GERAÇÃO DE ENERGIA LIMPA COM BIODIGESTÃO NA SUINOCULTURA

Transcrição

1 UNIVERSIDADE ANHEMBI MORUMBI CRISTINA MACHADO DE QUEIROZ DIEGO PACE PEREIRA GABRIEL DE ALEXANDRIA E PREARO LUIZA MARGARIDO VIEIRA GERAÇÃO DE ENERGIA LIMPA COM BIODIGESTÃO NA SUINOCULTURA SÃO PAULO 2010

2 2 CRISTINA MACHADO DE QUEIROZ DIEGO PACE PEREIRA GABRIEL DE ALEXANDRIA E PREARO LUIZA MARGARIDO VIEIRA GERAÇÃO DE ENERGIA LIMPA COM BIODIGESTÃO NA SUINOCULTURA Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como exigência parcial para a obtenção do título de Tecnólogo do Curso de Tecnologia em Gestão Ambiental da Universidade Anhembi Morumbi Orientador: Profº Eng. Mauricio Cabral

3 CRISTINA MACHADO DE QUEIROZ DIEGO PACE PEREIRA GABRIEL DE ALEXANDRIA E PREARO LUIZA MARGARIDO VIEIRA 3 GERAÇÃO DE ENERGIA LIMPA COM BIODIGESTÃO NA SUINOCULTURA Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como exigência parcial para a obtenção do título de Tecnólogo do Curso de Tecnologia em Gestão Ambiental da Universidade Anhembi Morumbi Trabalho em: de de Profº Eng. Mauricio Cabral Nome do professor da banca Comentários: SÃO PAULO 2010

4 4 RESUMO Neste trabalho apresentamos uma solução para o tratamento dos dejetos suínos gerados na fazenda Bodoquena MS. Entendendo os conceitos básicos da biodiogestão anaeróbica, bem como os de energias renováveis, biomassa e biogás. Na matriz energética brasileira, a porcentagem apresentada pela geração de energia por meio da biomassa ainda pode aumentar, se comparando com a quantidade de matéria orgânica disponível, cerca de 30%. Sabendo disso permitiu-se formular uma alternativa sustentável para sanar um passivo ambiental que é a grande quantidade de dejetos não tratados existentes na fazenda Bodoquena. Implantado o biodigestor poderá se captar o biogás e gerar energia elétrica, cerca de 715kw/h, para ser usada nos próprios processos da fazenda. Palavras Chave: Biodigestor, Suinocultura, Biomassa e Biogás.

5 5 ABSTRACT We present a solution for the treatment of pig manure generated on the farm Bodoquena - MS. Understanding the basics of anaerobic biomaneging as well as renewable energy, biomass and biogas. Brazilian energy network, the percentage displayed by power generation through biomass is small compared to the amount of available organic matter, about 30%. Knowing this enabled us to formulate a sustainable alternative to solve an environment debt which is the large amount of untreated waste which there is on the farm Bodoquena. Digester can be deployed to capture the biogas and generate electricity to be used in the processes of the farm. Key Word: Digester, Swine, Biomass and Biogas.

6 6 LISTA DE FIGURAS Figura 5.1.1: Figura 5.1.2: Figura Figura 5.1.4: Figura 5.1.5: Figura 5.1.6: Energia Solar...17 Energia Eólica...18 Energia Hidráulica...20 Energia de Biomassa...21 Energia Geotérmica...22 Energia Maremotriz...23 Figura 5.2: Grafico Referente à Matriz Energética Brasileira Figura : Biodigestor Modelo Indiano Figura : Biodigestor Modelo Chinês...30 Figura : Biodigestor Modelo Lagoa Coberta...31 Figura 6.1: Localização da Área de Estudo Obtida na Imagem de Satélite, entre as Rodovias MS e BR Figura 6.3.1: Poço de Sucção da Estação Elevatória...38 Figura 6.3.2: Caixa de Bombeamento de Dejetos, sem Bomba de Recalque...39 Figura 6.3.3: Figura 6.3.4: Dejetos Acumulados Sendo Encaminhados para o Rio...40 Válvula de Retenção da Linha de Recalque de Dejetos...40 Figura 6.3.5: Sistema de Distribuição da Ultima Lagoa, com Talude em Concreto...41 Figura 6.3.6: Grade do Sistema de Distribuição da Primeira Lagoa...42

7 7 LISTA DE TABELAS Tabela 5.3: Equivalência Energética do Biogás Comparado a Outras Fontes de Energia Tabela 5.4: Produção Média Diária de Dejetos...33 Tabela 5.4.1: Caracteristicas de Dejetos Suínos... 34

8 8 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ETE Estação de Tratamento de Esgoto; DBO Demanda Bioquímica de Oxigênio; DQO Demanda Química de Oxigênio; MS Mato Grosso do Sul; COV Carga Orgânica Volumétrica; IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística.

9 9 LISTA DE SÍMBOLOS km/hora Quilômetros por Hora; kilowatts, Watts Unidades de Medida Utilizadas para Eletricidade; º Celsius Unidade de Medida Utilizada para Temperatura; kg Quilograma;

10 10 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivo Específico MÉTODO DE TRABALHO JUSTIFICATIVA REVISÃO BIBLIOGRÁFICA FONTES RENOVÁVEIS DE ENERGIA Energia Solar Energia Eólica Energia Hidráulica Energia de Biomassa Energia Geométrica Energia Maremotriz MATRIZ ENERGÉTICA BRASILEIRA BIODIGESTOR Histórico dos Biodigestores Tipos de Biodigestores (Rendimento e Viabilidade Modelo Indiano Modelo Chinês...30

11 Modelo Lagoa Coberta Dejetos Suínos e Seus Impactos Ambientais Contaminação da Água por Dejetos Suínos Contaminação do Ar por Dejetos Suínos Contaminação do Solo por Dejetos Suínos Proliferação de Insetos Causada Pelos Dejetos Considerações ESTUDO DE CASO Localização Geração de Resíduos Orgânicos Sistema Atual de Tratamento Problemas Diagnosticados Alternativas para o Tratamento Alternativa 1 - Redimensionamento do Sistema Atual Alternativa 2 - Instalação de Biodigestor ANÁLISE DOS RESULTADOS CONCLUSÕES REFERÊNCIAS... 47

12 12 1. INTRODUÇÃO O Brasil é um país que utiliza fontes renováveis de energia, onde se destaca o uso da energia hidrelétrica como responsável pela maior parcela, (cerca de 80%), da geração total de eletricidade. Em segundo lugar, o etanol, substituindo a gasolina (derivado de petróleo). Em contra partida, existem ainda um enorme potencial de fontes renováveis de energia, porém com pouco aproveitamento, destacando-se entre elas a solar, eólica e de biomassa. As tecnologias que hoje estão disponíveis embasadas em fontes renováveis de energia são atrativas não somente pelas vantagens ambientais apresentadas, mas também pelos benefícios sociais envolvidos. A possibilidade de criação de novas fontes de suprimento energético desvinculados dos meios tradicionais de energia e em pequena escala são fundamentais para o desenvolvimento sustentável. Segundo o IBGE (2005), o Brasil é o quarto maior produtor de suínos no mundo, com o plantel estimado em 42 milhões de cabeças, gerando uma grande quantidade de resíduos. Os biodigestores vêm sendo utilizados no processamento desses resíduos, tendo como subprodutos o biogás e o biofertilizante. Neste estudo, objetivou-se propor e discutir a melhoria de um sistema para a captação do biogás e a geração de eletricidade em uma propriedade rural escolar no município de Miranda - MS, onde ocorre a disponibilidade de resíduos da suinocultura, a biomassa, sendo exequível essa implantação afim de buscar a sustentabilidades na atividade suinícola.

13 13 2. OBJETIVOS Buscar alternativas sustentáveis que contribuam com a preservação do meio ambiente por meio de geração de energia limpa. Apresentar o processo da produção de energia utilizando biodigestores anaeróbicos. Mitigar os impactos ambientais causados pela atividade suinícola. 2.1 Objetivo Geral Analisar a viabilidade da instalação de biodigestores em fazendas de suinocultura, buscando a sustentabilidade nessa pecuária. Aprofundar o conhecimento na captação de biogás em reatores químicos com reações biológicas, os biodigestores. 2.2 Objetivo Específico Sanar o problema do tratamento do esgoto existente na granja de suínos na fazenda Bodoquena MS. Discutir a metodologia para aperfeiçoar a eficiência da ETE (Estação de Tratamento de Esgoto), gerando energia renovável proveniente da biomassa.

14 14 3. MÉTODO DE TRABALHO O trabalho foi desenvolvido por meio de consultas as bibliografias, como: revistas técnicas, trabalhos de conclusão de curso (TCC), livros, estudo de impacto ambiental e sites da internet, sobre fontes de energia, biodigestores, suinocultura, produção de biogás, matrizes energéticas, entre outros. Pesquisa para explicação detalhada de diversos tipos de energias renováveis e equivalências energéticas. Estudo aprofundado sobre biodigestores, incluindo históricos e seus diversos tipos, como modelo indiano, modelo chinês e o modelo de lagoa coberta, para encontrar o mais indicado para este projeto. Após a conclusão da parte teórica, houve um estudo aplicado sobre a situação atual da fazenda analisada, para elaboração de um projeto de tratamento dos dejetos suínos, com a finalidade de sanar o passivo ambiental. Tendo como opções o redimensionamento da ETE atual, ou a instalação de um reator anaeróbico para o recolhimento dos dejetos, captação de biogás e também produção de biofertilizante a partir dos sólidos orgânicos restantes no processo.

15 15 4 JUSTIFICATIVA Com a crescente preocupação em produzir mais poluindo menos, tem-se a necessidade de modificar a matriz energética atual. Entendendo a essência da metanização através de biodigestão, podemos medir a importância do aproveitamento desses dejetos na geração de energia limpa. Nesse sistema, podemos captar o biogás que é uma mistura de metano e gás carbônico e também gerar o biofertilizante, que depois poderá ser usado nos processos agrícolas da fazenda com a intenção de buscar sempre a sustentabilidade em seus processos. Aproveitar essa carga orgânica, que se constitui atualmente como um passivo ambiental, empregando- a na geração de energia limpa e renovável, por meio de sistema de biodigestão anaeróbica. Justifica-se o desenvolvimento da pesquisa, buscar soluções tecnológicas visando a redução de impactos ambientais decorrentes da produção de cargas orgânicas, em especial os dejetos da granja de suínos na fazenda Bodoquena em Mato Grosso do Sul.

16 16 5 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 5.1 Fontes Renováveis de Energia A natureza armazena a energia gerada pelo sol. Sobrevivemos porque extraímos dos alimentos a energia necessária. Fontes de energia são fundamentais para a existência de vida humana. Formas de energia: Limpa: produzem baixos impactos ao meio ambiente, pois poluem menos. Renováveis: são de origens naturais, como o vento e o Sol, e as que a natureza repõe, como a lenha e a água. Sustentáveis: são aquelas que a natureza repõe no decorrer do tempo Energia Solar Gerada pelo Sol (energia térmica e luminosa). Esta energia é captada por painéis solares, (Figura 5.1.1) formados por células fotovoltaicas, e transformada em energia elétrica ou mecânica. A energia solar também é utilizada, principalmente em residências, para o aquecimento da água. A energia solar é uma fonte de energia limpa e renovável, pois não polui o meio ambiente e não acaba. Ela é ainda pouco utilizada no mundo, pois o custo de fabricação e instalação dos painéis solares ainda é muito elevado. Uma dificuldade é o armazenamento da energia. Os países que mais produzem energia solar são: Japão, Estados Unidos e Alemanha.

17 17 A energia solar é uma alternativa promissora, pois é uma fonte de energia renovável, abundante e permanente. É a solução ideal pra enfrentarmos os problemas energéticos, principalmente no Brasil onde temos ótimos índices de insolação em todo território. Anualmente, o Sol irradia o equivalente a vezes a energia consumida pela população mundial neste mesmo período. O Sol produz continuamente cerca de 390 sextilhões de quilowatts de potência. Para cada metro quadrado de coletor solar instalado evita-se a inundação de 56 metros quadrados de terras férteis, na construção de novas usinas hidrelétricas. (PAGLIARI, 2008) Figura 5.1.1: Energia Solar Fonte: (Mais Energias Energia Eólica É proveniente do vento (Figura 5.1.2). Utilizada pelo homem desde a antiguidade, nas embarcações e moinhos. A energia eólica é uma fonte de energia importante por ser uma fonte limpa. O vento forte pode rodar as lâmidas de uma turbina adaptada para o vento (em vez do vapor ou da água é o vento que faz girar a turbina). A ventoinha da

18 18 turbina está ligada a um eixo central que contém em cima um fuso rotativo. Este eixo chega até uma caixa de trasmissão onde a velocidade de rotação é aumentada. O gerador ligado ao trasmissor produz energia elétrica. Um dos problemas deste sistema de produção elétrica é que o vento não sopra com intensidade todo o ano, ele é mais intenso no verão quando o ar se movimenta do interior quente para o litoral mais fresco. Outro entrave é o fator do vento ter que atingir uma velocidade superior a 20 km/hora para girar a turbina suficientemente rápido (PAGLIARI, 2008). Cada turbina produz entre 50 a 300 Kilowatts de energia elétrica. Com 1000 watts podemos acender 10 lâmpadas de 100 watts; assim, 300 Kilowatts acendem 3000 lâmpadas de 100 watts cada. Atualmente, apenas 1% da enrgia gerada no mundo provém deste tipo de fonte. Porém, o potencial para exploração é grande. Figura 5.1.2: Energia Eólica Fonte: (Mundo Web Animal -

19 Energia Hidráulica É a mais usada no Brasil, pois temos muitos rios em nosso territorio. A água represada gera um aumento no potencial energético. Numa usina hidrelétrica existem turbinas que, na queda d`água, fazem funcionar um gerador elétrico, produzindo energia. Embora a implantação de uma usina provoque impactos ambientais, na fase de construção da represa, esta é uma fonte considerada limpa. A produção de energia elétrica ocorre da seguinte forma (Figura 5.1.3): A água que sai do reservatório é conduzida com muia pressão através de enormes tubos até a casa de força, onde estão instaladas as turbinas e os geradores que produzem eletricidade. A turbina é formada por uma série de pás ligadas a um eixo, que é ao gerador. A pressão da água sobre essas pás produz um movimento giratório do eixo da turbina. O gerador é um equipamento composto por um imã e um fio bobinado. O movimento do eixo da turbina produz um campo eletromagnético dentro do gerador, produzindo a eletricidade. A eletricidade será trasportada até nossas casas, mas primeiro ela passa por um trasformador que aumento sua voltagem, facilitando sua movimentação. Quando ela chega às cidades outro trasformador reduz a energia de volta ao nível adequado para os aparelhos que usamos. (PAGLIARI, 2008)

20 20 Figura 5.1.3: Energia Hidráulica Fonte: (Usina Hidrelétrica Energia de Biomassa Resultante da decomposição de materiais orgânicos (restos de alimento, resíduos agrícolas, esterco). Desse processo é produzido o gás metano, usado para gerar energia (Figura 5.1.4). A biomassa é capaz de gerar gases que são trasformados em usinas específicas em energia. A biomassa é uma energia renovável, pois gera um baixo impacto ao meio ambiente, a geração de energia atrávez da biomassa pode contribuir para a diminuição do efeito estufa e do aquecimento global. Numa usina de álcool, por exemplo, os resíduos de cana-de-açucar (bagaço) podem ser utilizados para produzir biomassa e energia (PAGLIARI, 2008).

21 21 Figura 5.1.4: Energia de Biomassa Fonte: (Energia e Meio Ambiente Energia Geotérmica É gerada através do calor do interior da Terra (Figura 5.1.5). Esse calor é trasformado na usina geotérmica em eletricidade. A energia geotérmica é considerada uma fonte renovável e limpa, pois gera baixos índices de poluição no meio ambiente. Pode ser obtida através das rochas secas quentes, rochas úmidas quantes e vapor quente. Este tipo de enrgia deve ser aproveitado atráves de medidas cuidadosas com relação ao meio ambiente, pois pode provocar instabilidade geológica caso sela feita de forma inadequada. Outra providência é o tratamento de água proveniente das camadas subterrâneas, pois pode conter grande quantidade de minérios que prejudicam a saúde. (PAGLIARI, 2008)

22 22 Figura 5.1.5: Energia Geotérmica Fonte: (Usina Geotérmica de Nesjavellir próximo à Islândia Energia Maremotriz (Gravitacional) Gerada a partir do movimento das águas oceânicas nas marés (Figura 5.1.6). Possui um custo elevado de implantação e, por isso, é pouco utilizada. Especialistas em energia afirmam que, no futuro, esta, será uma das principais fontes de energia do planeta. As ondas do mar possuem energia cinetica devido ao movimento da agua e energia podencial devido à sua altura. Energia eletrica pode ser obtida se for utilizado o movimento oscilatorio das ondas. O aproveitamento é feito nos dois sentidos: na mare alta a agua enche o reservatorio, passando atravez da turbina, e produzindo energia eletrica, na mare baixa a agua esvazia o reservatorio, passando niovamente atravez da turbina, agora em sentido contrario ao do enchimento, e produzindo energia eletrica. A desvantagem de se utilizar este processo na obtenção de energia é que o fornecimento não é contínuo e apresenta baixo rendimento.

23 23 Nos países como a França, Japão e a Inglaterra este tipo de energia gera eletricidade. No Brasil temos cidades com grandes amplitudes de marés, como São Luís Baía de São Marcos no Maranhão, com 6,8 metros e em Tutóia com 5,6 metros. Mas nestas regiões, infelizmente a topografia do litoral não favorece a construção econômica de reservatórios, o que impede seu aproveitamento. O atual ano será um marco na História das energias renováveis. Dados os números do primeiro trimestre, que mostrou que 18% da eletricidade mundial é gerada por fontes renováveis, o setor atingirá um número recorde de produção. (RENEWABLES, 2010). Os autores ressaltam que mesmo com a crise global, baixos preços do petróleo e o pequeno progresso das políticas climáticas as renováveis crescem de maneira sólida e já são responsáveis pela geração de uma falta respeitável de energia mundial. O relatório indica que o conceito de desenvolvimento sustentável, com acriação de novas indústrias e de milhões de empregos relacionados com o meio ambiente realmente foi adotado por diversos governos. (PAGLIARI, 2008) Figura: 5.1.6: Energia Maremotriz Fonte: (Energia dos Mares -

24 Matriz Energética Brasileira Matriz energética é uma representação da qualidade de oferta de energia, e de outros recursos energéticos disponíveis por um país. A análise da matriz energética de um determinado país é fundamental para a orientação do planejamento do setor energético, que visa à produção e o uso adequado da energia produzida, permitindo planejar uma situação para o futuro. Uma informação essencial obtida a partir do estudo e analise de uma matriz energética, é a quantidade de recursos naturais disponíveis e a real situação da utilização dos mesmos. A partir desse estudo podemos avaliar a possibilidade da utilização sustentável desses recursos. Abaixo (figura 5.2), segue um gráfico demonstrando a matriz energética brasileira, onde podemos verificar que a porcentagem da energia obtida por meio da biomassa ainda é relativamente pequena. Fonte: Balanço Energético Nacional (2005)

25 Biodigestor A água como recurso hídrico hoje em dia já é mais vista, ainda que não por todos, como um recurso finito e vulnerável. Por essa razão providências devem ser tomadas para minimizar problemas como escassez e o não tratamento de esgoto. Alguns sistemas de tratamento são eficientes, necessitam pouca manutenção e tem baixo custo o que torna possível a implantação em pequenas comunidades garantindo a sustentabilidade econômica e ambiental de grupos sociais menos favorecidos. Pesquisas têm sido direcionadas para o tratamento de esgoto como o uso de reatores anaeróbicos, os biodigestores, que são preenchidos com diversos materiais orgânicos, como dejetos suínos, por exemplo. Os reatores anaeróbicos são considerados de baixo custo de instalação, manutenção e operação. Consomem energia elétrica apenas para o bombeamento, quando necessário. (DAE, 2010) Biodigestor é a câmara onde se processa a digestão. Trata-se de um tanque fechado em concreto, alvenaria, entre outros, onde a mistura (6 a 20% de sólidos e a restante água) a ser digerida é colocada (BATISTA,1981). É composto, basicamente, de uma câmara fechada chamada de digestor na quais biomassas (em geral detritos de animais), são fermentadas anaerobicamente, isto é, sem a presença de ar. Como resultado desta fermentação ocorre à liberação de biogás e a produção de biofertilizante. Esse aparelho, não produz o biogás, apenas fornece as condições propícias para que as bactérias metanogênicas degradem o material orgânico, com a conseqüente liberação do gás metano.

26 26 As bactérias metanogênicas têm duas principais funções: produzem gás insolúvel (metano) para que permita a remoção do carbono orgânico do ambiente anaeróbico, além de utilizarem o hidrogênio, favorecendo o ambiente para que as bactérias fermentem compostos orgânicos com a produção de ácido acético, que é convertido em metano. (ENVIROTEC, 2008) Neste processo de uso energético o biogás possui as seguintes equivalências. Tabela 5.3: Equivalência energética do biogás comparado a outras fontes de energia. FERRAZ&MARIEL SGANZERLA NOGUEIRA SANTOS ENERGÉTICO (1980) (1983) (1986) (2000) Gasolina (L) 0,61 0,613 0,61 0,6 Querosene(L) 0,58 0,579 0,62 * Diesel (L) 0,55 0,553 0,55 0,6 GLP (kg) 0,45 0,454 1,43 * Álcool (L) * 0,79 0,8 * Carvão M. (kg) * 0,735 0,74 * Lenha (kg) * 1,538 3,5 1,6 Eletricidade (kwh) 1,43 1,428 * 6,5 Fonte: Ferraz&Mariel (1980), Sganzerla (1983), Nogueira (1986) e Santos (2000). Na biodigestão o O 2 (oxigênio) do ar é mortal para as bactérias anaeróbicas, pois com a existência dele as bactérias paralisam seu metabolismo e param de produzir o biogás, que é o produto final de sua respiração. Sendo assim é imprescindível que o biodigestor seja hermeticamente vedado (SANTOS, 2000). Outro aspecto importante na produção do biogás é a temperatura no interior do biodigestor, pois as bactérias são sensíveis às alterações da temperatura, tendo que assegurar que a mesma fique entre 45º e 15º Celsius. É necessário também um equilíbrio nos nutrientes dos microorganismos, que são: o carbono, nitrogênio e sais minerais. Tais nutrientes podem ser encontrados nos dejetos animais (também dos seres humanos) e restos de culturas vegetais. Além disso, a umidade da carga orgânica a ser fermentada deve situar-se de 90 a 95% em relação ao peso total. No caso do esterco bovino, que possui em média de

27 27 84% de umidade, necessita-se da diluição em 100% de seu peso. Já o de suínos, que possui 19% de umidade, são necessários 130% de seu peso diluído (SANTOS, 2000) Histórico dos Biodigestores Em 1776, o pesquisador italiano Alessandro Volta descobriu que o gás metano já existia chamado "gás dos pântanos", como resultado da decomposição de restos vegetais em ambientes confinados (GASPAR, 2003). Segundo Nogueira (1986), em 1806, na Inglaterra, Humphrey Davy identificou um gás rico em carbono e dióxido de carbono, resultante da decomposição de dejetos animais em lugares úmidos. Em 1857, em Bombaim (Índia), foi construída a primeira instalação operacional destinada a produzir gás combustível, para um hospital de hansenianos. As pesquisas e desenvolvimentos dos biodigestores desenvolveram-se muito na Índia, onde, em 1939, o Instituto Indiano de Pesquisa Agrícola, em Kanpur, criou e desenvolveu a primeira usina de gás de esterco. Com o sucesso obtido os indianos empolgaram a continuarem as pesquisas, formando o Gobar Gás Institute (1950). As diversas pesquisas resultaram em grande difusão da metodologia de biodigestores como forma de tratar os dejetos animais, obter biogás e ainda conservar o efeito fertilizante da biomassa fermentada. A partir desses estudos foram realizadas as construções de quase meio milhão de unidades de biodigestão. (GASPAR, 2003). Devido a fome, a falta de combustíveis fósseis, entre outros problemas internos do país, é que motivaram o desenvolvimento da tecnologia dos biodigestores. A Índia não é auto-suficiente em petróleo, ao contrário da China, vendo-se obrigada a buscar soluções e opções para sanar os problemas de sua população. A utilização do biogás, conhecido como gobar gás na Índia (que significa gás de esterco), como fonte de energia, motivou a China a desfrutar dessa tecnologia a partir de 1958, onde, até 1972, já haviam sido instalados 7,2 milhões de

28 28 biodigestores na região do Rio Amarelo. Esta localização não é por acaso, pois as condições climáticas da região são favoráveis para a produção de biogás (Gaspar, 2003). Devido a Guerra Fria a China demonstrou um interesse maior pelo uso de biodigestores, pois a China temia que um ataque nuclear poderia afetar, de forma catastrófica sua economia e principalmente sua industria. Contudo, com a pulverização de pequenas unidades biodigestoras ao longo do país, as demais poderiam escapar ao ataque inimigo, representando uma alternativa de descentralização energética. Com a crise energética ocorrida em 1973, a utilização de biodigestores passou a ser uma das melhores opções, sendo adotada tanto por países ricos como países de Terceiro Mundo, entretanto, em nenhum deles, o uso dessa tecnologia alternativa foi ou é tão utilizada como na China e Índia. Os estudos no Brasil com o biogás ocorreram de maneira mais intensa em 1976, porém, os resultados alcançados já asseguram um bom domínio tecnológico para o nosso país. (Batista, 1981) Tipos de Biodigestores (Rendimento e Viabilidade) Nas praticas pecuárias existem basicamente dois tipos de biodigestores, os de campana flutuante, o modelo indiano e os de domo fixo, o modelo chinês. Que são os mais difundidos. Há também uma boa opção com baixo custo de implantação e operação que é a lagoa coberta.

29 Modelo Indiano Este biodigestor (figura ) caracteriza-se por possuir uma cúpula móvel de ferro ou fibra de vidro e à medida que o gás se forma vai sendo armazenado sob a cúpula. Em seu interior existe uma parede central que divide o tanque de fermentação em duas câmaras, permitindo a separação da biomassa já fermentada e sua posterior descarga (BENINCASA et al.,1990). Figura : Biodigestor Modelo Indiano. Fonte: (BENINCASA et al.,1990). Por ser enterrado no solo o processo de fermentação sofre pouca variação de temperatura, dispensando o uso de reforços nas paredes, diminuindo assim o seu custo.

30 Modelo Chinês Este modelo, formado por uma câmara cilíndrica de alvenaria, tem um teto em arco, impermeável para o armazenamento do biogás (figura ). Funciona com base no principio de prensa hidráulica, onde há aumento da pressão do gás no interior do biodigestor, deslocando a biomassa, em sentido contrário, da câmara de fermentação para a caixa de saída, quando há descompressão. Possuindo uma cúpula fixa, é o mais indicado para produção de biofertilizante, pois permite pouca acumulação de gás. Por estar completamente enterrado está sujeito a pouca variação de temperatura. E é considerado o mais barato por ser feito de alvenaria, porém necessita de seladores especiais por conta da porosidade na alvenaria. Figura : Biodigestor Modelo Chinês. Fonte: (BENINCASA et al.,1990).

31 Modelo Lagoa Coberta Nesse tipo de biodigestor a captação do biogás é feita sobre uma vala, onde os dejetos ficam depositados. É mais utilizado em regiões quentes, em que o próprio ambiente ajuda a manter sua temperatura interna. Este é o modelo com menor custo de instalação e operação (figura ). Os dejetos são manejados como líquido, portanto é muito aplicado em fazenda que usam água para lavar as instalações (sala de ordenha, estábulo, pocilga, entre outros) (BALSAM, 2002) Figura : Biodigestor Modelo Lagoa Coberta. Fonte: (BALSAM, 2002).

32 Dejetos Suínos e Seus Impactos Ambientais A preservação da qualidade do meio ambiente cada vez mais será uma necessidade para a sobrevivência da humanidade. Para tanto, toda a produção vegetal e animal deverá ser mais desafiada, avaliando as tecnologias que deverão ser implantadas para que o ambiente seja o menos agredido possível. Na suinocultura, pela dimensão da produção atual, trata-se de um desafio já existente em diversos países. O grande desafio é a sustentabilidade ambiental nos processos da criação. Felizmente há alternativas disponíveis, e eficientes que favorecem a redução da poluição e ainda promovem melhores resultados econômicos à atividade suinícola. Seja qual for à forma de criação, a suinocultura é uma atividade de grande potencial poluidor, face ao elevado numero de contaminantes gerados pelos seus efluentes, podendo representar diversas fontes de degradação do ar, dos recursos hídricos e do solo, além da emissão de gases tóxicos. (Perdomo at al, 2001) Encontrar um manejo adequado de dejetos suínos é o maior desafio, tanto para a sobrevivência das zonas de produção intensivas como nas pequenas produções. As razões dessa preocupação partem dos riscos de poluição das águas superficiais e subterrâneas por nitratos fósforo e outros elementos minerais ou orgânicos, e do ar pelas emissões de NH3, CO2, N2O e H2O e, parte também, dos custos e dificuldades do tratamento, armazenamento, transporte, distribuição e utilização na agricultura. (Oliveira, 2000) Um suíno na faixa de 20 a 100 kg produz de 8,5 a 4,9% de seu peso corporal em urina e fezes diariamente. As características físicas, químicas e biológicas dos dejetos estão associados aos sistemas de manejo adotado a aos aspectos nutricionais, apresentando algumas variações na concentração dos seus elementos entre produtores e dentro da própria granja. (Perdomo at al, 2001)

33 33 Tabela 5.4: Produção Média Diária de Dejetos nas diferentes fases produtivas dos suínos. Fonte: Adaptado de (OLIVEIRA 1993). Esses dejetos contêm uma grande quantidade de germes, cerca de 103 a 107 germes por grama de excremento, tais como: bacilos da tuberculose, brucelose, salmonelas, larvas de helmintos, doença de Aujeszky entre outras. Há um grande potencial nos dejetos de suínos para a melhoria das propriedades químicas do solo e disponibilidade de nutrientes (tabela 5.4.1) para as plantas com consequente aumento da produtividade das culturas, desde que adequadamente utilizados visando a preservação do meio ambiente. (Perdomo at al, 2001)

34 34 Tabela Características de dejetos suínos (Fezes + Urina), expresso por 1000 Kg de peso vivo. Fonte: ASAE (1993) Contaminação da Água por Dejetos Suínos O lançamento de dejetos suínos em corpos d água gera um excesso de nutrientes deixando um sistema natural desequilibrado. Esse excesso de nutrientes sendo eles, Nitrogênio, Fósforo e Potássio, promove uma grande proliferação de algas, que incorporam esses nutrientes em sua estrutura física e acaba por consumir o oxigênio de todo o corpo d água, causando a eutrofização e desfavorecendo o meio necessário para existência da fauna que

35 35 necessita de oxigênio para sobreviver. Por isso é importante ter um sistema de tratamento eficiente para redução drástica da quantidade de nutrientes lançados Contaminação do Ar por Dejetos Suínos A matéria orgânica decomposta gera gases que causam desconforto ambiental para os humanos. O tratamento dos dejetos é uma garantia de eliminação dos odores. O biossistema integrado permite a condução dos gases produzidos pela decomposição anaeróbica do resíduo seja captado e armazenado, podendo usa-lo no aquecimento e em motores para gerar energia a partir deste gás, o biogás Contaminação do Solo por Dejetos Suínos A percolação dos efluentes gerados na suinocultura e nos sistemas de tratamento quando são encaminhados diretamente ao solos pode facilmente atingir lençóis freáticos e contaminar fontes de água necessárias para o abastecimento de rios e muitas vezes o abastecimento do município. (BAVARESCO, 1998) Proliferação de Insetos Causada pelos Dejetos A proliferação de insetos, principalmente das moscas, é um problema associado à suinocultura nas suas diversas vertentes. A implantação de sistemas de tratamento que eliminem ou reduzam a possibilidade de infestação de insetos é extremamente necessária, uma vez que diversos insetos são vetores de parasitas que afetam diretamente a saúde humana. As larvas desses insetos utilizam os muitos nutrientes contidos nos dejetos para seu crescimento Considerações A suinocultura no Brasil, apesar da sua posição favorável no que diz respeito à produção, ainda não modernizou os sistemas de tratamento de dejetos, causando

36 36 impactos ambientais que oneram o poder público aumentando o custo com saúde pública e com sistemas de tratamento de água. 6 ESTUDO DE CASO O estudo está fundamentado no caso pratico de uma fazenda no estado do MS onde esta prevista a instalação de biodigestores para o aproveitamento dos dejetos provenientes da suinocultura, visando à geração de energia limpa. Este estudo de caso foi escolhido pela existência de passivo ambiental relacionado aos dejetos animais e pela geração de biogás. Além disso, a participação na elaboração de um projeto sustentável do ponto de vista ambiental permitiu obter informações fundamentais no desenvolvimento da presente pesquisa. 6.1 Localização A área de estudo localiza-se na região tal do MS, cerca de 140 km da cidade mais próxima (Figura 6.1). Figura 6.1: Localização da Área de Estudo Obtida na Imagem de Satélite, entre as Rodovias MS e BR A região é deficiente no abastecimento de rede de energia elétrica e não possui um sistema eficiente na distribuição dessa energia.

37 37 Adicionalmente a fazenda possui uma rede de tratamento de esgoto deficitária decorrente da crescente demanda e produção de suínos existente. 6.2 Geração de Resíduos Orgânicos O trabalho aborda o diagnóstico dos problemas existentes na estação de tratamento de esgoto da Escola Fazenda Bodoquena no Município de Miranda (MS), e propõe soluções para os problemas levantados, a fim de que a eficiência da ETE dos dejetos suínos seja otimizada. A granja de suínos da Escola de Bodoquena tem por finalidade fornecer carne suína para o refeitório interno e também a função educativa, fornecendo material para instrução aos alunos do curso técnico de agropecuária. Diariamente é realizada a limpeza das baias, com o objetivo de evitar o acúmulo de dejetos e, conseqüentemente, evitar a geração de odores desagradáveis e aglomeração de moscas. Após a lavagem, os dejetos dos suínos são encaminhados para o sistema de tratamento. 6.3 Sistema Atual de Tratamento O sistema de lagoas instalado na escola tem como objetivo o tratamento dos esgotos gerados pela suinocultura. O destino final do efluente é o corpo hídrico mais próximo, localizado a aproximadamente 150 m da ETE. O sistema é composto por quatro lagoas instaladas em série. As lagoas tem uma profundidade média de 1,5 m. No projeto inicial, após as câmaras de sedimentação havia um reservatório para contenção dos dejetos (lagoa). Posteriormente, estes dejetos seriam encaminhados para a elevatória de dejetos e, na seqüência, seriam encaminhados para a elevatória principal e para as lagoas de tratamento.

38 38 Houve uma alteração nesse sistema, e os dejetos foram encaminhados diretamente das câmaras de sedimentação para a elevatória de dejetos e, em seguida, diretamente na linha de recalque para as lagoas. A alteração realizada aumentou consideravelmente a quantidade de sólidos presentes no efluente e aumentou também de forma significativa a distância do bombeamento Problemas Diagnosticados Este sistema foi dimensionado para atender uma quantidade de animais menor do que a quantidade existente. Atualmente o sistema de sedimentação está subdimensionado, o que causa o rápido saturamento das células. Devido à baixa eficiência de retenção de sólidos nas câmaras de sedimentação, uma grande quantidade de materiais sólidos e pêlos dos animais são encaminhados para a elevatória (figura 6.3.1) Figura 6.3.1: Poço de Sucção da Estação Elevatória. Estes materiais, juntamente com a matéria orgânica presente em grande quantidade nos dejetos, além do grande percurso a ser bombeado, exigiam um grande esforço do sistema de bombeamento, causando quebras e manutenções com elevada freqüência. Como tentativa de facilitar o funcionamento das bombas, foram retiradas as válvulas

39 39 de retenção do início do recalque, objetivando a redução da perda de carga localizada. Este procedimento de retirada da válvula acabou agravando ainda mais a situação, pois o efluente bombeado retornava para a elevatória assim que a bomba era desligada. Figura 6.3.2: Caixa de Bombeamento de Dejetos, sem a Bomba de Recalque. Com isso o intervalo de funcionamento da bomba foi drasticamente reduzido, aumentando a freqüência de Liga/Desliga, causando a queima prematura das bombas. Desde que as bombas queimaram estas não foram reinstaladas no local. A falta do bombeamento está causando acúmulo dos dejetos próximo à granja de suínos. Devido à cota do terreno, os dejetos estão sendo direcionados diretamente para o córrego mais próximo, a aproximadamente 50 m. (Imagem 6.3.3)

40 40 Figura 6.3.3: Dejetos Acumulados sendo Encaminhados para o Rio. Além da falta das bombas na elevatória, a linha de recalque não possui pontos para inspeção e manutenção, e também não há marcação sobre o traçado da rede. Portanto, caso seja necessária à realização de manutenção, será necessário fazer o rastreamento da rede de recalque. Figura 6.3.4: Válvula de Retenção da Linha de Recalque de Dejetos.

41 41 As lagoas apresentam erosão dos taludes. A última lagoa sofreu a ação da erosão de tal forma que foi necessária a reconstrução do sistema de distribuição de efluente. Figura 6.3.5: Sistema de Distribuição da Última Lagoa, com Talude em Concreto. Nesta área da ETE, atraídos pelas lagoas, há uma grande quantidade de animais, como capivaras, cobras e jacarés. Para evitar que estes animais caiam dentro dos sistemas de distribuição do efluente, foi necessária a instalação de um sistema de grades em ferro, sobre os sistemas de distribuição. Mas, devido às características do esgoto, as grades estão sofrendo uma rápida degradação e, além de estarem sujeitas à quebra, no caso de algum animal subir sobre ela, pode oferecer o risco de corte na pele dos funcionários que fazem a manutenção do sistema.

42 42 Figura 6.3.6: Grade do Sistema de Distribuição da Primeira Lagoa. 6.4 Alternativas Para o Tratamento A seguir apresentaremos as alternativas para o tratamento dos dejetos na fazenda, sendo elas o redimensionamento do sistema atual de tratamento e a instalação de um novo sistema, que consiste na implantação de biodigestor Alternativa 1 - Redimensionamento do Sistema Atual A primeira alternativa é redimensionar o sistema atual de tratamento dos dejetos, e para isso, várias etapas do mesmo precisarão de reforma, sendo elas: O Redimensionamento das câmaras de sedimentação, para a quantidade máxima de animais previstos para a criação na escola; Redimensionamento da bomba de recalque, considerando-se uma bomba específica para dejetos de suínos; Adequação da rede de recalque com pontos de inspeção em intervalos regulares para realização das limpezas e manutenções da rede. Para solucionar os problemas de erosão do talude e da grade do sistema de distribuição, será necessário:

43 43 Refazer os taludes das lagoas, atingindo as dimensões determinadas no projeto; Instalar sistema de quebra-ondas, para proteção dos taludes; Refazer as grade de proteção e fazer uma pintura com tinta anti-ferrugem, ou substituição por grades em fibra de vidro. De acordo com a Alternativa 1, o sistema continuará funcionando da forma como foi projetada inicialmente. O bombeamento dos dejetos diretamente para as lagoas de tratamento pode causar uma sobrecarga orgânica, ou seja, será enviado mais material orgânico do que as lagoas podem receber (a granja de suínos é maior do que o inicialmente previsto em projeto). Como conseqüência a lagoa pode ter sua eficiência reduzida e pode ser necessário o aumento da freqüência de limpeza da lagoa Alternativa 2 - Instalação de Biodigestor Instalação de sistema de biodigestor para dejetos de suínos. Instalação de uma nova elevatória para o efluente ser encaminhado até o biodigestor; Instalar nova tubulação até o local do biodigestor; Adequação da rede de recalque com pontos de inspeção em intervalos regulares para realização das limpezas e manutenções da rede. O efluente gerado na pocilga será encaminhado diretamente para o pré-tratamento do biodigestor.

44 44 A caixa de sedimentação e a lagoa de tratamento existente deverão ser desativadas por estarem subdimensionadas e apresentarem dificuldades operacionais. A primeira etapa do tratamento dos dejetos dos suínos constitui-se de gradeamento grosso e fino, onde os sólidos grosseiros ou partículas de tamanho maior que 10 mm ficam retidos, protegendo assim os conjuntos de moto bomba da estação elevatória de esgoto. Em seguida o efluente passará pela caixa de gordura, onde será separado de óleos e gorduras que podem vir a prejudicar a etapa seguinte do tratamento. Após passar pela caixa de gordura, o efluente passará pela peneira estática, unidade responsável pela retirada de areias e partículas que passaram pelos gradeamentos. Após o pré-tratamento descrito acima, o efluente será recalcado através da estação elevatória de esgoto bruto para um conjunto de biodigestores do modelo chinês. Após passar pelos biodigestores o efluente será direcionado para uma centrifuga que será responsável pelo processo de secagem, afim do reaproveitamento dos sólidos finais do processo para utilização como biofertilizante. No modelo chinês, o afluente entra pela extremidade inferior, passando pela manta de lodo, sendo o efluente coletado na extremidade superior. Ao longo desse percurso, uma série de mecanismos contribui para a purificação das águas residuárias. Estes mecanismos ocorrem em cinco zonas: câmara de digestão, zona de transição, separador de fases, zona de sedimentação e zona de acumulação de gás. Este gás (biogás) será encaminhado para geradores que o transformarão em energia elétrica limpa, chegando diariamente a uma produção de 715kw/h, podendo ser empregada nos processos da fazenda.

45 45 7 ANÁLISE DOS RESULTADOS Tendo em vista que a fazenda Bodoquena está localizada em uma região distante da urbanização, onde as redes de distribuição de energia chegam com dificuldade até o local estudado e devido a criação dos suínos existe uma alta produção de carga orgânica não aproveitada. A utilização de processos anaeróbios para reduzir o poder poluente dos resíduos líquidos vem se destacando, pois, além de reduzir a poluição ambiental, recupera o poder energético do resíduo na forma de fertilizante, que poderá ser utilizado nos processos agrícolas e escolares da fazenda bem como o biogás. Entendemos que a implantação do biodigestor é a opção que mais trará resultados positivos, dando tratamento correto a carga orgânica desperdiçada e gerando energia limpa. O modelo chinês de biodigestão, que será o utilizado, tem custo operacional baixo, exige uma pequena demanda de área de instalação e é capaz de apresentar eficiência maior que a de outros tipos de biodigestores em termos de COV (carga orgânica volumétrica), produz volumes significativos e com maior qualidade de biogás e vem sofrendo forte expansão no tratamento de esgotamento sanitário no país e no mundo. O biodigestor de fluxo ascendente, (modelo chinês), está adaptado para águas residuárias com baixo teor de sólidos, o que motiva a sua utilização no tratamento dos poluentes das atividades de suinocultura, pois o dejeto de suínos se apresenta muito diluído em águas de lavagem, de bebida desperdiçada e na própria urina dos animais.

46 46 8 CONCLUSÕES Com base na análise de resultados e nas informações adquiridas na revisão bibliográfica foi possível chegar a algumas conclusões baseadas nos objetivos propostos. A primeira conclusão foi que o Brasil por ser um país tropical possui um enorme potencial de biomassa, devido a grande produtividade de massa vegetal e animal existente. Podendo assim viabilizar o desenvolvimento e implantação de tecnologias que visam à geração de energia elétrica por este meio. Posteriormente analisando a composição dos dejetos suínos e seus os impactos ambientais concluímos que a suinocultura devido a grande quantidade de resíduos gerados, é uma atividade potencialmente poluidora, podendo também ser uma atividade sustentável, devido às tecnologias existentes para o beneficiamento de seus resíduos. Considerando o passivo ambiental existente na fazenda Bodoquena e o interesse de seus gerenciadores em sana-lo, a melhor solução é a instalação do biodigestor modelo chinês que possui um baixo custo de implantação e operação, sendo assim o mais indicado para este caso. O biodigestor modelo chinês que será instalado na fazenda fará o papel da ETE, tratando os resíduos e ao mesmo tempo produzindo biofertilizante para utilização nos processos agrícolas no local. Este modelo foi escolhido por apresentar o menos custo de operação, o que representará uma economia em longo prazo, além disso, a eficiência deste modelo é a maior. Captaremos também o biogás e o direcionaremos a geradores para produção de energia elétrica, resolvendo parcialmente o déficit da eletrificação da região.

47 47 REFERÊNCIAS ASAE. D384, 1. Manure Production and Characteristics Agricultural Sanitation, ATOM, 2010, Distribuição de Energia Elétrica. Home Page: Acessada em: 10/2010 BALSAM, J. Anaerobic Digestion of Animal Wastes: Factors to Consider. US Department of Agriculture. Home Page: Acessada em: 10/2010 BATISTA, Laurentino Fernandes: Manual técnico construção e operação de biodigestores. Brasília, 1981, 54p. ilust. (Manuais, 24) BAVARESCO, Angelita. Lagoas de Aguapé no Tratamento Terciário de Dejetos de Suínos Dissertação Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção, UFSC, Florianópolis. BENINCASA, M. ; ORTOLANI, A.F; LUCAS JR., J. Biodigestores Convencionais. Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias. UNESP, Jaboticabal, 25p., 1990 BUNDIN, S. M. 2009, A matriz Energética Brasileira Mitos e Realidade. Home Page: Acessada em: 10/2010 DIARIO ECONÔMICO, 2009, Espaços Públicos vão Produzir Energia Solar para Usar e Vender. Home Page: Acessada em: 10/2010 ENVIROTEC, 2008, Fundamento da Digestão Anaeróbica. Home Page: Acessada em: 10/2010 FERRAZ, J. M. G.; MARIEL, I. E. Biogás uma fonte alternativa de energia. Sete Lagoas: EMBRAPA-CNPMS, p. (EMBRAPA-CNPMS. Circular Técnica, 3).

48 48 GASPAR, Rita Maria Bedran Leme: Utilização de biodigestores em pequenas e médias propriedades rurais com ênfase na agregação de valor: Um estudo de caso na região de Toledo-PR. Florianópolis, 2003, 119p. Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção, UFSC, Florianópolis. PAGLIARI, Patrick. C. 2008: Energia Solar, Eólica, Hidráulica, Biomassa, Geotérmica e Maremotriz. Home Page: Acessada em: 10/2010 OLIVEIRA, P.A.V. Dejetos: Uma Escolha Difícil. Informativo Embrapa Suínos e Aves, Concórdia, PERDOMO, C.C. Sugestões para o Manejo, Tratamento e Utilização de Dejetos Suínos. P.08 Gramado, 2001 SANTOS, P. Guia técnico de biogás. CCE- Centro para a Conservação de Energia. Guia Técnico de Biogás. AGEEN Agência para a Energia, Amadora, Portugal, p. SGANZERLA, E. Biodigestor: uma solução. Ed.Agropecuária. Porto Alegre, 1983.

49