OTIMIZAÇÃO DA PRODUÇÃO DE BIOGÁS EM BIODIGESTORES COM A ADIÇÃO EM LABORATÓRIO DE RESÍDUO SÓLIDO ORGÂNICO E EFLUENTE LÍQUIDO

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1 OTIMIZAÇÃO DA PRODUÇÃO DE BIOGÁS EM BIODIGESTORES COM A ADIÇÃO EM LABORATÓRIO DE RESÍDUO SÓLIDO ORGÂNICO E EFLUENTE LÍQUIDO A. D. T. RODRIGUES 1, P. A. ARROYO 2, J. P. BOTTON 3, R. SAMEK 4, J. C. C. ZANK 5 e L. T. LUCIO 6 1 Universidade Estadual de Maringá, Mestrado em Bioenergia, andre_douglas2@hotmail.com 2 Universidade Estadual de Maringá, Departamento de Engenharia Química, arroyo@deq.uem.br 3 Universidade Federal da Integração Latino-Americana, ILACVN, janine.padilha@unila.edu.br 4 Universidade Estadual do Oeste do Paraná, Mestrado em Bioenergia, ray.samek@hotmail.com 5 Universidade Estadual do Oeste do Paraná, PGESDE, zank@cibiogas.org 6 Universidade Estadual do Oeste do Paraná, PPGEA, luistiagolucio@gmail.com RESUMO: A produção de biogás e seu aproveitamento energético tem se mostrado bastante vantajosa em termos econômicos e ambientais. Este trabalho quantificou a produção de biogás utilizando biomassas como restos de alimentos (RSO) provenientes do refeitório do Parque Tecnológico Itaipu (PTI) com adição de parte do efluente líquido que alimenta o biodigestor do PTI. Dessa forma, o aproveitamento dos RSO locais diminui sua disposição no meio ambiente sem tratamento e o aproveita para produzir biogás podendo ser amplamente utilizado para fins energéticos. Os experimentos laboratoriais foram realizados no LABIOGÁS com biomassas nas proporções que variam de 8, 10 e 12% de Sólidos Totais às misturas de resíduos sólidos com e sem papel ao efluente líquido da ETE PTI. Tanto o efluente líquido quanto o RSO foram quantificados e qualificados considerando os principais fatores que influenciam o processo de produção de biogás tais como temperatura, ph, composição e diluição. PALAVRAS-CHAVE: Aproveitamento energético; Sistema de tratamento; Biogás. SUMMARY: The production of biogas and its energy use has been quite advantageous in economic and environmental terms. This study quantified the biogas production using, as biomass, food scraps (RSO) from the Itaipu Technological Park (PTI) restaurant, with the addition of part of the liquid effluent from the digester that feeds PTI s digester. Thus, the use of local RSO decreases its disposal into the environment without treatment and produces biogas which can be widely used for energy purposes. Laboratory experiments were performed at LABIOGÁS with biomass in proportions ranging from 8, 10 and 12% of Total Solids mixed to solid waste and liquid effluent, with and with out paper, from the PTI sewage treatment station (ETE). Both the liquid effluent as the RSO were quantified and qualified considering the main factors that influence the biogas processes production such as temperature, ph, composition and dilution. KEYWORDS: Energy use; Treatment system; Biogas. 1. INTRODUÇÃO O desenvolvimento de uma sociedade está diretamente ligado ao fator energético, ou seja, seu conhecimento e exploração. Devido a isto há uma crescente vulnerabilidade dos atuais mecanismos de suprimento de energia, face à dependência de recursos não renováveis como o carvão, petróleo e outros, cujo esgotamento das reservas naturais provocaria um colapso na sociedade atual. É neste contexto que as

2 fontes alternativas (eólica, solar, biomassa, pequenas centrais hidroelétricas) podem contribuir para a instauração de um modelo energético que atenda as premissas da sustentabilidade afirma LINDEMEYER (2008). BLEY et al. (2009) apontam que além da exploração das fontes de energia, outra preocupação é a ambiental, diretamente relacionada com a disposição de resíduos no meio ambiente. A biomassa residual, pela falta de mecanismos eficientes para sua degradação completa, em condições sanitárias, implica negativamente sobre a qualidade da água dos corpos d água e reservatórios de água doce. Dejetos e efluentes orgânicos dispostos sem tratamento sanitário na rede hídrica causam a eutrofização destes ambientes devido à abundância do aporte de nutrientes orgânicos. Uma das soluções para minimizar os impactos ambientais é o biogás, produto resultante da biodigestão anaeróbica de resíduos orgânicos. O biogás pode tornar-se um incremento inovador que pode fomentar a economia, nos aspectos ambientais, sociais e tecnológicos. O uso do biogás reduz a emissão de Gases de Efeito Estufa, minimiza os efeitos ambientais que estes gases provocam na sua reação em cadeia e, principalmente, de acordo com as novas políticas internacionais sobre a conservação do meio ambiente, torna-se uma nova fonte de comércio - os créditos de carbono. Em correspondência às políticas internacionais, o sistema energético nacional, cria em 2002 o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (PROINFA). Iniciam-se as atividades de aproveitamento de resíduos agropecuários em pequenas propriedades se propagam, tornando sensível a redução dos custos da produção e dos impactos ambientais no campo. Por extensão, os grandes centros urbanos que absorvem os produtos agrícolas, geram grandes quantidades de resíduos sólidos, que também podem ser manipulados, de forma similar aos resíduos rurais, na geração de biogás. Segundo PECORA (2006) a matriz energética, até então bem definida passou a ter outro componente que é a biomassa, uma fonte renovável e sustentável de energia. Esta biomassa pode ser proveniente de resíduos sólidos urbanos, efluentes industriais ou comerciais e resíduos rurais. A diversificação na matriz energética nacional permite uma exploração dos recursos e resíduos locais, além de contribuir na redução de gases de efeito estufa no meio ambiente. O presente trabalho possui como objetivo geral, quantificar a produção de biogás a partir da adição de diferentes concentrações de restos de alimento do Refeitório do Parque Tecnológico de Itaipu, no Biodigestor da ETE-PTI. Um fator importante a ser analisado é a presença de papel no resíduo do refeitório, pois juntamente com restos de alimento são colocados guardanapos de papel. Para que a produção de biogás seja máxima, foi realizado um estudo de proporções para a quantificação e qualificação dos resíduos sólidos e efluentes líquidos em laboratório para posterior utilização dos melhores resultados na unidade do biodigestor. Com o incremento na produção de biogás pela ETE PTI, o mesmo poderá ser aproveitado para diversos usos, reduzindo a quantidade de resíduos que necessitam ser transportados para finalmente serem dispostos de maneira adequada e com isso encontramos um fim nobre para o resíduo que hoje vai para o aterro sanitário municipal. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Amostragem A coleta de amostras de efluente líquido e resíduos sólidos apresentadas na Tabela 1, seguiram a metodologia descrita pela NBR 9898:1987 e NBR e 10004:2004 (ABNT, 1987) e foi realizada no dia 19/05/2014 em sete pontos de descarte do refeitório do (PANED ORO), sendo as amostras diferenciadas pela ausência e presença de papel misturado no resíduo a ser analisado onde incluem pontos de descarte da cozinha e refeitório para os Resíduos Sólidos Orgânicos (RSO) com papel e amostras de cada componente alimentar do cardápio que comporão as amostras de RSO sem papel.

3 Tabela 1 - Coleta de Amostras Amostras de Efluente Amostras de Resíduo sólido Data Hora Local Amostras Volume Temperatura Hora Local Amostras Massa RSO com papel 1 kg 19/05/ :00 ETE PTI Efluente Líquido 5 Litros 22ºC 14:30 PANED'ORO RSO sem papel 1 kg 2.2. Preparação da amostra As amostras, de acordo com sua composição, foram transferidas para um recipiente próprio onde se efetuou a homogeneização, quarteamento e trituração do RSO ( 10 mm) que em seguida foram enviadas ao laboratório de biogás LABIOGÁS, do CIBiogás-ER (Centro Internacional de Energias Renováveis com Ênfase em Biogás). Os Sólidos Totais (ST) foram determinados pela secagem da amostra num cadinho por 24 horas a uma temperatura de 105 C. Os Sólidos Voláteis (SV) foram determinados através de uma ignição posterior dos sólidos totais a 600 C durante 2h. A diferença de massa entre os sólidos totais e os sólidos fixos (cinzas) foi tomado como sendo a massa de sólidos voláteis da amostra. Toda a metodologia seguiu as normas do Standard Methods for Examination of Water and Wastwater Estão incluídas a determinação de Sólidos Totais, Fixos e Voláteis, bem como o preparo das amostras, que incluem numeração, pesagens das amostras de resíduos misturadas com efluente líquido para teste de fermentação, considerando as proporções de Sólidos Totais que variam de 8, 10 e 12% de Sólidos Totais às misturas de RSO com e sem papel ao efluente líquido da ETE PTI. Seus resultados são apresentados na Tabela 2. A quantidade de resíduo sólido a ser adicionado ao efluente líquido foi calculada conforme fórmula de balanço de massa que relaciona Sólidos Totais e Sólidos Voláteis contido nas mesmas e não pode ultrapassar 3,5 g de Sólidos Voláteis no digestor, conforme VDI 4630 (2006). A combinação de biomassas na preparação das amostras foi estudada no momento da definição de quais concentrações foram utilizadas, de maneira que sejam respeitadas as quantidades máximas de 8, 10 e 12% de matéria seca nas amostras. A Equação (1) representa a fórmula genérica do balanço de massa para duas ou mais biomassas P1.(%MS1) + P2.(%MS2) + P3.(%MS3) + + Px.(%MSx) = P1+P2+P3+...+Px). (MSd) Σ P.(% MS)=Pt. (% MSd) (1) 2.3. Experimento de Batelada O ensaio da produção específica de biogás em laboratório, sob condições de fermentação controlada foi realizada de acordo com a norma VDI 4630 (2006). O inóculo utilizado foi obtido dos biodigestores de dejetos de suinocultura e bovinocultura (1:1), alimentado com farinha de milho e cultivado em anaerobiose no LABIOGÁS, sob temperatura controlada para manter a atividade microbiana. As amostras foram fermentadas em triplicata. No digestor foi medida a massa da amostra a ser ensaiada e a massa (200g) do inóculo adicionado. O digestor foi incubado em banho-maria com temperatura de (37,0±2,0) C. A quantidade de Biogás produzido foi mensurada diariamente a partir da escala (ml) do eudiômetro. O ph foi monitorado no início e fim do experimento, que teve duração de 50 dias. A análise prossegue até o registro da taxa de produção de biogás de 1% do volume total do biogás produzido até então e avaliam-se os resultados através dos gráficos que demonstrem as curvas de frequência acumulada de biogás VDI 4630 (2006). A Figura 01 demonstra alguns comportamentos típicos das curvas de frequência acumulada de biogás.

4 Figura 01 - Curvas típicas de frequência acumulada da produção de biogás A produção líquida de biogás é a diferença entre a produção de biogás do substrato no teste de fermentação e a produção de biogás do inóculo. 3 RESULTADOS E DISCUSSÕES 3.1. Quantificação do Resíduo Sólido Orgânico A quantificação dos resíduos sólidos realizada de apresentou uma elevada produção de material orgânico (restos de alimento), o que demonstra a viabilidade da adição desta biomassa através de um sistema de dosagem que permite o enriquecimento da matéria prima utilizada na produção de biogás. A Figura 2 apresenta os resultados obtidos com a quantificação dos resíduos sólidos orgânicos (RSO). Figura 02 Quantificação dos Resíduos Sólidos Orgânicos no período de 12 dias. Os dados levantados em pesquisa a campo para esta biomassa apontam para disponibilidade de aproximadamente 900 kg de rejeitos de comida e sobras de preparo e cocção de alimentos semanalmente no restaurante administrado pela empresa PANE DORO, e aproximadamente 200 kg de biomassa semelhante no restaurante administrado pela empresa PRESTIVEL Sólidos Totais, Fixos e Voláteis Seguindo o procedimento listado anteriormente, foram obtidos os resultados das análises de Sólidos das amostras são demonstrados na Tabela 2.

5 Tabela 2 - Dados de sólidos das amostras Amostra Sólidos Totais Sólidos Voláteis Sólidos Fixos (g/kg) (g/kg) (g/kg) ph UD PTI 1,01 801,56 198,44 6,94 RSO 285,41 951,24 48,76 5,36 RSOp 423,05 140,71 859,29 6,27 M1 (8% ST) 82,19 949,29 50,71 M2 (10% ST) 101,34 949,64 50,36 M3 (12% ST) 120,51 949,88 50,12 MP1 (8% ST) 81,83 853,77 146,23 MP2 (10% ST) 103,6 853,91 146,09 MP3 (12% ST) 122,09 853,98 146,02 Para se alcançar as proporções de 8%, 10% e 12% de ST nas misturas, foram calculadas as quantidades para a preparação de cada amostra, conforme Tabela 3. Tabela 3 - Massa utilizada na Incubação (g) Amostra líquida* Sólida* Total (Sólida + Líquida) Inóculo UD PTI 192,45 192,45 14,09 RSO 8,82 8,82 201,65 RSOp 6,22 6,22 205,9 M1 (8% ST) 8,52 21,41 29,93 200,53 M2 (10% ST) 8,37 15,42 23,79 200,1 M3 (12% ST) 8,41 11,66 20,07 201,03 MP1 (8% ST) 6,21 26,48 32,69 201,89 MP2 (10% ST) 6,25 19,67 25,92 201,65 MP3 (12% ST) 6,09 15,31 21,4 202,43 De acordo com a Tabela 4, observou-se que a amostra M1, constituída pelo Resíduo Sólido Orgânico sem papel + efluente UD PTI com a concentração de 8% ST foi a amostra que mais produziu biogás e metano entre as concentrações analisadas, produzindo um volume de 724,87 Lnbiogás*kg -1 sv seguido das amostras MP1 (8% Sólidos totais) que atingiu a produção de 712,55 Lnbiogás*kg -1 sv. Amostra UD PTI RSO RSOp M1 (8% ST) M2 (10% ST) M3 (12% ST) MP1 (8% ST) MP2 (10% ST) MP3 (12% ST) *Base seca; ** Base úmida Substrato*** in natura (kg) necessário para obter 1 kg de SV 1,26 300, ,53 86,58 106,71 126,86 95,84 121,32 142,96 Tabela 4 - Resultados da produção específica de biogás e metano Produção de Biogás ln Biogás. kg SV-1 349,08 684,46 669,13 724,87 670,21 653,72 712,55 705,91 674,08 Produção de Metano Ln CH4. kg SV-1 193,99 566,34 544,36 618,57 547,85 526,08 558,59 565,11 534,12 Volume de Biogás (L) produzido por 1 kg de substrato in natura 277,05 2,28 0,22 8,37 6,28 5,15 7,43 5,82 4,72 Volume de metano (L) produzido por 1 kg de substrato in natura A Tabela 04 demonstra que as amostras compostas com 12% de ST foram as que menos produziram biogás, cerca de 10% a menos do que as amostras com 8% de ST, o que significa uma importante 153,96 1,89 0,18 7,14 5,13 4,15 5,83 4,66 3,74

6 informação para a concentração de biomassa a ser utilizada na Unidade de produção de biogás UD PTI que se encontra em fase de planejamento. Outro ponto importante de ser salientado é que 85% do biogás produzido com 8% ST é de metano, enquanto que na amostra com 12% ST esta concentração é de 80% de metano. Pode-se dizer que à medida que é aumentada a concentração de ST, diminui a produção de biogás e também a quantidade de metano no produto final. As Figuras 03 e 04 demonstram o comportamento da produção do biogás entre as amostras com maior produtividade de biogás e metano (M1 e MP1), analizadas em triplicata e representadas pelas Linhas 1, 2 e 3 do gráfico. De acordo com as curvas típicas de frequência acumulada da produção de biogás representada pela Figura 01, fica claro que as amostras selecionadas apresentam um comportamento normal na produção de biogás. Figura 03 - Comportamento da produção de Biogás de M1 Figura 04 - Comportamento da produção de Biogás de MP1 Considerando a produção de biogás da amostra de RSO sem combinação com outras, organiza-se estes dados a uma lógica de cálculo fornecendo: 1100 kg de RSO com 28,54% de ST fornecem 313,94 kg de matéria seca, dos quais 95,12% são SV, portanto, 298,61 kg de SV deste total semanal concluem-se com um potencial de produção de biogás aproximado de 204,38 m³ de biogás e 169,11 m³ de metano, para biomassa em condições ideais controladas em laboratório Combinação de Biomassas A combinação de biomassas na alimentação do biodigestor deve ser estudada no momento da definição de quais concentrações de ST serão utilizadas, de maneira que seja respeitada a quantidade máxima de matéria seca na mistura. Sendo fornecidos diariamente 1100 kg de RSO com 28,54% de ST, e considerando que o efluente líquido (y) possua 0,1% de ST, desta forma a segunda biomassa diluirá a primeira, e teremos que definir o

7 peso a ser inserido para diluir o material que tem maior dificuldade de ser armazenados, para nosso caso, os rejeitos de alimento. x.(28,5%) + y.(0,1%) = (x+y).(8%) 1100(0,28) + y (0,001) = ( y) (0,08) ,001 y = ,08 y 0,079 y = 220 Y = 2784,81kg / dia ou 2,78 m 3 de Efluente líquido A tendência do valor do ph e o espectro de ácidos graxos presentes são indicadores importantes da qualidade e estabilidade da fermentação anaeróbia. Os resultados de ph para o resíduo sólido ficaram na faixa de 6,5 e segundo COLEN (2003) este é um fator extremamente importante no processo de formação de biogás. 4. CONCLUSÃO A utilização de diversos resíduos na produção de biogás é extremamente importante quando se busca sustentabilidade através da correta destinação final aliada à economia, além de evitar todos os impactos ambientais decorrentes da disposição indevida dos resíduos sólidos e líquidos. Com a realização do experimento e levantamento dos dados, foi possível mensurar a quantidade de biogás e metano gerado que cada quilograma de resíduo sólido orgânico pode produzir e determinar a concentração ideal de resíduo sólido a ser adicionado ao efluente líquido, que indicou a concentração de 8% de ST sem papel como a que mais produziu biogás e metano com a menor quantidade de substrato, visando a consequente otimização da produção de biogás e gerar informações que fundamente futuras decisões de dimensionamento e manejo da Unidade de Demonstração e Produção de Biogás UD PTI e outras plantas de produção de biogás. É importante salientar que tal estudo deve ser realizado toda vez que houver variação da biomassa utilizada, pois o comportamento do sistema de biodigestão pode alterar. 5. NOMENCLATURA M1 RSO + 8% de ST M2 RSO + 10% de ST M3 RSO + 12% de ST MP1 RSOp + 8% de ST MP2 RSOp + 10% de ST MP3 RSOp + 12% de ST P Peso da biomassa (kg); MS Matéria Seca da biomassa (%); MSd Matéria Seca desejada (%); Pt Peso total (kg); RSO Resíduo Sólido Orgânico RSOp Resíduo Sólido Orgânico com papel ST Sólidos Totais (%); SV Sólidos Voláteis; UD PTI Efluente Líquido 6. REFERÊNCIAS ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas NBR Preservação e Técnicas de amostragem de efluentes líquidos e corpos receptores. Rio de Janeiro, 1987.

8 ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas NBR 10004: Classificação de Resíduos Sólidos. Rio de Janeiro, BLEY JR, C.; LIBÂNO, J.; GALINKIN, M.; OLIVEIRA, M. Agroenergia da Biomassa Residual: Perspectivas Energéticas, Socioeconômicas e Ambientais. 2ª ed. rev. - Foz do Iguaçu/Brasília: Itaipu Binacional, Organização das Nações Unidas para Agricultura e Alimentação, TechnoPolitik Editora,2009. BRASIL Ministério de Minas e Energia. LEI Nº , DE 26 DE ABRIL DE Disponível em: < COLEN, F. Potencial Energético do Caldo de Cana-de-Açúcar Como Substrato em Reator UASB. Dissertação (doutorado) - Faculdade de Ciências Agronômicas, Universidade Estadual Paulista, UNESP, Botucatu Disponível em: < LINDEMEYER, R. Análise da Viabilidade Econômico-Financeira do uso do Biogás como Fonte de Energia Elétrica. Universidade Federal de Santa Catarina, Departamento de Ciências da Administração. Florianópolis, Disponível em: < PECORA, V. Implantação de uma Unidade Demonstrativa de Geração de Energia Elétrica a Partir do Biogás de Tramento do Esgoto Residencial da Usp Estudo De Caso. Dissertação (mestrado). Universidade de São Paulo, Programa Interunidades de Pós-Graduação em Energia. São Paulo, Disponível em: < VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE RICHTLINIEN A Fermentação de Materiais Orgânicos Caracterização do Substrato, Amostragem, Coleta De Dados de Materiais e Testes de Fermentação. Düsseldorf, AMERICAN PUBLIC HEALTH ASSOCIATION; AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION; WATER ENVIRONMENT FEDERATION. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 21st Edition, 2005.