PRODUÇÃO DE BIOGÁS A PARTIR DE EFLUENTE DA SUINOCULTURA UTILIZANDO DIGESTÃO ANAERÓBIA EM DOIS ESTÁGIOS

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1 PRODUÇÃO DE BIOGÁS A PARTIR DE EFLUENTE DA SUINOCULTURA UTILIZANDO DIGESTÃO ANAERÓBIA EM DOIS ESTÁGIOS Trevisan, V.* 1 ; Monteggia, L.O. 2 1 Doutoranda em Saneamento Ambiental, IPH - UFRGS, Av. Bento Gonçalves 9500, , Porto Alegre-RS, Brasil, viviane.trevisan@ufrgs.br 2 Professor orientador, IPH UFRGS Av. Bento Gonçalves 9500, , Porto Alegre-RS, Brasil, montegia@iph.ufrgs.br Resumo A criação de suínos nas pequenas propriedades gera elevada descarga de poluentes orgânicos, os quais são uma das fontes de eutrofização de mananciais na região sul do Brasil. A decomposição anaeróbia dos dejetos suínos produz biogás rico em metano, o qual pode ser utilizado como fonte de energia renovável. O biogás também pode ser enriquecido com hidrogênio, o que diminui as emissões nocivas resultantes do processo de combustão além de aumentar o poder calorífico do mesmo. O objetivo deste trabalho é desenvolver técnicas para maximizar a produção de biogás enriquecido com hidrogênio com potencial de aplicação ao tratamento dos efluentes líquidos da suinocultura. A unidade experimental emprega reatores seqüenciais em batelada, um acidogênico e outro metanogênico operados em série. O sistema apresentou eficiência na faixa de 60 e 69% na remoção da matéria orgânica para a condição operacional estudada. As concentrações de hidrogênio variaram de 7 a 9% no gás produzido no reator acidogênico, nos períodos de aumento da carga orgânica. No reator metanogênico a concentração de metano variou de 65 a 70%. As condições operacionais requeridas para a formação do hidrogênio foram semelhantes às apresentadas em outros estudos com o mesmo efluente. Palavras-chave: dejeto suíno, hidrogênio, energia limpa, processo anaeróbio. 264

2 BIOGAS PRODUCTION FROM PIGGERY WASTE USING TWO ANAEROBIC BATH SEQUENTIAL REACTORS Abstract The swine production in small properties generates high discharge of organic pollutants, which are an important source of water eutrophication in South Brazil. The anaerobic decomposition of swine waste produces biogas rich in methane, which can be used as renewable energy source. Biogas can also be enriched with hydrogen, what may contribute to increase the calorific power and decrease the harmful emissions that result from the combustion process. The objective of this study is to develop techniques in order to maximize the production of gas enriched with hydrogen with potential application to the treatment of piggery waste. The experimental apparatus consisted of two batch sequential reactors, one acidogenic and other methanogenic, both operated in series. The system presented between 60 and 69% of efficiency in terms of organic matter removal. The hydrogen concentrations varied between 7 and 9% at the off gas from the acidogenic reactor, after increases of organic load. In the methanogenic reactor the methane concentration varied between 65 and 70%. The operational conditions required to favor the hydrogen formation were similar to the ones observed by other studies with the same effluent. Key-words: swine manure, hydrogen, clean energy, anaerobic process. Introdução O lançamento indiscriminado das águas residuárias da suinocultura em rios e mananciais ocasiona sérios problemas sanitários, como a ocorrência de verminoses e alergias; e ambientais, como a morte de peixes e animais, toxicidade em plantas e eutrofização dos recursos de água, além da proliferação de moscas, borrachudos e ocorrência de mau cheiro. O aumento das exigências dos órgãos fiscalizadores e da sociedade, aliadas a uma maior consciência ambiental dos produtores, tem provocado a busca por soluções tecnológicas adequadas ao manejo e disposição dos dejetos de suínos, que sejam compatíveis com as condições econômicas dos produtores, que atendam as exigências legais e que possam ser de fácil operacionalização. O uso do biogás, produzido a partir da digestão anaeróbia de dejetos suínos, como fonte de energia, reduz os impactos ambientais gerados pela disposição inadequada dos mesmos, propiciando uma fonte extra de renda para o produtor rural e contribuindo para a melhoria do padrão sanitário em áreas rurais que sofrem atualmente elevado impacto ambiental. A produção de biogás enriquecido com hidrogênio gera maior energia por unidade de peso que a queima de outros combustíveis fósseis; produz água como sub produto, ao contrário dos combustíveis fósseis que produzem dióxido e carbono (CO 2 ) e contribuem para o aumento do efeito estufa. 265

3 Uma das formas de enriquecer o biogás com hidrogênio utiliza reatores anaeróbios em duas etapas, um reator acidogênico e outro metanogênico, uma vez que esse sistema apresenta vantagens no que diz respeito ao maior controle dos parâmetros operacionais, redução do tempo de processo; maior desempenho, quando comparado com a digestão realizada em um único reator e melhor estabilidade diante das flutuações de carga orgânica volumétrica. Desde 1920 cientistas já antecipavam que o hidrogênio seria o combustível do futuro e que traria vantagens econômicas e sociais para o mundo. Na década seguinte, o hidrogênio foi utilizado pela primeira vez como combustível para facilitar a decolagem e manter a estabilidade dos dirigíveis no ar. Entre 1940 e 1960 pesquisadores estudaram a utilização do hidrogênio como combustível para carros, caminhões, trens, submarinos e aviões. As pesquisas sobre a produção de hidrogênio retomaram seu destaque nos anos 1970, em meio à grande crise do petróleo. Assim, o elemento químico mais encontrado no planeta começou a ser apontado como o substituto dos combustíveis fósseis. Nos anos 1990 a degradação ambiental, a poluição e o efeito estufa levaram a uma busca por energias limpas. Uma inquietação concretizada no Fórum Mundial de Kyoto, no Japão, em 1997, quando grande parte dos países se comprometeu a diminuir o nível de poluentes na atmosfera. O objetivo deste trabalho é desenvolver técnicas para maximizar a produção de biogás enriquecido com hidrogênio em condições anaeróbias através da remoção de matéria orgânica com potencial de aplicação ao tratamento dos efluentes líquidos da suinocultura, realizado em dois reatores seqüenciais em batelada. Materiais e Métodos O efluente utilizado nesta pesquisa foi proveniente de uma propriedade rural que possui uma criação de suínos com aproximadamente 100 animais. O mesmo foi coletado semanalmente e armazenado sob condições de refrigeração na temperatura de quatro graus Celsius. O sistema testado foi constituído por um reator anaeróbio acidogênico com capacidade para 20 L seguido por um reator anaeróbio metanogênico com capacidade para 40 L, ambos em acrílico. O efluente foi diluído quatro vezes, para avaliar a produção de biogás e a eficiência do processo com diferentes concentrações de matéria orgânica, teve seu ph ajustado para cinco com o auxílio de ácido clorídrico (HCl), a fim de facilitar a ação das bactérias acidogênicas e foi inserido no reator acidogênico onde permaneceu por 26 horas, sendo este período distribuído em: 24 horas de agitação, uma hora de repouso para sedimentação do lodo e uma hora para esvaziamento e enchimento do reator com a batelada seguinte. O sobrenadante foi transferido para o reator metanogênico onde permaneceu por 60 horas, este período foi distribuído em: 58 horas de agitação, uma hora de repouso para sedimentação do lodo e uma hora para esvaziamento e enchimento do reator com a batelada seguinte. Os reatores já possuíam seus respectivos inóculos, a fim de otimizar o processo de degradação, e foram mantidos a 35 C durante todo o período de testes. O tempo de detenção celular testado no reator acidogênico foi de dois dias, no período dos testes não foi realizado descarte de lodo do reator metanogênico. 266

4 Analisou-se remoção da matéria orgânica através da determinação da demanda química de oxigênio (DQO) na entrada e na saída de ambos os reatores (acidogênico e metanogênico), conforme metodologia descrita no Standard Methods. A análise da composição do biogás produzido foi realizada através de cromatografia gasosa utilizando a metodologia descrita por Morimoto et al, Resultados e Discussão Na Tabela 1 estão mostrados os resultados de remoção de DQO, em cada um dos reatores, e o percentual de remoção total obtidos nos primeiros testes realizados. Apesar do elevado percentual de remoção de DQO com os baixos tempos de detenção hidráulicos testados (entre 60 e 69%), o efluente apresentou alta concentração de matéria orgânica na saída do reator metanogênico. Nos sistemas anaeróbios a quantidade de matéria orgânica removida é da ordem de 70 a 90 %, fazendo-se necessário o aumento do tempo de detenção hidráulico ou a colocação de um sistema de tratamento posterior aos reatores, a fim de melhorar o percentual de remoção da matéria orgânica. O biogás produzido no reator acidogênico apresentou concentrações de hidrogênio que variaram de 7 a 9%, valores próximos aos apresentados em trabalhos que utilizaram resíduo suíno. No reator metanogênico a concentração de metano no biogás variou de 65 a 70%, valores considerados ideais para sistemas anaeróbios. Conclusões Os percentuais de remoção de matéria orgânica encontram-se próximos aos observados rotineiramente, porém há a necessidade de melhoria no processo para aumento dos percentuais de remoção. As condições operacionais do reator acidogênico favorecem a formação do hidrogênio em concentrações superiores ao relatado em outros estudos. A concentração de metano no biogás apresentou-se dentro do esperado para sistemas anaeróbios, demonstrando que a biomassa está adaptada ao efluente. Literatura Citada APHA; AWWA; WPCF. (2005) Standard Methods for the Examination of Water & Wastewater. 21 ed. Washington. GRADY JR., C.P.L.; DAIGGER, T.G.; LIM, H.C. (1999). Biological wastewater treatment. Second edition, revised an expanded. New York, USA. Ed. Marcel Dekker. 1076p. HERNÁNDEZ, M.A.; RODRÍGUEZ, M.S. Hydrogen production by anaerobic digestion of swine manure. In: 11 th IWA World Congress on Anaerobic Digestion, Brisbane Australia. P309_Hernandez.pdf,

5 METCALF & EDDY. (2003) Wastewater engineering: treatment and reuse. Boston, EUA. Editora McGraw-Hill p. MORIMOTO, M.; ATSUKO,M.; ATIF, A.A.Y.; NGAN, M.A.; FAKHRU L-RAZI, A.; IYUKE, S.E.; BAKIR, A.M. (2004). Biological production of hydrogen from glucose by natural anaerobic microflora. International Journal of Hydrogen Energy. 29, Tabela 1. Remoção de DQO em cada etapa e percentual de remoção total. Batelada DQO entrada reator acidogênico (mgo 2 /L) DQO saída reator acidogênico (mgo 2 /L) DQO saída reator metanogênico (mgo 2 /L) Remoção total (%) , , ,11 60, , , ,00 69, , , ,57 69, , , ,14 67,40 268