UNIVERSIDADE CATÓLICA DE PETRÓPOLIS CENTRO DE ENGENHARIA E COMPUTAÇÃO CURSO DE ENGENHARIA CIVIL

UNIVERSIDADE CATÓLICA DE PETRÓPOLIS CENTRO DE ENGENHARIA E COMPUTAÇÃO CURSO DE ENGENHARIA CIVIL BIODIGESTOR CASEIRO FABRICADO COM MATERIAIS SIMPLES, DE BAIXO CUSTO E FÁCIL CONSTRUÇÃO PARA A GERAÇÃO DE BIOGÁS Petrópolis 2011 SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO...7 2 BIOGÁS...8 2.1 DEFINIÇÃO...8 2.2 BACTÉRIAS METANOGÊNICAS...9 2.3 DIFERENTES TIPOS DE BIOMASSA...11 3 BIOFERTILIZANTE...13 4 BIODIGESTOR...14 4.1 DEFINIÇÃO...14 4.2 TIPOS DE BIODIGESTORES...15 4.2.1 De acordo com a modelagem...15 4.2.1.1 Chinês...15 4.2.1.2 Indiano...16 4.2.2 De acordo com o sistema de abastecimento...17 4.2.2.1 Contínuo...17 4.2.2.2 Descontíno ou Batelada...18 5 BIODIGESTOR CASEIRO DE FÁCIL CONSTRUÇÃO...19 5.1 APRESENTAÇÃO...19 5.2 FERRAMENTAS E MATERIAIS NECESSÁRIOS...19 5.3 MONTAGEM...23 6 CONCLUSÃO...31 7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...34 1 INTRODUÇÃO

O grande aumento populacional e as novas tecnologias criadas para atender a essa demanda e proporcionar cada vez mais bem-estar e conforto ao ser humano tem como consequência direta o maior consumo, gerando um significativo agravamento da crise energética vivida na atualidade. Os altos custos para extração e geração de energia, que são automaticamente repassados para o consumidor final, tem comprometido o orçamento doméstico, já estreito, das famílias de baixa renda. A busca por novas tecnologias, através das fontes de energias renováveis, é a solução para equacionar o grave problema da escassez de energia. Uma das alternativas que vem atingindo grande êxito é a utilização de biodigestores para aproveitamento do biogás, conversão de biomassa sólida ou pastosa em gás e biofertilizante. A construção de biodigestores de menor capacidade de armazenamento possibilita a drástica redução nos custos por ocasião de sua implantação, sendo o investimento inicial recuperado em poucos meses, somente com a economia do gás GLP (Gás Liquefeito de Petróleo). Esse tipo estudado é um biodigestor de fácil construção, podendo utilizar a mãode-obra dos próprios moradores e parte da matéria-prima de material reciclado como tambores e bombonas de plástico, de fácil aquisição. Essa pesquisa objetiva usar o esgoto domiciliar para obter o biogás, através de um biodigestor extremamente eficiente, prático, simples, limpo e barato. Além disso, busca propor um modelo de biodigestor caseiro com características reduzidas, bombona com depósito de 150 litros, captando o esgoto domiciliar para gerar biogás, que pode ser acessível a famílias de baixa renda compostas, em média, por quatro indivíduos. Esse biogás deverá ser utilizado na cozinha, em substituição ao gás GLP. 2 BIOGÁS

2.1 DEFINIÇÃO O Biogás também é conhecido como gás metano e queima provocando o mínimo de poluição. É um gás sem cor e sem cheiro, altamente inflamável, produzindo uma chama de coloração azul-clara. É produzido através da fermentação, ocorrida em condições anaeróbicas, de dejetos tanto de natureza animal quanto vegetal e de lixo residencial e industrial promovida por bactérias metanogênicas. O biogás tem alto poder calorífico, aproximadamente 6.000 Kcal, sendo composto basicamente por dois gases, o gás metano (CH4) e o gás carbônico (CO2). A qualidade do biogás se dá de acordo com a percentagem de metano, que, quanto maior, melhor será. O metano também está relacionado diretamente com a qualidade do poder calorífico do biogás. O biogás permite a produção de calor e de energia elétrica, sendo uma excelente opção de fonte de energia renovável. 2.2 BACTÉRIAS METANOGÊNICAS No interior do biodigestor, as bactérias metanogênicas realizam o processo de digestão anaeróbica, isto é, com ausência de oxigênio, agindo sobre a estrutura de matérias orgânicas complexas a fim de gerar compostos mais simplificados, como metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), água (H2O), entre outros. Para se desenvolverem, elas extraem dos materiais orgânicos energia e nutrientes e necessitam de dióxido de carbono, um agente redutor, um substrato oxidável e uma fonte de nitrogênio, geralmente amônia (NH3). Variadas espécies de bactérias, de atributos diferentes, são responsáveis pela transformação do material orgânico em substâncias químicas, mas somente as bactérias anaeróbicas metanogênicas são capazes de produzir o gás metano. Uma queda brusca na temperatura pode afetar significamente a sua porcentagem de crescimento e produção de biogás. 2.3 DIFERENTES TIPOS DE BIOMASSA Em princípio, todos os materiais de origem orgânica podem servir de substrato para um biodigestor, embora uns tenham rendimentos energéticos mais interessantes que outros. No entanto, apenas os substratos mais líquidos e homogêneos são considerados para biodigestores mais simples: fezes e urina de humanos, bovinos, suínos e aves. Resíduos e águas residuais das

indústrias de processamento de alimentos só são adequados para biodigestores simples se forem homogêneos e na forma líquida. O potencial de produção de gás depende do tipo de substrato. Dentre os materiais que podem ser utilizados como substratos para os biodigestores, estão: esterco de gado, suínos, aves, etc; resíduos vegetais, como restos de culturas, palha, capim, etc. e lixo residencial e industrial. Além desses, também se pode usar lenha, carvão vegetal obtido pela queima da madeira em fornos especiais, óleos vegetais provenientes de plantas oleaginosas, como a soja, a mamona, etc, resíduos sólidos e líquidos urbanos. Os resíduos sólidos podem vir de comércios, hospitais, indústrias, casas, agricultura, serviços e varrição e os resíduos líquidos urbanos são provenientes dos efluentes domésticos e industriais, resíduos sólidos agrícolas oriundos da criação de animais e do processamento da produção das plantações e cultivos, canade-açúcar, dentre outros. A tabela 1 mostra a quantidade de calorias de algumas das principais matérias orgânicas de origem animal e o volume de gás gerado por cada uma delas. Matérias orgânicas FONTE Excrementos Humanos Galinha Vaca Porco VOLUME DE GÁS (M 3 ) QUANTIDADE DE CALORIAS (CAL) 0.030 0.015 0.240 0.270 150 75 1200 1350 Tab. 1. Algumas matérias orgânicas de origem animal. 3 BIOFERTILIZANTE

O biofertilizante é o resíduo sobrenadante encontrado no biodigestor, resultante da digestão anaeróbica de materiais orgânicos. Segundo algumas estatísticas já publicadas, mais de 40% dos possuidores de biodigestores tinham como finalidade o uso do adubo, considerando o gás como um subproduto. O biofertilizante é um dos adubos orgânicos mais potentes, pois os percentuais de Nitrogênio, P2O5 (pentóxido de fósforo), K2O (óxido de potássio) e água são consideráveis, independentemente da matéria orgânica utilizada, mantendo, assim, todos os nutrientes que as plantas necessitam para sua sobrevivência. É um adubo orgânico, totalmente inodoro, sem agentes patogênicos que possam acarretar doenças e pragas às plantas e que melhora a retenção de água e a estrutura do solo, contribuindo de forma notável no restabelecimento do teor de matéria orgânica do solo. Além do uso no solo, ele também pode ser empregado na fabricação de ração para animais. 4 BIODIGESTOR

4.1 DEFINIÇÃO Biodigestor é um reservatório, protegido do contato com o ar, que se utiliza da fermentação, promovida por bactérias anaeróbicas, de dejetos (podendo ser de origem animal ou vegetal) ou até mesmo do lixo gerado pelas residências ou pelas indústrias para obter um gás denominado Biogás. Os biodigestores surgem como uma excelente alternativa para tentar resolver, ou ao menos minimizar, os problemas causados por certos resíduos, porque, além de tratarem materiais poluentes para serem usados como adubos, eles ainda produzem um combustível, sendo uma fonte de energia alternativa e eficiente para a população. 4.2 TIPOS DE BIODIGESTORES São vários os tipos de biodigestores. A maioria deles é composta pelas seguintes partes: um tanque para abrigar e permitir a digestão da biomassa e o gasômetro para armazenar o biogás. A seguir, estão os modos como os biodigestores podem ser classificados. 4.2.1 De acordo com a modelagem Existem muitos modelos de Biodigestores: Chinês, Indiano, Canadense, Paquistanês, Filipino, Tailandês, dentre outros, sendo os dois primeiros os mais utilizados no Brasil, pelo seu baixo custo, eficiência e fácil manutenção e, por esse motivo, sendo detalhados a seguir. 4.2.1.1 Chinês Os biodigestores do tipo Chinês são feitos quase que totalmente de alvenaria, sendo quase todos cravados no solo. O biodigestor deve ser totalmente vedado para que não ocorra vazamento de gás. Neste tipo de biodigestor, uma parcela do gás formado na caixa de saída é liberada para o ar atmosférico, reduzindo, em partes, a pressão de instalações de grande porte. No momento em que há intensa produção de biogás, a pressão no interior do biodigestor aumenta consideravelmente e o efluente da câmara de digestão se transfere para a caixa de saída e, quando há uma descompressão, ele vai para o sentido inverso. Para deixar a pressão no nível

em que se deseja, pode-se usar uma válvula. Esse modelo desobriga o uso de uma cúpula móvel para armazenar o biogás, o gasômetro, em chapa de aço, implicando na redução dos custos. O biogás obtido é levado ao local em que se deseja usá-lo por meio de tubos e conexões soldáveis em PVC. Fig.1 Biodigestor tipo chinês 4.2.1.2 Indiano Os Biodigestores do tipo Indiano são de alvenaria, tem o formato de um poço, sendo o local onde ocorrem os processos de fermentação. Tem uma campânula de metal como gasômetro, que mantém a pressão do biogás em níveis constantes, uma vez que, quando o volume de gás gerado não é consumido imediatamente, ela se move na vertical para aumentar seu volume. Ela pode estar submersa na biomassa ou em um selo d água externo, evitando perdas durante a produção de gás. Diferentemente do modelo Chinês, o Indiano apresenta a possibilidade de modificar a profundidade do digestor em função do diâmetro, quanto menor a profundidade, maior deve ser o diâmetro, não tendo a necessidade de ficar enterrado no solo. No entanto, há dificuldade para instalar sua campana móvel e de ferro em áreas de difícil acesso ou que não possuam energia elétrica, além de necessitarem de manutenções constantes e muito encarecidas de suas partes metálicas. Os modelos de lona são de fácil montagem, porém requerem cuidados especiais para não serem rompidos por agressores externos.

Fig.2 Biodigestor modelo indiano 4.2.2 De acordo com o sistema de abastecimento 4.2.2.1 Contínuo Os biodigestores de modelagem Chinesa e Indiana são do tipo operação em modo contínuo. Nestes tipos de biodigestores, a produção de gás e de biofertilizante é contínua. Funcionam com depósito de cargas diárias de matéria orgânica, que é introduzida na cuba de fermentação, com um determinado volume de diluição, que depende do tipo de matéria orgânica a ser utilizada, onde fica depositada durante vários dias. Depois de carregada, inicia-se a fermentação, certificando-se da estabilização do sistema. A grande maioria dos biodigestores de sistema de abastecimento contínuo é classificada em vertical e horizontal. Os biodigestores verticais, tem um tanque de alvenaria de formato cilíndrico com a altura maior do que a largura e o comprimento, quase todo enterrado no solo, sendo a matéria orgânica inserida na parte de baixo, com saída e acumulação do gás na parte de cima, que é devidamente vedada. Já os biodigestores horizontais são abastecidos por um dos lados de sua câmara. apresentam formatos variados com a altura sendo inferior à largura e ao comprimento, podendo ser ou não enterrados no solo. 4.2.2.2 Descontínuo ou batelada

Esse tipo de biodigestor possui um sistema muito simples e de pouco desejo operacional. Sua instalação pode ser apenas um reservatório anaeróbico, ou vários em conjunto. Diferente do sistema de operação contínua, este não tem funcionamento regular. É abastecido de uma única vez, sendo sua biomassa digerida mantida por um período de tempo bastante proveitoso até que se encerre a produção de biogás, que é armazenado no próprio reservatório ou em um gasômetro acoplado a este. Ocorrido isso, o biodigestor deve ser aberto, limpo, o biofertilizante resultante removido e recarregado com nova quantidade de substrato e, assim, se inicia um novo processo. 5 BIODIGESTOR CASEIRO DE FÁCIL CONSTRUÇÃO

5.1 APRESENTAÇÃO O modelo de biodigestor caseiro proposto terá como base o tipo indiano, mas serão feitas adaptações e modificações. Ele será de operação contínua, construído a partir de uma bombona de plástico, com capacidade de 150 litros captando o esgoto doméstico para fornecer biogás, que será acessível a famílias de baixa renda compostas por, aproximadamente, quatro pessoas. O biogás obtido pelo biodigestor será utilizado na cozinha, substituindo o gás GLP. É um biodigestor de fácil construção, extremamente eficiente, prático, simples, limpo, barato e durável, podendo ser feito por qualquer pessoa. 5.2 FERRAMENTAS E MATERIAIS NECESSÁRIOS Os materiais utilizados para a construção desse biodigestor são os seguintes: - Bombona de plástico de 150 litros: usada para armazenar o biofertilizante já fermentado. - Bombona de plástico de 30 litros: usada para funcionar como uma câmara de fermentação. - Tubo de PVC de 75 mm: usado no local de entrada e saída de matéria orgânica. - Tubo de PVC de ¾ : usado para o local de saída do biogás. - Registro de gás de ¾ : usado para controlar a saída do biogás. - Joelho de ¾ : usado para ligar o tubo de PVC de ¾, que está na bombona, ao tubo de PVC de ¾, que está no registro. - Joelho de 75 mm: usado colado no tubo de PVC de 75 mm, por onde sai o biofertilizante, promovendo um caimento para que o mesmo não saia com pressão para uma direção inadequada. - Cola de PVC: usada para colar o joelho no tubo de PVC de 75 mm, por onde sai biofertilizante. - Flange de 25 mm: usada para enroscar o tubo de PVC de ¾ na bombona. - Lacre de metal: usado para vedar a tampa do biodigestor, para impedir a entrada de ar. - Durepoxi: usado para fixar os canos na bombona. - Fita Veda Rosca: usada na rosca para que os canos de saída do biogás se encaixem melhor e não haja vazamento.

- Redutor de ¾ : usado para que o bico de ½ possa ser encaixado. - Bico de ½ : local onde o biogás será coletado. - Tampa de 75 mm: usada para evitar a entrada de ar nos dois tubos de PVC de 75 mm, por onde ocorre a entrada de matéria orgânica e saída do biofertilizante. - Anel de borracha de 75 mm: usados nas tampas de 75 mm para promover vedação mais segura. A tabela 2 mostra a quantidade e o preço dos materiais utilizados. Material Quantidade Valor (R$) Tubo PVC 75 mm 1.70 m 15,65 Tubo PVC ¾ 0.30 m 2,00 Bombona 150L com lacre de metal 1 38,00 Bombona 50L 1 3,00 Registro gás ¾ 1 11,80 Joelho ¾ 1 0,70 Joelho 75 mm 1 3,80 Cola PVC 1 tubo (17g) 1,20 Flange 25 mm 1 6,95 Durepoxi 1caixa (100g) 4,00 Fita Veda Rosca 1 rolo 1,30 Redutor ¾ 1 0,60 Bico ½ 1 1,20 Tampa 75 mm 2 3,90 Anel borracha 75 mm 2 3,00 TOTAL R$ 97,10 Tab. 2. Quantidade e preço dos materiais utilizados. 5.3 MONTAGEM

A montagem consiste na construção de um biodigestor caseiro, conforme o esquema da figura 3 abaixo: Fig. 3 Esquema do biodigestor caseiro. H = altura do tubo de saída em relação ao fundo da bombona maior; He = altura externa; Hi = altura interna; De = diâmetro externo; Di = diâmetro interno; Pe = perímetro externo; Pi = perímetro interno; Ve = volume externo; Vi = volume interno. A montagem deve seguir as seguintes etapas: Primeiramente, devem ser feitas adaptações no lacre de metal para que o mesmo possa ser reduzido para se encaixar com firmeza na bombona utilizada. Utiliza-se uma bombona de 150 l. Na tampa devem ser feitas dois orifícios: um para encaixar o tubo de 75 mm por onde entrará a matéria orgânica, sendo vedado com uma tampa, também de 75 mm, e colado com durepoxi e o outro orifício para que o flange possa ser adaptado para a saída do biogás.

No tubo de 75 mm, devem ser feitos vários orifícios para que haja um melhor fluxo na entrada da matéria orgânica. Este tubo deve ser posicionado para que ele chegue até o fundo de onde será depositada a matéria orgânica utilizada. Dentro da bombona de 150 l, coloca-se uma bombona de 30 l para o armazenamento da matéria orgânica. Nessa bombona menor, deve ser colocado um apoio de madeira para que a mesma possa aderir melhor ao fundo da bombona maior. Depois, deve ser feito um orifício ao lado da bombona maior, para a saída do biofertilizante, colando um tubo de 75 mm em um joelho de 90 com cola de PVC, vedando-se com a tampa de 75 mm. O tubo é fixado à bombona com durepoxi. Ao final, é feita toda a montagem da saída do biogás, enroscando-se o cano de ¾ ao flange, com o joelho, o registro e o redutor, também de ¾, e finalizando com o bico de ½. Utiliza-se, em todos os rosqueamentos, a fita veda rosca. 6 CONCLUSÃO

Fica clara a viabilidade do projeto do biodigestor, apesar da dependência de testes a serem realizados para evidenciarem o bom funcionamento do modelo proposto. O mesmo apresenta baixo custo e ainda oferece a possibilidade de reduzir ainda mais este valor, utilizando materiais alternativos, diferente dos aqui apresentados. Além desse aspecto, observe-se que a maioria do material empregado tem como base o plástico e o PVC, o que significa dizer que são produtos de alta durabilidade, evitando danos como a corrosão ocasionada pelo gás, entupimentos nas tubulações, rompimentos e outros problemas. Igual vantagem é verificada nos produtos utilizados para vedação. Faz-se necessário apenas uma revisão a título de segurança por ocasião das lavagens. Estas, são feitas de maneira bem prática, visto que o tamanho, o peso e a capacidade da bombona facilita o seu manuseio. Objetivando facilitar a limpeza e a manutenção do biodigestor, optou-se por mantê-lo externamente, acondicionado em local arejado e coberto, possibilitando, com isso, uma estabilidade térmica. Quanto à segurança, este modelo possibilita uma verificação diária. A implantação desses biodigestores podem ser aplicadas em comunidades populares, com objetivo de incentivar projetos paralelos, como: destinação correta do esgoto doméstico; criação de hortas comunitárias utilizando o biofertilizante; aprimoramento da educação ambiental da própria comunidade; criação de grupos para transferência dessa tecnologia para outras regiões, buscando, quando necessário, parcerias com ONGs e com o poder público; utilização de outros biodigestores, neste caso, mudando-se o foco da geração de gás para a captação de energia elétrica. O uso desse biodigestor por famílias de baixa renda significará um impacto na renda familiar quase que imediato, pois a economia advinda do gás tradicional representará uma economia mensal no orçamento doméstico. Saliente-se que a utilização de biodigestores é fator preponderante quando se fala em sustentabilidade, uma vez que minimiza impactos ambientais, pois oferece uma destinação adequada aos diversos tipos de resíduos orgânicos e, ainda, obtém-se um subproduto, o biofertilizante, que tem alto valor comercial, contribuindo para a diminuição de gastos na agricultura.

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS COMASTRI FILHO, José Anibal. Biogás. Independência Energética do Pantanal Mato- Grossense. Corumbá, EMBRAPA/UEPAE, 1981.53p. (Circular Técnica, n. 9). Disponível em: < www.cpap.embrapa.br/publicacoes/online/ct09.pdf > Acesso em: 14 nov. 2010. 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. Disponível em: <http://terraespiritual.locaweb.com.br/2011/omundo/ecologia/eco_pdf/biodigestor2.pdf> Acesso em: 7 mar. 2011. PINTO, Daniel Cavalcante et al. Lixo é Energia. Rio de Janeiro, 2007. Disponível em: <http://www.educacaopublica.rj.gov.br/fecti/2007/00_trabalhos.htm> Acesso em: 10 mar. 2011. SALOMOM, Karina Ribeiro; TIAGO FILHO, Geraldo Lúcio. Biomassa. Itajubá, Minas Gerais, CERPCH, 2007. Disponível em: <http://www.cerpch.unifei.edu.br/biodigestor.php> Acesso em: 7 mar. 2011 TECNOLOGIA DE BIOGÁS E BIOENERGIA. Biogás Bonanza para o Desenvolvimento do Terceiro Mundo. Costa Rica, 2009. Disponível em: <https://sites.google.com/a/biomassa.eq.ufrn.br/teconologia-de-biogas/biogas> Acesso em: 16 mar. 2011 WINROCK INTERNATIONAL BRASIL. Manual de Biodigestão. Salvador, Bahia, 2000. Disponível em: <http://www.neppa.uneb.br/textos/publicacoes/manuais/manual_biodigestor_winrock.pdf> Acesso em: 10 mar. 2011.