Barrel Biodigester/pt

Para enfrentar as mudanças climáticas globais e mitigar as emissões de gases de efeito estufa, é cada vez mais importante focar no uso de formas renováveis ​​de energia. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Também é cada vez mais importante a necessidade de desenvolvimento sustentável para criar e usar energia renovável. ^{[ 3 ]} Esta página abordará essa necessidade por meio do biogás produzido pelo processo de digestão anaeróbica, com ênfase em biodigestores de barril. A biodigestão em barril é uma forma de digestão anaeróbica de materiais orgânicos usada para criar e coletar biogás e pode ser facilmente feita em escala doméstica. O processo anaeróbico ocorre em um "barril" (tambor de aço de 208 litros ou similar). Os produtos resultantes desse tipo de digestão são principalmente biogás e efluente rico em nutrientes, mas existem inúmeros outros benefícios. ^{[ 4 ]}

A digestão anaeróbia é um processo microbiano que ocorre na ausência de oxigênio e é um processo metanogênico. Durante esse processo, a matéria orgânica é metabolizada para produzir uma série de gases. A digestão anaeróbia é um processo relativamente antigo, com o primeiro processo industrializado ocorrendo em 1859 e a primeira coleta e uso de biogás em 1895. ^{[ 5 ]} A digestão anaeróbia é encontrada em muitas áreas diferentes do ambiente natural e artificial, incluindo sedimentos, intestinos de animais e aterros sanitários, ^{[ 6 ]} e é um método comprovado para o tratamento de resíduos orgânicos com alto teor de umidade. ^{[ 7 ]} A matéria orgânica metabolizada passa por um processo de três etapas: hidrólise, formação de ácido acético e produção de metano. ^{[ 8 ]} A temperatura tem um grande efeito na robustez do processo anaeróbio e na taxa de produção de biogás. As duas principais categorias de temperatura são mesofílica e termofílica. ^{[ 9 ]}

A digestão mesofílica ocorre entre 35-42°C. A digestão anaeróbia mesofílica é a forma mais comum de digestão e é um sistema mais robusto e tolerante do que a digestão anaeróbia termofílica. ^{[ 9 ] [ 10 ]} Foi demonstrado que os microrganismos mesofílicos toleram flutuações de temperatura de +/-3°C. ^{[ 4 ]}

A digestão termofílica ocorre entre 45-60°C. Apesar da maior sensibilidade do sistema em comparação com a digestão mesofílica, ela apresenta vantagens atraentes e pode ser apropriada para certos cenários. A digestão anaeróbica termofílica terá taxas de reação mais rápidas, exibirá uma taxa maior de destruição de patógenos e sementes de ervas daninhas e produzirá mais biogás do que os sistemas mesofílicos. ^{[ 9 ] [ 4 ]}

O pH do sistema também tem um efeito significativo no processo de digestão. A formação de metano na digestão anaeróbia ocorre entre 6,5 e 8,0, com a faixa ideal de 7,0 a 8,0. Quando o pH sai da faixa de produção de metano, a metanogênese completa não ocorre e o biogás metano não é produzido. ^{[ 4 ]} Os produtos finais de uma digestão anaeróbia adequada são um produto gasoso, o biogás, e um resíduo sólido com alto teor de nutrientes.

O biogás produzido por digestão anaeróbia é relativamente inodoro, incolor, estável, não tóxico e inflamável. ^{[ 10 ]} Em processos típicos de digestão anaeróbia, e dependendo da matéria-prima utilizada na digestão, o biogás consiste em aproximadamente 60% de metano, 40% de dióxido de carbono e pequenas quantidades de sulfeto de hidrogênio e vapor de água. ^{[ 6 ]} A quantidade de metano e a quantidade de gás produzido dependem do tipo e da quantidade da matéria-prima utilizada, do tipo de digestão anaeróbia utilizada e das condições do ambiente de digestão. ^{[ 11 ]} Embora existam inúmeras maneiras de produzir biogás, a produção por digestão anaeróbia tem se mostrado o método mais econômico. ^{[ 7 ]}

A biomassa é a matéria orgânica que os digestores anaeróbios utilizam para produzir biogás, e é produzida a partir de plantas através da fotossíntese. A biomassa pode ser categorizada por diversos métodos, mas os quatro principais tipos de biomassa são: ^{[ 1 ]}

• plantas lenhosas
• plantas herbáceas e gramíneas
• plantas aquáticas
• estrume

A matéria-prima, que é alimentada ao biodigestor, é composta de biomassa, e a qualidade da matéria-prima depende das características da biomassa. O teor de umidade e o teor de voláteis da matéria-prima desempenham um papel importante na determinação da qualidade da matéria-prima. ^{[ 11 ]} Materiais orgânicos com alto teor de umidade, como frutas, vegetais, ^{[ 12 ]} e cana-de-açúcar, são adequados para a produção de metano por meio de digestão anaeróbica. O teor de voláteis é um indicador da quantidade de gás que será produzida durante a digestão. ^{[ 1 ]} A manipulação da matéria-prima demonstrou, em alguns casos, aumentar a velocidade e o volume de biogás produzido.

O pré-tratamento dos resíduos é frequente em digestores anaeróbios ^{[ 13 ]} e estudos têm demonstrado uma correlação entre o pré-tratamento e o aumento da produção de biogás. ^{[ 14 ]} Embora nem todos os pré-tratamentos sejam adequados para todas as operações de digestão anaeróbia, o pré-tratamento mecânico é apropriado para a digestão tanto em países desenvolvidos quanto em desenvolvimento, devido à simplicidade do processo. O pré-tratamento mecânico consiste simplesmente em reduzir o tamanho das partículas que são alimentadas ao digestor, o que aumenta a área de superfície disponível para os microrganismos. A redução do tamanho demonstrou aumentar a velocidade da digestão e a produção de gás. ^{[ 14 ]} Estudos mostraram que a redução das partículas de resíduos pode aumentar a produção de gás em até 25% ^{[ 15 ]} e aumentar a redução de sólidos em 25%. ^{[ 16 ]}

A codigestão consiste na mistura de diferentes tipos de biomassa primária para aumentar a velocidade e a produção de biogás por meio da digestão anaeróbia. A codigestão apresenta diversas vantagens, principalmente o aumento na produção de biogás e a melhoria da qualidade do fertilizante no efluente. ^{[ 17 ]} A principal vantagem da codigestão reside no fato de que nenhuma matéria-prima individual é perfeita, e a mistura de matérias-primas permite minimizar as imperfeições, equilibrando os nutrientes. ^{[ 18 ]} Numerosos estudos concluíram que a codigestão aumentou a produção de biogás em um digestor anaeróbio, com foco especial em misturas de esterco e resíduos alimentares ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

O tempo de retenção hidráulica no digestor e a taxa de carregamento da matéria-prima para o digestor são dois fatores facilmente controláveis ​​pelo ser humano. Estudos mostraram que o tempo de retenção e a produção de gás apresentam pouca correlação, enquanto a taxa de carregamento e a produção de gás apresentam uma correlação muito mais forte. ^{[ 20 ]} Embora seja possível determinar um tempo de residência ideal para um determinado reator, esse tempo dependerá do que se pretende maximizar. A produção de biogás, o rendimento de metano e a qualidade do efluente são maximizados em diferentes tempos de residência. ^{[ 21 ]}

Semelhante ao pré-tratamento da matéria-prima, certas ações tomadas durante o processo de digestão podem aumentar a produção de gás. A principal ação a ser tomada é a mistura no digestor. Os benefícios da mistura ou agitação são triplos: aumenta o contato entre os microrganismos e a matéria orgânica, facilita a ascensão das bolhas e diminui as diferenças de temperatura em todo o digestor. ^{[ 4 ]} Embora a mistura não seja necessária para o funcionamento de um digestor, numerosos estudos confirmaram que a mistura do digestato aumenta a produção de gás do digestor ^{[ 22 ]}

Durante o processo de digestão, o nitrogênio orgânico é convertido em amônia ionizada, um componente essencial de 90% dos fertilizantes nitrogenados. ^{[ 20 ] [ 23 ]} Essa conversão de nitrogênio permite que o efluente seja aplicado diretamente nas plantas com maior eficiência. ^{[ 20 ]} O processo de digestão anaeróbica também inativa sementes de ervas daninhas, bactérias e vírus (E. coli, Salmonella), fungos e parasitas presentes na matéria-prima. Essa inativação é um benefício importante da digestão anaeróbica quando o efluente é utilizado como fertilizante. ^{[ 4 ]}

Esta seção abordará a construção de um biodigestor de barril que funciona como um reator de tanque agitado contínuo, em vez de um reator em batelada. A digestão anaeróbica em um biodigestor de barril ocorre dentro de um tambor de aço de 208 litros (55 galões). Abaixo, segue um guia passo a passo para auxiliar na construção de um biodigestor de barril utilizando um tambor com tampa removível.

Primeiramente, a torneira de efluentes, o tubo de alimentação e a mangueira de gás devem ser instalados no digestor. O dreno de efluentes e a mangueira de gás podem ser conectados às aberturas roscadas nas laterais e na parte superior do tambor, respectivamente, enquanto o tubo de alimentação requer um furo na tampa.

A torneira de efluentes mostrada na Fig. 1 consiste em uma válvula de esfera de PVC de 1" conectada à conexão roscada de 2" no barril por meio de um acoplamento de PVC. Na parte interna do barril, um sistema de drenagem de PVC é construído com tubos de PVC de 2" com furos perfurados (Fig. 2).

A mangueira de gás mostrada na Figura 3 consiste em um orifício roscado de 1" na tampa do barril, conectado a um tubo de latão de 1/4" que leva à mangueira de gás. A conexão do tubo de latão mostrada possui um manômetro e duas válvulas de esfera. Dependendo da simplicidade desejada para o sistema, apenas uma válvula é necessária, permitindo a eliminação de uma das válvulas de esfera e do manômetro. Uma mangueira de borracha de 3/8" é conectada ao sistema de tubo de latão em uma extremidade e um bico de ar de 1/4" na outra. O bico de ar permite a coleta e o armazenamento de biogás em um pneu de bicicleta ou carro.

O tubo de alimentação permite a adição de resíduos ao digestato, possibilitando a produção contínua de gás após a maturação do digestor, diferentemente de um digestor em batelada, onde os resíduos são adicionados a uma lama inicial e o digestor é selado até que a produção de gás cesse. O tubo de alimentação também permite a manutenção do estado anaeróbico do digestor durante a alimentação, devido à quantidade extremamente pequena de digestato exposta ao oxigênio durante o processo. Primeiro, é necessário cortar um orifício de 10 cm (4") na tampa. Isso pode ser feito com materiais e conhecimento de soldagem ou com um cortador de plasma. O tubo de alimentação mostrado na Figura 4 é um tubo de PVC de 7,6 cm (3") com 61 cm (24") de comprimento. O tubo de alimentação é fixado à tampa por duas flanges de PVC de 10 x 7,6 cm (4" x 3") com encaixe de pressão, uma de cada lado da tampa. A flange externa é coberta com um plugue de limpeza de PVC de 10 cm (4"), permitindo a vedação do tubo de alimentação, conforme mostrado na Figura 5. Para mais explicações, veja o vídeo abaixo. ^{[ 24 ]}

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  Figura 1: Torneira de efluentes no biodigestor de barril
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  Figura 1: Torneira de efluentes no biodigestor de barril
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  Figura 2: Sistema de drenagem interna
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  Fig. 3: Gas release mechanism for the barrel biodigester
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  Fig. 4: The internal components of the feeding tube: 3" PVC
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  Fig. 5: The external components of the feeding tube: pop top flange & cleanout and plug

O primeiro passo na construção é encontrar e selar quaisquer vazamentos ou furos que possam existir no tambor. Para encontrar os vazamentos, encha o tambor com água e examine a parte externa em busca de vazamentos. Se encontrar vazamentos, marque a localização para referência futura. Depois de todos os vazamentos terem sido identificados, esvazie a água do tambor e proceda à vedação dos vazamentos. Os vazamentos podem ser selados com a aplicação de alcatrão no local. Continue a encher o tambor com água e a remendar os vazamentos com alcatrão até que não sejam encontrados mais. ^{[ 25 ]}

A inicialização de um biodigestor anaeróbio é um componente fundamental para o seu sucesso. A produção de gás não atingirá seu potencial máximo até que o biodigestor esteja maduro. Embora seja possível iniciar um biodigestor simplesmente combinando resíduos e água em seu interior e selando-o, esse processo levará um tempo extremamente longo para que ele amadureça e atinja sua capacidade total. Atualmente, é comum em pesquisas e na prática "inocular" o biodigestor com efluente de outro biodigestor em funcionamento. ^{[ 20 ] [ 17 ] [ 26 ]} A adição desse efluente fornecerá um ponto de partida para o biodigestor e aumentará a velocidade com que ele atinge a maturidade. O gás produzido durante essa fase de "inicialização" não possuirá as mesmas características de inflamabilidade do gás produzido por um biodigestor maduro e não deve ser coletado. Já foi afirmado que a mistura é benéfica para um biodigestor maduro, mas o mesmo não pode ser dito para a fase de inicialização. Demonstrou-se que a mistura durante a fase de inicialização aumenta o tempo necessário para que um novo biodigestor atinja a maturidade. ^{[ 27 ]}

Como discutido anteriormente, a matéria orgânica é necessária para a produção de biogás. Como o digestor funciona como um reator de tanque contínuo, ele deve ser alimentado diariamente no mesmo horário. A taxa de carregamento de resíduos deve estar na faixa de 1 a 6,8 g/L*dia. ^{[ 28 ]} Para manter um volume constante, uma quantidade de efluente igual ao volume de resíduos adicionados deve ser retirada. ^{[ 11 ]} Após a maturação do digestor, a coleta de gás está pronta para começar. A coleta de gás pode ocorrer de forma contínua, por meio de um bocal de ar com trava no aparelho de armazenamento, ou periodicamente, quando o biogás for necessário.

A biodigestão tem impactos sociais e econômicos significativos tanto nos países desenvolvidos quanto nos em desenvolvimento. Em ambos os casos, há um desperdício considerável de materiais orgânicos e uma crescente necessidade de energia. Embora a digestão anaeróbica nos países desenvolvidos ocorra em uma escala significativamente maior do que os sistemas domésticos, os conceitos de ambos são os mesmos: produzir energia utilizável a partir de resíduos. Em países desenvolvidos, a digestão anaeróbica ocorre em estações de tratamento de águas residuais, cervejarias, fazendas comerciais e grandes mercados orgânicos, que frequentemente a praticam. ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]} Esforços significativos estão sendo feitos para levar biodigestores aos países em desenvolvimento. Projetos no Peru e no Nepal demonstraram impactos significativos devido à introdução de digestores anaeróbicos. Embora esses projetos certamente não sejam replicados em todo o mundo, eles são realizados com bastante frequência, com diferentes níveis de sucesso. Esses projetos encontraram impactos positivos na saúde devido ao uso de um combustível de queima mais limpa para cozinhar, impactos econômicos devido à melhoria dos rendimentos agrícolas, impactos ambientais de menores taxas de desmatamento decorrentes do menor consumo de lenha e impactos sociais em mulheres e crianças que não precisam gastar muito tempo coletando lenha. ^{[ 32 ] [ 3 ]}

• Biodigestor de quintal E305

• Digestão anaeróbica