ICTR 2004 CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Costão do Santinho Florianópolis Santa Catarina

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1 ICTR 2004 CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Costão do Santinho Florianópolis Santa Catarina PRODUÇÃO DE BIOGÁS A PARTIR DA BIODIGESTÃO DA BIOMASSA RESIDUAL DE MISTURA DE PLANTAS AQUÁTICAS Roberto Guimarães Pereira Fernando Luiz Barbuda de Abreu Jorge Fernandes Filho Maria Cristina Duarte Eiras Pereira Ricardo Bichara de Melo PRÓXIMA Realização: ICTR Instituto de Ciência e Tecnologia em Resíduos e Desenvolvimento Sustentável NISAM - USP Núcleo de Informações em Saúde Ambiental da USP

2 ICTR 2004 CÓDIGO PRODUÇÃO DE BIOGÁS A PARTIR DA BIODIGESTÃO DA BIOMASSA RESIDUAL DE MISTURA DE PLANTAS AQUÁTICAS Roberto Guimarães Pereira 2, Fernando Luiz Barbuda de Abreu 2, Jorge Fernandes Filho 2, Maria Cristina Duarte Eiras Pereira 2, Ricardo Bichara de Melo 3 2 Universidade Federal Fluminense, Departamento de Engenharia Mecânica e Programa de Pós- Graduação em Engenharia Mecânica, Rua Passo da Pátria 156, Niterói, RJ, Brasil, CEP , tel.: (55)(21) , fax: (55)(21) , e.mail: temrobe@vm.uff.br 3 Light Serviços de Eletricidade S. A., rbmelo@light.com.br 2368

3 Resumo Diversos sistemas de geração de energia elétrica utilizam-se de reservatórios de armazenamento de água. Um problema que ocorre constantemente nestes reservatórios é o acúmulo de plantas aquáticas, tais como: Eichhornia crassipes; Eichhornia azurea; Pistia stratiotes e Salvinia que pode acarretar sérios problemas ao sistema. Periodicamente, esta biomassa tem que ser removida e disposta de forma adequada. Um possível destino é a utilização da biomassa em um processo de biodigestão, obtendo-se biogás. O biodigestor de bancada utilizado no experimento de biodigestão das plantas aquáticas é composto de um reator que contém a biomassa e onde é produzido o biogás e um reservatório para o monitoramento da produção de biogás. O Reator encontra-se dentro de um recipiente contendo água que pode ser aquecida através de uma resistência elétrica, com a finalidade de manter a temperatura no interior do reator em torno de 35 o C. Os resultados das análises do gás do reator feitas em um cromatógrafo a gás CG MASTER com detector duplo de ionização de chama (DIC) e condutividade térmica (DCT) mostram um percentual da ordem de 50% de metano no biogás. Também, foram feitas análises para a determinação de umidade, matéria orgânica total, resíduo mineral e carbono orgânico, da biomassa contida no biodigestor. O processo de biodigestão da mistura das plantas aquáticas: Eichhornia crassipes; Eichhornia azurea; Pistia stratiotes e Salvinia mostra potencial para a obtenção de biogás, com teores consideráveis de metano, de modo a viabilizar o seu aproveitamento. 2369

4 PRODUÇÃO DE BIOGÁS A PARTIR DA BIODIGESTÃO DA BIOMASSA RESIDUAL DE MISTURA DE PLANTAS AQUÁTICAS Roberto Guimarães Pereira 2, Fernando Luiz Barbuda de Abreu 2, Jorge Fernandes Filho 2, Maria Cristina Duarte Eiras Pereira 2, Ricardo Bichara de Melo 3 1 Resumo Diversos sistemas de geração de energia elétrica utilizam-se de reservatórios de armazenamento de água. Um problema que ocorre constantemente nestes reservatórios é o acúmulo de plantas aquáticas, tais como: Eichhornia crassipes; Eichhornia azurea; Pistia stratiotes e Salvinia que pode acarretar sérios problemas ao sistema. Periodicamente, esta biomassa tem que ser removida e disposta de forma adequada. Um possível destino é a utilização da biomassa em um processo de biodigestão, obtendo-se biogás. O biodigestor de bancada utilizado no experimento de biodigestão das plantas aquáticas é composto de um reator que contém a biomassa e onde é produzido o biogás e um reservatório para o monitoramento da produção de biogás. O Reator encontra-se dentro de um recipiente contendo água que pode ser aquecida através de uma resistência elétrica, com a finalidade de manter a temperatura no interior do reator em torno de 35 o C. Os resultados das análises do gás do reator feitas em um cromatógrafo a gás CG MASTER com detector duplo de ionização de chama (DIC) e condutividade térmica (DCT) mostram um percentual da ordem de 50% de metano no biogás. Também, foram feitas análises para a determinação de umidade, matéria orgânica total, resíduo mineral e carbono orgânico, da biomassa contida no biodigestor. O processo de biodigestão da mistura das plantas aquáticas: Eichhornia crassipes; Eichhornia azurea; Pistia stratiotes e Salvinia mostra potencial para a obtenção de biogás, com teores consideráveis de metano, de modo a viabilizar o seu aproveitamento. Palavras-chave: biomassa residual; plantas aquáticas; biodigestor; biogás 1 2 Universidade Federal Fluminense, Departamento de Engenharia Mecânica e Programa de Pós- Graduação em Engenharia Mecânica, Rua Passo da Pátria 156, Niterói, RJ, Brasil, CEP , tel.: (55)(21) , fax: (55)(21) , e.mail: temrobe@vm.uff.br 3 Light Serviços de Eletricidade S. A., rbmelo@light.com.br 2370

5 Introdução Atualmente, a problemática da crescente proliferação de plantas aquáticas em reservatórios tem sido evidenciada mostrando-se a necessidade de soluções inovadoras e rápidas para tamanho problema. Conforme ressaltado em Pompêo e Moschine-Carlos (2003) as macrófitas aquáticas submersas, flutuantes e emersas vêm causando prejuízos à geração de energia em usinas hidrelétricas nacionais. Os prejuízos são, ainda, maiores quando somados aos custos envolvidos na interrupção temporária da geração de energia elétrica pela paralisação das turbinas. Um possível destino é a utilização da biomassa das plantas aquáticas em um processo de biodigestão, obtendo-se biogás. O biogás segundo Motta (1986), é uma mistura de metano (CH 4 ) com dióxido de carbono (CO 2 ) e pequenas quantidades de gás sulfídrico (H 2 S), nitrogênio (N 2 ), hidrogênio (H 2 ), Oxigênio (O 2 ) e monóxido de carbono (CO). O componente mais abundante na mistura é o metano, que corresponde com 50% a 70%. O poder calorífico do metano é da ordem de KJ/m 3, enquanto o poder calorífico do biogás é de a KJ/m 3. Plantas aquáticas em reservatórios Nos Reservatório de Santana e Vigário da Light são retiradas periodicamente uma grande quantidade de plantas aquáticas, conforme mostram as Figuras 1 e 2. Figura 1. Retirada da biomassa das macrófitas aquáticas do Reservatório de Santana 2371

6 Figura 2. Retirada da biomassa de macrófitas aquáticas do Reservatório de Vigário Foram identificadas em maior quantidade nos reservatórios, as seguintes plantas aquáticas: Eichhornia crassipes; Eichhornia azurea; Pistia stratiotes e Salvinia, cuja biomassa foi utilizada para a produção de biogás. Biodigestão Anaeróbia O processo anaeróbio baseia-se na utilização de microorganismos na completa ausência de oxigênio livre, para a degradação da matéria orgânica (Chernicharo, 1997). Os principais microrganismos empregados no processo anaeróbio são as bactérias anaeróbias ou facultativas. A capacidade de uma bactéria anaeróbia decompor um determinado substrato é específica, dependendo principalmente das enzimas que possui. As enzimas, responsáveis pelas reações do processo de decomposição, apresentam alto grau de especificidade. A eficiência global de conversão da matéria orgânica em produtos estabilizados, depende da eficiência de cada reação e do equilíbrio entre diversas espécies e entre os grupos de bactérias presentes no sistema anaeróbio. A velocidade de cada reação influi na velocidade do processo, e as reações mais lentas denominadas etapas limitadas, irão determinar a velocidade da reação global. A seqüência de reações do processo anaeróbio sugere sua divisão em etapas que sejam convenientes para sua compreensão, porém a realidade biológica é mais complexa. Entre os microorganismos existem interações tão estreitas que, por exemplo, a atividade dos microorganismos metanogênicos influi decididamente sobre os produtos de outras etapas, inclusive sobre a hidrólise. A digestão anaeróbia ocorre a partir de quatro grupos de bactérias, que são as seguintes: a) Grupo I: bactérias hidrolíticas, as quais convertem uma variedade de moléculas orgânicas complexas (polissacarídeos, lipídios e proteínas), a um amplo espectro de produtos finais (ácido acético, H 2 e CO 2, compostos 2372

7 com único carbono, ácidos orgânicos maiores que ácido acético e compostos neutros maiores que metanol); b) Grupo II: bactérias acetogênicas produtoras de hidrogênio que converte ácidos orgânicos maiores que ácido acético (butirato, propinato, etc.) e compostos neutros maiores que o metanol (etanol, propanol, etc), hidrogênio, acetato e dióxido de carbono; c) Grupo III: bactérias homoacetogênicas, as quais podem converter um espectro muito amplo de compostos orgânicos de um ou de vários carbono a ácido acético; d) Grupo IV: bactérias metanogênicas, as quais convertem H 2, CO 2, compostos de um carbono (metanol, CO 2, metilaminas) e acetato em metano. Material e Métodos Montagem do Biodigestor de Bancada O biodigestor de bancada utilizado no experimento, mostrado nas Figuras 3 e 4, é composto por um reator que contém a biomassa, onde é produzido o biogás e um reservatório para o monitoramento da produção de biogás. O Reator encontra-se dentro de um reservatório contendo água. Esta pode ser aquecida através de uma resistência elétrica, que mantém a temperatura no interior do reator em torno de 35 o C. O procedimento adotado contempla basicamente as seguintes etapas: - Triturar totalmente em liquidificador industrial as plantas aquáticas (raiz, caule e folhas); - Encher o reator com a pasta das plantas; - Encher com água e sal o reservatório para monitoramento da produção de biogás; - Vedar o aparato experimental. Figura 3. Biodigestor de Bancada 2373

8 Determinação da Umidade Figura 4. Reator para produção de biogás Lavar uma cápsula de porcelana com água destilada, levar à mufla a 550ºC por 30 minutos e colocar no dessecador até resfriamento total. Pesar obtendo-se P 1. Pesar uma porção de amostra, obtendo-se P 2. Levar a cápsula contendo a amostra à estufa, graduada para a faixa de ºC, permanecendo por 24 horas. Deixar esfriar no dessecador por 30 minutos e pesar obtendo-se P 3 (Kiehl,1985). Umidade(%)= (P 2 -P 3 ) x 100 / (P 2 -P 1 ) (1) Determinação da Matéria Orgânica Total Levar a cápsula com o material da análise de umidade à mufla e ligá-la mantendo a porta entre-aberta para proporcionar adequada aeração. A amostra deve ser aquecida lentamente para ser queimada sem inflamar, pois, se formar labareda poderá ocorrer perda de material; recomendando-se, nesse caso, que a determinação seja repetida. Fechada a porta e alcançada a temperatura de 550ºC, manter nessa temperatura por mais uma hora, retirar a cápsula, resfriar em dessecador e pesar P 4 (Kiehl,1985). MO total (%) = (P 3 -P 4 ) x 100 / (P 3 -P 1 ) (2) 2374

9 Determinação do Resíduo Mineral O resíduo mineral que restou na cápsula é geralmente designado como cinza ou cinza bruta ou materiais não voláteis ou ainda, resíduo mineral total. A determinação do resíduo mineral total é feita por simples cálculo a partir dos dados da análise de matéria orgânica total (Kiehl,1985). R mineral (%) = (P 4 -P 1 ) x 100 / (P 3 -P 1 ) (3) Determinação do Carbono Orgânico A determinação do teor de carbono orgânico é feita dividindo-se o resultado da matéria orgânica total pelo fator 1,8. C orgânico (%)=MO total (%)/1,8 (4) Resultados e Discussão A seguir são apresentados os resultados da biodigestão anaeróbia de misturas de plantas aquáticas retiradas dos Reservatórios de Santana e Vigário da LIGHT. A Tabela 1 ilustra a evolução do experimento de biodigestão da mistura das plantas aquáticas: Eichhornia crassipes; Eichhornia azurea; Pistia stratiotes e Salvinia. Foi utilizado no reator 1355,17 g de mistura de plantas aquáticas trituradas. Neste experimento, nenhuma quantidade de lodo foi adicionada a pasta, com a finalidade de comparar-se o processo de biodigestão com outros experimentos nos quais foram adicionadas pequenas quantidades de lodo à pasta da planta triturada. Tabela 1. Biodigestão da mistura das plantas aquáticas: Eichhornia crassipes; Eichhornia azurea; Pistia stratiotes e Salvinia DATA EVOLUÇÃO DO EXPERIMENTO 30/07/2003 Início do experimento 06/08/2003 Presença de gás no reator: 39,9% de CH 4 13/08/2003 Presença de gás no reator: 48,7% de CH 4 20/08/2003 Presença de gás no reator: 47,0% de CH 4 27/08/2003 Presença de gás no reator: 47,7% de CH 4 Os resultados das análises do gás do reator feitas em 06/08/2003, 13/08/2003, 20/08/2003 e 27/08/2003, em um cromatógrafo a gás CG MASTER com detector duplo de ionização de chama (DIC) e condutividade térmica (DCT), encontram-se nas Tabelas 2 a

10 Tabela 2. Composição do biogás da mistura das plantas aquáticas: Eichhornia crassipes; Eichhornia azurea; Pistia stratiotes e Salvinia após 7 dias de biodigestão.- em 06/08/2003 COMPOSIÇÃO DO BIOGÁS DE MISTURA DE PLANTAS AQUÁTICAS (APÓS 7 DIAS DE BIODIGESTÃO) ANÁLISE (% em volume) O 2 0,9 N 2 2,7 CH 4 39,9 CO 2 55,3 CO 0,05 Tabela 3. Composição do biogás da mistura das plantas aquáticas: Eichhornia crassipes; Eichhornia azurea; Pistia stratiotes e Salvinia após 14 dias de biodigestão.- em 13/08/2003 COMPOSIÇÃO DO BIOGÁS DE MISTURA DE PLANTAS AQUÁTICAS (APÓS 14 DIAS DE BIODIGESTÃO) ANÁLISE (% em volume) O 2 1,0 N 2 3,1 CH 4 48,7 CO 2 45,1 CO 0,02 Tabela 4. Composição do biogás da mistura das plantas aquáticas: Eichhornia crassipes; Eichhornia azurea; Pistia stratiotes e Salvinia após 21 dias de biodigestão.- em 20/08/2003 COMPOSIÇÃO DO BIOGÁS DE MISTURA DE PLANTAS AQUÁTICAS (APÓS 21 DIAS DE BIODIGESTÃO) ANÁLISE (% em volume) O 2 1,3 N 2 4,1 CH 4 47,0 CO 2 46,2 CO 0,

11 Tabela 5. Composição do biogás da mistura das plantas aquáticas: Eichhornia crassipes; Eichhornia azurea; Pistia stratiotes e Salvinia após 28 dias de biodigestão.- em 27/08/2003 COMPOSIÇÃO DO BIOGÁS DE MISTURA DE PLANTAS AQUÁTICAS (APÓS 28 DIAS DE BIODIGESTÃO) ANÁLISE (% em volume) O 2 1,2 N 2 3,7 CH 4 47,7 CO 2 45,7 CO 0,02 Também, foram feitas análises para a determinação de umidade, matéria orgânica total, resíduo mineral e carbono orgânico, da pasta do biodigestor, no início do experimento, conforme mostram as Tabelas 6 e 7. Tabela 6. Pesagem para determinação de parâmetros do processo de biodigestão da mistura das plantas aquáticas: Eichhornia crassipes; Eichhornia azurea; Pistia stratiotes e Salvinia PESOS (g) PASTA DO BIODIGESTOR (no início do experimento) P1 56,7163 P2 67,1887 P3 57,3221 P4 56,8762 Tabela 7. Parâmetros do processo de biodigestão da mistura das plantas aquáticas: Eichhornia crassipes; Eichhornia azurea; Pistia stratiotes e Salvinia ANÁLISE (%) PASTA DO BIODIGESTOR (no início do experimento) Umidade 94,21 Matéria Orgânica Total 73,60 Resíduo Mineral 26,39 Carbono Orgânico 40,8 2377

12 Conclusões No processo de biodigestão da mistura das plantas aquáticas: Eichhornia crassipes; Eichhornia azurea; Pistia stratiotes e Salvinia, obteve-se biogás, com teores consideráveis de Metano, viabilizando o seu aproveitamento. Além disso, também, constatou-se nos experimentos que não é necessário adicionar nenhuma quantidade de lodo à pasta da mistura das plantas, uma vez que o processo sem lodo teve ótimo desempenho quando comparado ao caso em que se adicionou lodo à pasta da mistura das plantas. Verificou-se, ainda, que a maior quantidade de Metano no biogás ocorreu com 14 dias de biodigestão no caso da mistura das plantas aquáticas sem a utilização de lodo. A biodigestão anaeróbia representa uma possível solução para o destino adequado da grande quantidade de plantas aquáticas presentes em diversos corpos hídricos. Agradecimentos Os autores agradecem ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq e à LIGHT pelo apoio financeiro prestado. Referências Bibliográficas CHERNICHARO, C. A. L., Reatores Anaeróbios, UFMG, 1997 KIEHL, E. J., Fertilizantes Orgânicos, Ed. Agronômica Séries Ltda, SP, MOTTA, F. S., Produza sua Energia Biodigestores Anaeróbios, Recife Gráfica Editora S. A., 1986 POMPÊO, M.L.M. E MOSCHINE-CARLOS, V., Macrófitas Aquáticas e Perifíton, Aspectos Ecológicos e Metodológicos, RiMa Editora,

13 Abstract Several systems of electric power generation are used of reservoirs of storage of water. A problem that constantly happens in these reservoirs is the accumulation of aquatic plants, such as: Eichhornia crassipes; Eichhornia azurea; Pistia stratiotes and Salvinia that it can cart serious problems to the system. Periodically, this biomass has to be removed and willing of appropriate form. A possible destiny is the use of the biomass in a biodigestion process, being obtained biogas. The bench biodigestor used in the experiment of biodigestion of the aquatic plants is composed of a reactor that contains the biomass and where is produced the biogas and a reservoir for the study of the biogas production. The Reactor is inside of a container containing water that can be heated up through an electric resistance, with the purpose of maintaining the temperature inside the reactor around 35 o C. The results of the analyses of the gas of the reactor done in a cromatograph to gas CG MASTER with double detector of fire ionization (DIC) and thermal conductivity (DCT) they show a percentile of the order of 50% of methane in the biogás. Also, they were made analyses for the humidity determination, total organic matter, mineral residue and organic carbon, of the biomass contained in the biodigestor. The process of biodigestion of the mixture of the aquatic plants: Eichhornia crassipes; Eichhornia azurea; Pistia stratiotes and Salvinia shows potential for the biogás obtaining, with considerable tenors of methane, in way to make possible its use. Key-words: residual biomass; aquatic plants; biodigestor; biogas 2379