A digestão anaeróbica é um processo no qual microrganismos decompõem material biodegradável na ausência de oxigênio. Os produtos disso são o biogás (uma mistura de dióxido de carbono (CO2) e metano) e o digerido (um fertilizante rico em nitrogênio). O biogás pode ser queimado para produzir calor ou pode ser limpo e utilizado da mesma forma que o gás natural ou como combustível para automóveis. O resíduo digerido é rico em minerais e pode ser usado como fertilizante agrícola ou condicionador de solo.
Conteúdo
Aplicativo
O processo anaeróbio úmido é amplamente utilizado para tratar lodos de águas residuais e resíduos orgânicos , pois proporciona redução de volume e massa do material de entrada. Como parte de um sistema integrado de gestão de resíduos, a digestão anaeróbica reduz a emissão de gases de aterro na atmosfera.
A digestão anaeróbica seca também tem sido amplamente utilizada. Por exemplo, existe o sistema Axpo Kompogas AG. Este é um sistema totalmente desenvolvido e produziu 27 milhões de Kwh de eletricidade e biogás em 2009. O mais antigo dos camiões próprios da empresa atingiu 1.000.000 de quilómetros percorridos com biogás proveniente de resíduos domésticos nos últimos 15 anos. [1]
A digestão anaeróbica é uma fonte de energia renovável porque o processo produz um biogás rico em metano e dióxido de carbono, adequado para a produção de energia, ajudando a substituir os combustíveis fósseis. Além disso, os sólidos ricos em nutrientes que sobraram após a digestão podem ser usados como fertilizante.
Processos
Existem 2 tipos de processos: o processo de digestão anaeróbica úmida e o processo de digestão anaeróbica seca . Em ambos os tipos de processo, há uma série de bactérias envolvidas no processo de digestão anaeróbica, incluindo bactérias formadoras de ácido acético (acetógenos) e bactérias formadoras de metano (metanógenos). Estas bactérias alimentam-se da matéria-prima inicial, que passa por vários processos diferentes, convertendo-a em moléculas intermediárias, incluindo açúcares, hidrogénio e ácido acético, antes de finalmente ser convertida em biogás.
Diferentes espécies de bactérias são capazes de sobreviver em diferentes faixas de temperatura. Aqueles que vivem de forma ideal em temperaturas entre 35-40°C são chamados de mesófilos ou bactérias mesófilas. Algumas das bactérias podem sobreviver em condições mais quentes e hostis de 55-60°C, são chamadas termófilas ou bactérias termófilas. Os metanógenos vêm do grupo primitivo de archaea. Esta família inclui espécies que podem crescer nas condições hostis das fontes hidrotermais. Essas espécies são mais resistentes ao calor e, portanto, podem operar em temperaturas termofílicas, propriedade exclusiva das famílias bacterianas.
Tal como acontece com os sistemas aeróbicos, as bactérias nos sistemas anaeróbicos, os microrganismos em crescimento e reprodução dentro deles, requerem uma fonte de oxigênio elementar para sobreviver.
Em um sistema anaeróbico há ausência de oxigênio gasoso. Em um digestor anaeróbico, o oxigênio gasoso é impedido de entrar no sistema através da contenção física em tanques selados. Os anaeróbios acessam o oxigênio de outras fontes além do ar circundante. A fonte de oxigénio para estes microrganismos pode ser o próprio material orgânico ou, alternativamente, pode ser fornecida por óxidos inorgânicos provenientes do material de entrada.
Quando a fonte de oxigênio em um sistema anaeróbico é derivada do próprio material orgânico, os produtos finais “intermediários” são principalmente álcoois , aldeídos e ácidos orgânicos mais dióxido de carbono. Na presença de metanógenos especializados, os intermediários são convertidos nos produtos finais “finais” de metano, dióxido de carbono com traços de sulfeto de hidrogênio. Num sistema anaeróbico, a maior parte da energia química contida no material de partida é libertada por bactérias metanogénicas como metano.
Populações de bactérias anaeróbicas normalmente levam um período de tempo significativo para se estabelecerem e serem totalmente eficazes. É, portanto, prática comum introduzir microrganismos anaeróbios a partir de materiais com populações existentes. Este processo é chamado de “ semeadura ” nos digestores e normalmente ocorre com a adição de lodo de esgoto ou chorume de gado.
estágios
Existem quatro estágios biológicos e químicos principais da digestão anaeróbica:
Na maioria dos casos a biomassa é constituída por grandes polímeros orgânicos. Para que as bactérias nos digestores anaeróbicos tenham acesso ao potencial energético do material, estas cadeias devem primeiro ser decompostas nas suas partes constituintes mais pequenas. Essas partes constituintes ou monômeros, como açúcares, estão prontamente disponíveis para outras bactérias. O processo de quebrar essas cadeias e dissolver as moléculas menores em solução é chamado de hidrólise. Portanto, a hidrólise destes componentes poliméricos de elevado peso molecular é o primeiro passo necessário na digestão anaeróbica. Através da hidrólise, as moléculas orgânicas complexas são decompostas em açúcares simples, aminoácidos e ácidos graxos.
O acetato e o hidrogênio produzidos nas primeiras etapas podem ser utilizados diretamente pelos metanógenos. Outras moléculas, como os ácidos graxos voláteis (AGV), com um comprimento de cadeia maior que o do acetato, devem primeiro ser catabolizadas em compostos que podem ser utilizados diretamente pelos metanógenos.
O processo biológico da acidogênese é onde ocorre a degradação dos componentes restantes pelas bactérias acidogênicas (fermentativas). Aqui os AGV são criados juntamente com amônia, dióxido de carbono e sulfeto de hidrogênio, bem como outros subprodutos. O processo de acidogênese é semelhante ao modo como o leite azeda.
O terceiro estágio da digestão anaeróbica é a acetogênese. Moléculas simples criadas durante a fase de acidogênese são posteriormente digeridas por acetógenos para produzir principalmente ácido acético, bem como dióxido de carbono e hidrogênio.
O estágio terminal da digestão anaeróbica é o processo biológico da metanogênese. Aqui, os metanógenos utilizam os produtos intermediários dos estágios anteriores e os convertem em metano, dióxido de carbono e água. São esses componentes que constituem a maior parte do biogás emitido pelo sistema. A metanogênese é sensível a pHs altos e baixos e ocorre entre pH 6,5 e pH 8. O material restante, não digerível, do qual os micróbios não podem se alimentar, junto com quaisquer restos bacterianos mortos constituem o digerido.
Uma equação química genérica simplificada para os processos gerais descritos acima é a seguinte:
C 6 H 12 O 6 → 3CO 2 + 3CH 4
Configuração do digestor anaeróbico
Os digestores anaeróbicos podem ser projetados e projetados para operar usando diversas configurações de processo diferentes:
- Lote ou contínuo
- Temperatura: Mesofílica ou termofílica
- Conteúdo de sólidos: Alto teor de sólidos ou baixo teor de sólidos
- Complexidade: Estágio único ou multiestágio
Lote ou contínuo
Um sistema em lote é a forma mais simples de digestão. A biomassa é adicionada ao reator no início do processo em lote e é selada durante o processo. A produção de biogás será formada com um padrão de distribuição normal ao longo do tempo. O operador pode usar esse fato para determinar quando acredita que o processo de digestão da matéria orgânica foi concluído.
Temperatura
Existem dois níveis convencionais de temperatura operacional para digestores anaeróbicos, que são determinados pelas espécies de metanógenos nos digestores:
- Mesófilo que ocorre idealmente em torno de 37°-41°C ou em temperaturas ambientes entre 20°-45°C, onde os mesófilos são o principal microrganismo presente
- Termófilo que ocorre idealmente em torno de 50°-52° em temperaturas elevadas de até 70°C, onde os termófilos são os principais microrganismos presentes.
Há um número maior de espécies de mesófilos do que de termófilos. Essas bactérias também são mais tolerantes às mudanças nas condições ambientais do que os termófilos. Os sistemas mesófilos são, portanto, considerados mais estáveis do que os sistemas de digestão termofílica. Os sistemas de digestão termofílica são considerados menos estáveis, no entanto, as temperaturas aumentadas facilitam taxas de reação mais rápidas e, portanto, rendimentos de gás mais rápidos. A operação em temperaturas mais altas facilita uma maior esterilização do digerido final.
Uma desvantagem de operar em temperaturas termofílicas é que é necessária mais energia térmica para atingir as temperaturas operacionais corretas. Este aumento de energia não pode ser compensado pelo aumento na produção de biogás dos sistemas. Portanto, é importante considerar um balanço energético para esses sistemas
Sólidos
Normalmente existem dois parâmetros operacionais diferentes associados ao conteúdo de sólidos da matéria-prima para os digestores:
- Alto teor de sólidos
- Baixo teor de sólidos
Os digestores podem ser projetados para operar com alto teor de sólidos, com concentração total de sólidos suspensos (SST) superior a 20%, ou com baixa concentração de sólidos inferior a 15%.
Os digestores com alto teor de sólidos processam uma lama espessa que requer mais energia para mover e processar a matéria-prima. A espessura do material também pode levar a problemas associados à abrasão. Os digestores com alto teor de sólidos normalmente terão uma necessidade menor de terra devido aos volumes mais baixos associados à umidade.
Os digestores com baixo teor de sólidos podem transportar material através do sistema usando bombas padrão que requerem um consumo de energia significativamente menor. Os digestores com baixo teor de sólidos requerem uma quantidade maior de terra do que os digestores com alto teor de sólidos devido ao aumento de volumes associado ao aumento da proporção líquido: matéria-prima dos digestores. Existem benefícios associados à operação em ambiente líquido, pois permite uma circulação mais completa dos materiais e o contato entre as bactérias e seus alimentos. Isso permite que as bactérias acessem mais facilmente as substâncias das quais se alimentam e aumenta a velocidade de produção de gás.
Número de etapas
Os sistemas de digestão podem ser configurados com diferentes níveis de complexidade:
- Estágio único ou estágio único
- Dois estágios ou multiestágio
Um sistema de digestão de estágio único é aquele em que todas as reações biológicas ocorrem dentro de um único reator selado ou tanque de retenção. A utilização de um único estágio reduz os custos de construção, porém facilita menos controle das reações que ocorrem dentro do sistema. As bactérias acidogênicas, através da produção de ácidos, reduzem o pH do tanque. As bactérias metanogênicas operam em uma faixa de pH estritamente definida. Portanto, as reações biológicas das diferentes espécies num reator de estágio único podem estar em competição direta entre si. Outro sistema de reação de estágio único é uma lagoa anaeróbica. Estas lagoas são bacias de terra semelhantes a lagoas utilizadas para o tratamento e armazenamento a longo prazo de estrumes. Aqui as reações anaeróbicas estão contidas no lodo anaeróbico natural contido na piscina.
Em um sistema de digestão de dois ou múltiplos estágios, diferentes vasos de digestão são otimizados para proporcionar o máximo controle sobre as comunidades bacterianas que vivem nos digestores. As bactérias acidogênicas produzem ácidos orgânicos e crescem e se reproduzem mais rapidamente do que as bactérias metanogênicas. As bactérias metanogênicas requerem pH e temperatura estáveis para otimizar seu desempenho.
Tipicamente hidrólise, acetogênese e acidogênese ocorrem dentro do primeiro recipiente de reação. O material orgânico é então aquecido até a temperatura operacional necessária (mesofílica ou termofílica) antes de ser bombeado para um reator metanogênico. Os tanques iniciais de hidrólise ou acidogênese antes do reator metanogênico podem fornecer um tampão para a taxa na qual a matéria-prima é adicionada
Residência
O tempo de residência em um digestor varia com a quantidade e tipo de matéria-prima, a configuração do sistema de digestão e se ele é de um ou dois estágios.
No caso da digestão termofílica de estágio único, os tempos de residência podem ser da ordem de 14 dias, o que comparativamente à digestão mesófila é relativamente rápido. A natureza de fluxo tampão de alguns destes sistemas significará que a degradação total do material pode não ter sido realizada nesta escala de tempo. Neste caso, o digerido que sai do sistema terá uma cor mais escura e terá mais odor.
Na digestão mesofílica em dois estágios, o tempo de residência pode variar entre 15 e 40 dias.
No caso da digestão mesofílica UASB, os tempos de residência hidráulica podem ser (1 hora-1 dia) e os tempos de retenção de sólidos podem ser de até 90 dias . Desta forma, o sistema UASB é capaz de separar os tempos de retenção sólidos e hidráulicos com a utilização de uma manta de lodo.
Os digestores contínuos possuem dispositivos mecânicos ou hidráulicos, dependendo do nível de sólidos do material, para misturar o conteúdo permitindo o contato entre bactérias e alimentos. Eles também permitem que o excesso de material seja extraído continuamente para manter um volume razoavelmente constante dentro dos tanques de digestão.
Digestão anaeróbica seca
Este processo não utiliza nenhum esterco e é, portanto, mais adequado para certas aplicações nas quais nenhum esterco precisa ser processado. Este processo pode ser feito de diversas maneiras. Por exemplo, existe o processo Wiessmann-Bioferm "Kompoferm". [2] [3] Há também o sistema Axpo Kompogas AG, [4] o processo Dranco projetado por OWS, [5] bem como um sistema de Jan Klein Hesselink. [6] [7]
Produtos
Existem três produtos principais da digestão anaeróbica: biogás, digerido e água.
Biogás
O biogás é o produto residual final das bactérias que se alimentam da matéria-prima biodegradável e é composto principalmente de metano e dióxido de carbono, com uma pequena quantidade de hidrogênio e vestígios de sulfeto de hidrogênio. A maior parte do biogás é produzida no meio da digestão, após o crescimento da população bacteriana, e diminui à medida que o material putrescível se esgota. O gás é normalmente armazenado no topo do digestor em uma bolha de gás inflável ou extraído e armazenado próximo à instalação em um reservatório de gás.
O metano no biogás pode ser queimado para produzir calor e eletricidade, geralmente com um motor alternativo ou microturbina, muitas vezes em um arranjo de cogeração onde a eletricidade e o calor residual gerado são usados para aquecer os digestores ou para aquecer edifícios. O excesso de eletricidade pode ser vendido a fornecedores ou colocado na rede local. A electricidade produzida por digestores anaeróbicos é considerada energia renovável e pode atrair subsídios. O biogás não contribui para aumentar as concentrações atmosféricas de dióxido de carbono porque o gás não é liberado diretamente na atmosfera e o dióxido de carbono provém de uma fonte orgânica com um ciclo curto de carbono.
O biogás pode exigir tratamento ou “lavagem” para refiná-lo e utilizá-lo como combustível. O sulfeto de hidrogênio é um produto tóxico formado a partir de sulfatos na matéria-prima e é liberado como um componente traço do biogás. Se os níveis de sulfeto de hidrogênio no gás forem altos, será necessário equipamento de lavagem e limpeza de gás (como tratamento de gás com amina) para processar o biogás dentro dos níveis aceitos regionalmente (determinados pela EPA dos EUA ou pela Agência Ambiental Inglesa e Galesa). . Um método alternativo é a adição de cloreto férrico FeCl3 aos tanques de digestão para inibir a produção de sulfeto de hidrogênio.
Os siloxanos voláteis também podem contaminar o biogás; tais compostos são frequentemente encontrados em resíduos domésticos e águas residuais. Nas instalações de digestão que aceitam estes materiais como componente da matéria-prima, os siloxanos de baixo peso molecular volatilizam-se em biogás. Quando esse gás é queimado em um motor a gás, turbina ou caldeira, os siloxanos são convertidos em dióxido de silício (SiO 2 ) que se deposita internamente na máquina, aumentando o desgaste e podendo também contaminar o biogás; tais compostos são frequentemente encontrados em resíduos domésticos e águas residuais.
Nas instalações de digestão que aceitam estes materiais como componente da matéria-prima, os siloxanos de baixo peso molecular volatilizam-se em biogás. Quando esse gás é queimado em um motor a gás, turbina ou caldeira, os siloxanos são convertidos em dióxido de silício (Si02) que se deposita internamente na máquina, aumentando o desgaste.
Digerir
O digerido é o material que sobra após a digestão anaeróbica, contém nitrogênio, fósforo e potássio, por isso é utilizado como fertilizante. É composto de material indigerível e organismos mortos e geralmente preenche 90-95% da bolsa após a digestão. Durante a DA, nenhum nutriente é perdido, portanto o ciclo de nutrientes é fechado e os materiais podem ser reutilizados. Existem muitos incentivos para o uso de digerido em seus solos e é considerado mais nutritivo e saudável para o solo. Devido ao seu conteúdo neutraliza as sementes invasoras, as espécies invasoras criam competição pelas espécies nativas, pelo que este fertilizante irá reduzir significativamente esta ameaça. Os patógenos são bastante reduzidos devido ao pré-tratamento do sistema, bem como dos micróbios dentro do digestor. Digerir permite que menos emissões sejam liberadas e que o excesso de água e óleo seja usado. De acordo com a Associação de Digestão Anaeróbica e Biorrecursos, "1 tonelada de fertilizante artificial substituída por digerido economiza 1 tonelada de óleo, 108 toneladas de água e 7 toneladas de emissões de CO2".
Água
A água que é subproduto da AD é mínima e pode ser reutilizada em ciclos posteriores.
Vantagens da digestão anaeróbica
Quando os resíduos orgânicos são depositados em aterros, produzem uma enorme quantidade de gases com efeito de estufa, incluindo dióxido de carbono e metano . A AD pode desempenhar um papel importante como meio de lidar com os resíduos orgânicos e eliminar, através de uma captura e tratamento mais eficientes, estas emissões de gases com efeito de estufa; convertendo-os em produtos úteis. A AD recupera energia que de outra forma seria perdida na atmosfera e produz biofertilizantes valiosos. O biogás pode ser utilizado para gerar eletricidade, calor, biocombustíveis ou limpo e injetado na rede de gás. um sistema AD economiza dinheiro e também pode criar uma pequena renda para quem o gera. A transformação de estrume em fertilizante ajuda a criar um fertilizante mais nutritivo e a eliminar bactérias que podem causar doenças. Os AD podem ser feitos para se adaptarem à maioria das explorações agrícolas e, mesmo em pequena escala, podem reduzir consideravelmente o uso de gases e as emissões.
Projetos relacionados
Veja também
- Digestão anaeróbica Bokashi : um processo de digestão anaeróbica doméstica, ou seja, para restos de cozinha
- Reciclagem de resíduos agrícolas para produção de água quente
Referências
- ↑ Caminhão deu 25 voltas ao redor da Terra usando gás de resíduos biodegradáveis
- ^ http://www.zerowasteenergy.com/content/dry-anaerobic-digestion
- ↑ Veja o folheto Bioferm_Trockenfermentation.pdf em www.graskracht.be
- ^ http://www.sswm.info/sites/default/files/toolbox/OSTREM%202004%20Kompogas.jpg
- ↑ Veja graskracht_25-11-2011_Isabella Wierinck_OWS.pdf em www.graskracht.be
- ↑ Consulte 25092012 Fermentação a seco Jan Klein Hesselink Ekwadraat.pdf em www.graskracht.be
- ↑ Observe que embora pareça semelhante à compostagem , não é a mesma coisa, já que a digestão seca utiliza digestão anaeróbica, a compostagem utiliza digestão aeróbica. O ar é mantido fora do processo de digestão a seco por meio de vedações herméticas (ainda permitindo a saída do biogás)
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