Mestrado em Energias Renováveis e Gestão de Energia - Digestão anaeróbia

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Afonso Tiago Casado Vilaverde
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1 7. Digestão anaeróbia 7.1 Caracterização do processo 7.2 Sistemas e condições de operação 7.3 Aproveitamento energético e eficiência 7. Digestão anaeróbia 7.1 Caracterização do processo A produção de metano (CH4, principal componente do biogás, realizada por bactérias anaeróbicas, ocorre: - em condições naturais: ex: lodos de zonas aquáticas, ruminantes (rumen: L/dia) - em condições artificiais: ex. digestores 1

1 Caracterização do processo A produção de metano (CH4, principal componente do biogás, realizada por

2 resultado: biogás composição do biogás: metano (CH 4 ) 50-75% dióxido de carbono (CO 2 ) 24-40% hidrogénio (H 2 ) 1-3% azoto (N 2 ) 0,5-2,5% oxigénio (O 2 ) 0,1-1% sulfureto de hidrogénio (H 2 S)0,1-0,5% amoníaco (NH 3 ) 0,1-0,5% monóxido de carbono (CO) 0-0,1% água (H 2 O) variável aplicações: - estabilização e tratamento de resíduos e águas residuais de origem doméstica, agrícola e industrial. ex: tratamento de biosólidos, redução e tratamento de RSU e de agro-industrias, tratamento nas fossas sépticas - valor energético: biogás: c/ 40-75% CH 4 15,7-29,5 MJ/m3 - aplicações: combustível para cozinha, iluminação, aquecimento - matérias-primas toda a MO (+difícil queratina e lenhina) com CBO/CQO>0,6 2

de origem doméstica, agrícola e industrial.

3 Processo em quatro fases: I: Fase de hidrólise: polímeros complexos (polissacáridos, proteínas e lípidos) compostos de baixo peso molecular (oligosacaridos e monosacaridos; péptidos e amino-ácidos; ácidos gordos e glicerol; àcido acético, CO2 e H2 II: Fase acidogénica: compostos de baixo peso molecular (ácidos orgânicos, álcoois ácidos voláteis, CO2 e H2 III: Fase acetogénica: ácidos voláteis ácido acético IV: Fase metanogénica: ác.voláteis metano e CO2/ CO2 e H2 metano (anaeróbica) a.org/wiki/anaero bic_digestio n diversos anaeróbicos bactérias facultativos acidogénicas (actinimicetas, bolores, fungos) e bactérias (anaeróbicas obrigatórias: Gen. Bacteroides, Bifidobacterium, Butyrovibrium, Eubacterium e Lactobacillus, bactérias coliformes e Salmonella, etc) bactérias acetogenicas arquebactérias metanogénicas: (muitas sobrevivem em lugares extremos: fontes de água quente, lagos ou mares muito salinos, pântanos e ambientes ricos em gás sulfídrico e com alta T, >10 Géneros, Reino Archaea) 3

ácido acético IV: Fase metanogénica: ác.voláteis metano e CO2/ CO2 e H2 metano (anaeróbica) http://en.wikipedi a.

4 Produção de metano: Bactérias fermentativas Bactérias fermentativas Bact. acetogénicas Bact. acetogénicas Bact. metanogénicas Bac. acetogénicas Bact. metanogénicas (Fonte: Klass, 1998) 7.2 Sistemas e condições de operação 4

acetogénicas Bact. metanogénicas Bac. acetogénicas Bact.

5 Sistemas de digestão anaeróbia: O processo é conduzido em condições anaeróbias, num espaço fechado (digestor). O enchimento do digestor pode ser: Descontínuo Continuo (intermitente ou constante) Sistema descontínuo As condições variam constantemente variação na composição e quantidade de biogas obtido Apenas para pequena escala (equipamentos relativamente +caros) Sistema contínuo A produção de biogas é estabilizada de acordo com o entrada da matéria-prima Optimização na regularização e qualidade do biogás Comparação entre sistemas Sistema contínuo Sistema descontínuo Tipo de substrato Mão de obra Concepção Obs. líquido (<10%MS) Por vezes necessita diluição em água para aumentar o volume do digestor Pouco exigente mas constante Possível automatização Por vezes complexa Manutenção delicada Eficaz meio de depuração Problema de hidraulica dos estrumes Problemas de aquecimento sólido Pode-se usar pá ou forquilha Exigente mas periódica Possível automatização Simples, rústica Fácil manutenção Necessárias várias cubas para produção regular Dificuldades na fermentação aeróbia inicial 5

para pequena escala (equipamentos relativamente +caros) Sistema contínuo A produção de biogas é estabilizada de acordo com o entrada da matéria-prima Optimização na regularização e qualidade do

6 Condições de operação Composição do substrato Estado físico Conteúdo energético Inoculo: tipo e actividade Frequência de entrada e taxa de entrada de substrato Tempo de retenção: hidráulica e de sólidos (HRT, SRT) ph Temperatura Agitação/mistura Taxa de extracção do biogás Tipos de digestores Digestor convencional ou de taxa de digestão reduzida Digestor em duas fases 6

hidráulica e de sólidos (HRT, SRT) ph Temperatura Agitação/mistura Taxa de extracção do

7 Digestor convencional ou de taxa de digestão reduzida Aplicações: estabilização de águas residuais Condições de operação: Abastecimento continuo intermitente Retirada do substrato a T de 30-40ºC ou 50-60ºC Tempo de retenção: dias Carga: 0,5-1,5kg SV/m3 dia Ocorre estratificação dentro do digestor adicionando agitação tempo de retenção: <20 dias carga: aumenta para 1,6-6,4kg SV/m3 dia Condições de operação influem na: Taxa de produção e produtividade de metano Redução do volume do substrato Formação de ácidos voláteis Composição do biogás Recuperação de energia Tipo e desenho do digestor 7

digestor adicionando agitação tempo de retenção: <20 dias carga: aumenta para 1,6-6,4kg SV/m3 dia Condições de operação influem na: Taxa de produção e

8 7.3 Aproveitamento energético e eficiência em processos com taxas elevadas, equilibrados e em condições controlados: Substratos: grandes variações nas suas características (H, SV, MM, energia) Produção de biogás: menores diferenças (redução de SV, recuperação de metano) (Fonte: Klass, 1998) 8

variações nas suas características (H, SV, MM, energia) Produção de

9 (Fonte: Klass, 1998) Aquáticas Terrestres Eficiência do processo em processos com taxas elevadas, equilibrados e em condições controlados, uma das fases será a limitante: habitualmente é a fase metanogénica Se o substrato contiver elevada % de material celulósico, poderá ser a fase de hidrólise a fase limitante (Fonte: Klass, 1998) 9

limitante: habitualmente é a fase metanogénica Se o substrato contiver elevada % de

10 Eficiência do processo de obtenção do biogás: Para aumentar a eficiência poderia usar-se: Agitação vigorosa: contínua, não é necessária e pode até ser prejudicial Baixa pressão: benefício nulo ou reduzido Temperatura elevada: aumenta taxa de extracção de metano por aumentar rapidez das reacções (Fonte: Klass, 1998) Digestores em duas fases Para optimizar as condições para os organismos das diferentes fases, nomeadamente as fases acidogénica e metanogénica: Mantêm-se as condições ambientais óptimas de cada grupo Aumenta a cinética global do processo (Fonte: Klass, 1998) 10

reacções (Fonte: Klass, 1998) Digestores em duas fases Para optimizar as condições para os organismos das diferentes fases, nomeadamente as

11 Técnicas para separação das fases inibição selectiva da metanogénese no digestor com a fase ácida, através de: Manipulação de factores cinéticos, Adição de inibidores químicos, Controlo dos potenciais redox, Difusão selectiva dos produtos do digestor da fase ácida para o da fase metanogénica através de membranas permeáveis, Controlo da cinética por ajuste taxas de diluição dos substratos para reduzir os organismos metanogénicos, etc.. (Fonte: Klass, 1998) Produção de metano por digestão anaeróbia de biomassa (Fonte: Klass, 1998) 11

o da fase metanogénica através de membranas permeáveis, Controlo da cinética por ajuste taxas de diluição dos substratos para reduzir

12 (Fonte: El Bassam, 1998) 12

13 Referências: El Bassam, N Energy plant species. James & James, Reino Unido. Saint-Joly, C O biogás: uma técnica para Portugal. Serviço Nacional de Parques, Reservas e Conservação da Natureza. Klass, D.L Biomass for Renewable Energy, Fuels, and Chemicals. Academic Press. USA. 13

14 14

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17 UK: 10 million cows contribute 3 percent of Britain's over all greenhous e gas emissions and 25 to 30 percent of its methane. In New Zealand, 34 percent of GEE come from liv estock Cows emit a massive amount of methane through belching, with a lesser amount through flatulence. Statistics vary regarding how much methane the average dairy cow expels. Some experts say 100 liters to 200 liters a day (or about 26 gallons to about 53 gallons), while others say it's up to 500 liters (about 132 gallons) a day. In any case, that's a lot of methane, an amount comparable to the pollution produced by a car in a day. Habitats de bactérias metanogénicas (desde 0ºC (Methanogenium frigidum) até mais de 100ºC (M. igneous) 17

Statistics vary regarding how much methane the average dairy cow expels.

18 kandfeel/images/bacteria/fig5.jpg&imgrefurl= biosystem.htm&usg= M87UYWISumhxOJA3Cjnd9kYLUaI=&h=300&w=49 0&sz=32&hl=pt-PT&start=7&um=1&tbnid=QUH4sSoFsQ0j- M:&tbnh=80&tbnw=130&prev=/images%3Fq%3Dmethanogenic%2Bbacteri a%26hl%3dpt- PT%26rlz%3D1T4GGLR_enPT314PT314%26sa%3DG%26um%3D1 Deep volcanic rocks along the Columbia River and in Idaho Falls host two of these ecosystems.nasa. enceladus/methanogens.jpg&imgrefurl= m/nasa/life-on-saturns-moon-enceladus.shtml&usg= g0d17oiw1fk5qyzthw2hvmschlm=&h=276&w=350&sz=41&hl=pt- PT&start=14&um=1&tbnid=tkUpz1BkRJGKfM:&tbnh=95&tbnw=120&prev=/images%3Fq%3Dmethanogenic%2Bbacteria%26hl %3Dpt-PT%26rlz%3D1T4GGLR_enPT314PT314%26sa%3DG%26um%3D1 Recreation of the Volta exp eriment Methane produced by methanogens is gathered from the sediment of a swamp in Wood s Hole recreating an experiment carried out over 200 years ago by Alessandro Volta. The methane trapped in a plugged funnel is released and set on fire creating the blue flame. ages.g oogle.c om/im gres?i mgurl =http: //microi mm.q ueens u.ca/p eople/f aculty/ja rrell%252 0Lab/ meth anog ens_files/ image00 5.jpg&img refu rl=htt p://micr oimm. quee nsu.ca/ people /faculty/j arrell%252 0Lab /met hano gens.h tm&usg= yi5e 8Nw 4hThRkSUfroWG2cX7B8 0=&h=3 88&w=59 4&sz=36&hl=p t- PT&start=22 9&tbnid= L7L_ 2sbzy5bcD M:&tbnh =88&tbnw =135&p rev=/i mages%3 Fq%3Dmeth ane%2bru men%26g bv%3d2 %26ndsp%3D20%26hl%3Dpt -PT%26rlz%3D1T 4GGLR_e npt31 4PT314%2 6sa%3DN%26start%3D

PT%26rlz%3D1T4GGLR_enPT314PT314%26sa%3DG%26um%3D1 Deep volcanic rocks along the Columbia River and in Idaho Falls host two of these ecosystems.nasa. http://images.google.com/imgres?

19 Taxa de digestão Reduzida Elevada entrada-saída intermitente entrada-saída intermitente ou contínua aquecimento e agitação 8. Compostagem 8.1 Caracterização do processo e Condições de operação 8.1 Aproveitamento energético 19

aquecimento e agitação 8. Compostagem 8.

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