicam rápido consumo de nitrogênio pelas bactérias metanogênicas, o que resulta em perda de eficiência do processo e baixa produção de biogás;
      • o tempo de retenção ou de detenção hidráulico (TDH) é o tempo mínimo de retenção que normalmente varia entre 15 a 20 dias. Dependendo da taxa de aplicação orgânica dos tipos de resíduos carregados no biodigestor, das proporções em sua mistura, da diluição do material no biodigestor e do tipo do biodigestor, a retenção pode ser estendida para o processo alcançar o máximo de eficiência;
      • a concentração de amônia resultante da degradação das proteínas, não deve ser superior a 3.000 mg/l na forma iônica e a 150 mg/l na forma de NH3 livre;
      • a mistura é essencial para se obter uma condição homogênea em todo o reator com relação ao pH, temperatura interna de rea- ção e concentração de ácidos voláteis. O tipo de reator depende da homogeneidade requerida e do teor de sólidos contidos na massa do reator.

Na Figura 2 pode ser visto um diagrama esquemático da transformação de resíduos orgânicos em biogás.

Figura 2: Obtenção de biogás de RSU

Fonte: Boras University – Sweden, 2012

A recuperação energética de resíduos orgânicos é uma temática extremamente importante para o país para o desenvolvimento de uma matriz enegética mais eficiente e certamente contribui para a minimização do descarte desses resíduos assim como seu aproveitamento para produção de energia.

O Brasil encontra-se hoje numa posição um pouco mais avançada na recuperação energpetica de resíduos animais onde o setor agropecuário esta mais avançado.

No caso de aproveitamento energético de resíduos sólidos urbanos estamos ainda numa fase embrionária, no entanto o desenvolvimento de responsabilidades ambientais mais restritivas colaborarão para a aplicação de tecnologias de biodigestão anaeróbia no país.

Certamente a contribuição tecnológica da produção de biogás colabora para a mitigação das emissões de gases de efeito estufa que contribuem para o indesejado aquecimento global e contribui para a ampliação da utilização de energuias renováveis no Brasil.

Referências
    • AQUINO, S. F.; PEREIRA GOMES, F. C. S.; COLTURATO, L. F. D. B. Biometanização seca de resíduos sólidos urbanos: estado da arte e análise crítica das principais tecnologias. Revista Engenharia Sanitária e Ambiental, Rio de Janeiro, v. 17, n. 3, jul./set. 2012.
    • BIDONE, F. R. A.; POVINELLI, J. Conceitos básicos de resíduos sólidos. São Carlos: EESC/USP, 1999.
    • BOSCOV, M. E. G. Geotecnia Ambiental. São Paulo: Oficina de Textos, 2008.
    • BRABER, K. Anaerobic digestion of municipal solid waste: a modern waste disposal option in the verge of breakthrough. Biomass and Bioenergy, s. l, v. 9, n. 1-5, p. 365-376, 1995.
    • CAMPOS, H. K. T. Renda e evolução da geração per capita de resíduos sólidos no Brasil. Revista Engenharia Sanitária e Ambiental, s. l, v. 17, n. 2, p. 171-180, abr./jun. 2012.
    • CARTER, W. SAPRC – atmospheric chemical mechanisms and VOC reactivity scales. USA: University of California, 2012.
    • DE BAERE, L. State-of-the-art of anaerobic digestion of municipal solid waste. In: Ninth International Waste Management, 2012.
    • GALLERT, C.; HENNING, A.; WINTER, J. Scale-up of anaerobic digestion of the biowaste fraction from domestic wastes. Water research, v. 37, n. 6, p. 1433-1441, 2003.
    • GOLDEMBERG, J. Energia e desenvolvimento sustentável. São Paulo: Editora Blucher, 2010.
    • GREBEN, H.; BURKE, L. M.; SZEWCZUK, S. Biogas, as a renewable energy source, produced during the anaerobic digestion of organic waste, ISES (International Solar Energy Society). Solar World Conference. Joanesburgo, África do Sul, 11-14 out. 2009, p. 1-9.
    • HINRICHS, R. A.; KLEINBACH, M.; REIS, L. B. Energia e meio ambiente. São Paulo: Cengage Learning Brasil, 2010.
    • MATTSSON, B.; SONESSON, U. Environmentally-friendly food processing. Cambridge: Woodhead Publishing Limited, 2003.
    • MUYLAERT, M. S.; et al. Consumo de energia e aquecimento do planeta. Rio de Janeiro: Ed. COPPE/UFRJ, 2000.
    • NAZAROFF, W. W.; ALVAREZ-COHEN, L. Environmental engineering science. New York: John Wiley & Sons, 2001.
    • NICHOLS, C. E. Overview on anaerobic digestion technologies in Europe. Biocycle, v. 45, n. 1, p. 47, jan. 2004.
    • OLIVEIRA, L. B.; ROSA, L. P. Brazilian waste potential: energy, environmental, social and economic benefits. Energy Policy, v. 31, n. 14, p. 1481-1491, nov. 2003.
    • RYDING, S. . Environmental product development. Stockholm: Federation of Swedish Industries, 1995.
    • SERÔA DA MOTTA, R.; CHERMONT, L. Texto para discussão nº416. Aspectos econômicos da gestão integrada de resíduos sólidos. Rio de Janeiro: Ipea, maio 1996. Disponível em: <clique aqui>. Acesso em: 23 out. 2014.
    • SILVA LORA, E. E.; VENTURINI, O. J. Biocombustíveis. Rio de Janeiro: Interciência, 2012.
    • SMITH, V. K. Time and valuation of environmental. Discussion paper 98-07. Resources for the Future, Washington, nov. 1997. Disponível em: <http://www.rff.org/RFF/Documents/RFF-DP-98-07.pdf>. Acesso em: 23 out. 2014.
    • SÖDERMAN, M. L. Recovering energy from waste in Sweden – a systems engineering study. Resources, Conservation and Recycling, v. 38, n. 2, p. 89-121, maio 2003.
    • TAN, R. B. H.; KHOO, H. H. Impact assessment of waste management options in Singapore. Journal of the Air & Waste Management Association, v. 56, n. 3, p. 244- 254, mar. 2006.
    • THEMELIS, N. J. An overview of the global waste-to-energy in- dustry. Waste Management World, p. 40-47, jul./ago. 2003.
    • THEMELIS, N. J.; KAUFMAN S. M. Waste in a land of plenty – solid waste generation and management in the US. Waste Management World, p. 23-28, set./out. 2004.
    • TOLMASQUIM, M. T. Fontes renováveis de energia no Brasil. Rio de Janeiro: Interciência, 2003.
    • WORLD ENERGY COUNCIL. Executive summary. World Energy Council, p. 1-16, 2007. Disponível em: <http://www. worldenergy.org/publications?year=2007&s=executive+summary>.Acessoem: 24 de otubro de 2010.

Prof. Dr. Fabio Rubens Soares 

Possui graduação em Engenharia Química,  Administração de Negócios, Pós Graduação em Gestão Ambiental, Mestrado em Gestão Ambiental e Doutorado em Energia e Pós Doutorado no Instituto de Energia e Ambiente da USP.

Diretor da ENVIROSERVICES oferece serviços de Consultoria, Projetos e Treinamentos em Meio Ambiente e Bioenergia (Biogás) para empresas, governo e micro empresas com ênfase em recuperação energética de resíduos, especialmente na produção de biogás por meio de dejetos animais e suinoculturas. Contato: enviroservices.com.br Telefone: (11) 99948-9832 

Gostou do assunto?

Quer saber mais sobre o biogás no Brasil?


Autor: Prof. Dr. Fabio Rubens Soares
Publicado em: 07 de outubro de 2021.

Este artigo não é de autoria do Portal Energia e Biogás, desta forma, os créditos e responsabilidades sobre o seu conteúdo são do autor. O Portal Energia e Biogás disponibiliza o espaço Comunidades & Produtores de Biogás para que especialistas publiquem conteúdos técnicos e de opinião relacionados com o mercado de biogás e biometano. Os textos são avaliados pela equipe de redação do portal, que define possibilidade de publicação. Os conteúdos de opiniões enviados e publicados nesse espaço não refletem necessariamente a opinião do Portal Energia e Biogás.