DESENVOLVIMENTO DE BIODIGESTORES ANAERÓBIOS PARA PRODUÇÃO DE BIOGÁS UTILIZANDO RESÍDUO ALIMENTAR E ESGOTO (um espaço)

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1 DESENVOLVIMENTO DE BIODIGESTORES ANAERÓBIOS PARA PRODUÇÃO DE BIOGÁS UTILIZANDO RESÍDUO ALIMENTAR E ESGOTO G. F. BRUNHARA 1, D. R. S. MAIA 1, M. C. CAMMAROTA 1 e C. S. GUIMARÃES 1 1 Universidade Federal do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Bioquímica para contato: claudinei@eq.ufrj.br RESUMO A matéria orgânica é fração majoritária dos resíduos sólidos gerados no Brasil. Isto alerta para a necessidade de investimento em pesquisa e implantação de tecnologias na área de tratamento destes resíduos. Nosso esgoto também necessita de melhor gerenciamento, uma vez que passamos por uma das maiores crises hídricas da história e coletamos cerca de 50% de todo esgoto produzido no Brasil e somente 69,4% recebe algum tipo de tratamento. A Digestão Anaeróbia é um processo através do qual o resíduo orgânico é decomposto por uma grande variedade de micro-organismos, na ausência de oxigênio. Seus produtos são o biogás e um resíduo sólido, que pode ser usado como fertilizante. O objetivo deste estudo foi desenvolver biodigestores anaeróbios com automação e controle e testar os biodigestores desenvolvidos avaliando uma mistura de resíduo alimentar de um restaurante universitário da Universidade Federal do Rio de Janeiro e esgoto de uma estação de tratamento, em diferentes proporções, para um melhor aproveitamento do resíduo e maior produção de metano na Co- Digestão Anaeróbia. A mistura com 10% em peso seco de esgoto, resíduo alimentar e lodo anaeróbio gerou mais metano em pequena escala. Esta mistura foi então testada em biodigestor de bancada operado a 37ºC por 30 dias, gerando 105 litros de biogás. Este valor superou os 75 litros de biogás do biodigestor alimentado com resíduo e água no lugar de esgoto, e os 30 litros gerados no biodigestor com resíduo e esgoto sem adição de lodo. 1. INTRODUÇÃO A digestão anaeróbia é um processo através do qual resíduos orgânicos são biologicamente convertidos, por um consórcio microbiano, na ausência de oxigênio (LASTELLA et al., 2002). Além de estabilizar a carga orgânica de resíduos, gera produtos como o biogás composto geralmente por 60% de metano e 40% de dióxido de carbono (MOLINO et al., 2013), e um resíduo orgânico rico em nitrogênio que, dependendo da qualidade, pode ser usado diretamente como fertilizante (LANSING et al., 2008). É historicamente utilizada para a estabilização de lodo gerado no tratamento de esgotos, porém uma aplicação viável para o tratamento de qualquer matéria orgânica (CECCHI et al., 1991). Dentre suas vantagens, destacam-se o baixo requerimento energético para a operação, a não necessidade de aeração e menor produção de biomassa, o que reduz o volume de resíduo gerado pelo tratamento (ANGENENT et al., 2004). Assim, a utilização da digestão anaeróbia no tratamento de resíduos sólidos orgânicos e na produção de energia é não só desejável, mas torna-se cada vez mais imprescindível, uma vez que os custos pertinentes a esta tecnologia, produzem boas respostas aos problemas de

2 escoamento, tratamento e valorização de efluentes e resíduos orgânicos, que se colocam de forma quase dramática nas sociedades industrializadas. 2. CONSTRUÇÃO DOS BIODIGESTORES ANAERÓBIOS Foram construídos quatro biodigestores em batelada anaeróbios, cada um contendo 7 litros, utilizando materiais de baixo custo, porém com tecnologias atuais, e métodos simples de utilização do sistema visando à reprodutibilidade em larga escala nas próximas etapas. Para cada um dos biodigestores foram desenvolvidos sistemas de aquecimento, de agitação e de controle. No sistema de aquecimento e controle da temperatura foram empregados dois sensores de temperatura de precisão transistorizados LM35DZ, um internamente ao biodigestor junto à amostra e outro externamente ao biodigestor; um recipiente em acrílico, confeccionado especialmente para utilização no biodigestor, com água para que pudesse comportar o biorreator, a resistência para aquecimento e o sensor de temperatura externo. O aquecimento da água é proporcionado pela resistência elétrica vulgarmente conhecida como aquecedor de copo. Esta resistência foi escolhida para integrar o biodigestor por apresentar um baixo custo em relação aos que normalmente são utilizadas em sistemas de aquecimento. Durante os teste de aquecimento foi constatado a necessidade de utilizar uma bomba d água para atenuar a diferença de temperatura da água colocada no recipiente de acrílico. Termômetros colocados na parte de cima e na parte de baixo do biodigestor constatou que havia uma diferença acentuada de mais de 10 ⁰C. A bomba escolhida foi à mesma do sistema de esguicho do limpador de para brisas dos automóveis, possibilitando a ciclagem da água da parte inferior para a parte superior resolvendo assim o problema de gradiente de temperatura do biodigestor. O sistema de agitação foi desenvolvido utilizando um motor comumente utilizado para girar o prato de fornos de micro-ondas. Esse tipo de motor foi escolhido por apresentar um baixo custo e por funcionar em baixa rotação o que é preferível em digestores anaeróbios. Para realizar o controle de temperatura, de agitação e de circulação de água foi desenvolvido um sistema embarcado de controle, Controlador Lógico Programável (CLP), por completo: hardware, firmware e software supervisório. O hardware projetado visa a atender as necessidades do sistema, que são de dois Conversores Analógico Digital (ADC) para os sensores de temperatura LM35DZ, três atuadores de alta potência um para a resistência elétrica, outro para a bomba d água e o último para o motor de agitação e o sistema de comunicação com o microcomputador. O circuito eletrônico foi dividido em quatro partes: microcontrolador sendo a central do sistema, comunicação entre o microcomputador PIC, módulos de potencia e módulos de condicionamento de sinais dos sensores. Essas partes foram montadas sobre uma placa de ilha e soldados. O software supervisório foi desenvolvido para proporcionar ao operador a interação, o monitoramento, o controle, o armazenamento de dados, a análise e a visualização de informações do equipamento, conforme mostrado na Figura 1.

3 Figura 1: Tela de controle do software supervisório. A Figura 2 apresenta o sistema completo de biodigestores desenvolvidos no Laboratório de Controle da Poluição do Ar LCPA do Departamento de Engenharia Bioquímica da Escola de Química UFRJ. Figura 2: Sistema completo de Biodigestores. 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL A proporção otimizada de resíduos selecionada a partir dos experimentos com frascos penicilina, com base nos resultados obtidos, foi a de 10% OS (Peso Seco). Foram utilizados três biodigestores com conteúdos diferentes apresentados a seguir: B1) Resíduo Alimentar + Água + Lodo (10%v/v resíduo) B2) Resíduo Alimentar + Esgoto + Lodo (10%v/v resíduo) B3) Resíduo alimentar + Esgoto + Água (10%v/v resíduo)

4 Os experimentos prosseguiram de acordo com o fluxograma apresentado na Figura 3. Figura 3: Fluxograma dos Experimentos. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1 Caracterização dos Resíduos, Esgoto e Lodo Os resultados das caracterizações dos resíduos alimentares, do esgoto bruto e do lodo empregado como inoculo, usados nos biodigestores se encontram na Tabela 1 abaixo. Tabela 1: Caracterização dos Resíduos alimentares, Esgoto e Lodo. Parâmetros Resíduos Esgoto Bruto Lodo Anaeróbio ph 5,87 6,61 n.a Umidade (%) 64,65 99,0 99,0 Peso Seco (PS)% 35,35 n.a n.a TKN (mg/g p.u.) 306 n.a n.a Fósforo (mg/g p.u.) 0,005 n.a n.a DQO T (mg/g p.u.) n.a DQO S (mg/l) n.a 73 n.a CT (mg/g p.u.) 40,49 n.a n.a CT/TKN (mg/g p.u.) 0,13 n.a n.a Densidade (g/ml) 0,81 n.a n.a N-NH 3 (mg/l) n.a 15,05 n.a SST (mg/l) n.a n.a SSF (mg/l) n.a n.a SSF (mg/l) n.a n.a n.a - parâmetro não analisado

5 Destaca-se a elevada concentração de TKN comparado ao Carbono, resultando em relações C/N muito reduzidas e impróprias para a digestão anaeróbia. Valores de nitrogênio em resíduo alimentar, na literatura, costumam ficar entre 2,5 e 13% (LIU et al., 2012; KIM et al., 2006). Estes resíduos costumam ter caráter ácido e seus valores de DQO T, Nitrogênio total e nitrogênio amoniacal giram em torno de 240, 6,9 e 0,5 g/l, respectivamente (KIM et al., 2011). Os altos valores de TKN do resíduo alimentar estudado pode ser causado pela grande quantidade de alimentos ricos em proteína. As concentrações de fósforo encontravam-se muito reduzidas, indicando a necessidade de suplementação para uma digestão anaeróbia bem equilibrada. 4.2 Produção de biogás A Figura 4 apresenta a produção de biogás gerado em cada um dos biodigestores ao longo do tempo. É possível observar que o biodigestor B2 (contendo esgoto, resíduo alimentar e lodo) gerou maior volume e velocidade de produção de biogás, seguido pelo B1 (água, resíduo alimentar e lodo) e o B3 (esgoto, resíduo alimentar e água). A maior produção de biogás no biodigestor B2, em comparação à obtida no B1, não pode ser atribuída tão somente à adição de esgoto à mistura, pois a concentração de matéria orgânica no esgoto é baixa. Mesmo que toda a DQO do esgoto fosse convertida a biogás, considerando um percentual de metano de 70% v/v, haveria uma produção de aproximadamente 1,4 L de biogás (0,738 g DQO/L x 3,3L x 397,4 ml CH 4 /g DQO x 1/0,7). Tal resultado indica que o esgoto contém em sua composição substâncias que complementam as necessidades dos microorganismos anaeróbios e/ou mantém melhores condições para a biodegradação dos constituintes do resíduo. Para a elevada diferença de volume de biogás entre os biodigestores B2 e B3 indica o efeito da semeadura na biodegradação do resíduo. O resíduo alimentar provavelmente não contém representantes de toda a população microbiana necessária para a completa degradação de seus constituintes. Figura 4: Produção cumulativa de biogás nos biodigestores com diferentes misturas de resíduo alimentar (10% PS), esgoto e água.

6 4.3 Biodigestor desenvolvido O biodigestor desenvolvido no laboratório com o sistema de automação e controle foi satisfatório para a produção de biogás. Os parâmetros de controle do ph, temperatura, agitação e o software desenvolvido funcionaram corretamente. O emprego de tecnologias atuais e matérias de baixo custo foram suficientes para o propósito dos experimentos, podendo ser empregado em maior escala no futuro. 5. REFERÊNCIAS ANGENENT, L.T., KARIM, K., AL-DAHHAN, M.H., WRENN, B.A., DOMINGUEZ- ESPINOSA, R. Production of bioenergy and biochemicals from industrial and agricultural wastewater. Trends in Biotechnology, v 22, pp , CECCHI, F. Anaerobic digestion of municipal solid waste thermophilic vs. mesophilic performance at high solids. Management & Research, v 9, pp , KIM, D.H., OH, S.E. Continuous high-solids anaerobic co-digestion of organic solid wastes under mesophilic conditions. Waste Management, v 31, pp , KIM, J.K., OH, B.R., CHUN, Y.N., KIM, S.W. Effects of Temperature and Hydraulic Retention Time on Anaerobic Digestion of Food Waste. Journal of Bioscience and Bioengineering, v 102(4), pp , LANSING, S. et al. Waste treatment and biogas quality in small-scale agricultural digesters. Bioresource Technology, v 99, pp , LASTELLA, G., TESTA, C. CORNACCHIA, G., NOTOTNICOLA, M., VOLTASIO, F., SHARMA, V.K. Anaerobic digestion of semi-solid organic waste: biogas production and its purification, Energy Conversion Management, v 43 (1), pp 63-75, LIU, X., GAO, X., WANG, W., ZHENG, L., SUN, Y. Pilot-scale anaerobic co-digestion of municipal biomass waste: Focusing on biogas production and GHG reduction. Renewable Energy, v 44, pp , MOLINO, A. Biomethane production by anaerobic digestion of organic waste. Fuel, v 103, pp , 2013.