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Obtenção de gás a partir de dejetos de animais.
Tipologia: Notas de estudo
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Estudo das formas de obtenção de gás e energia a partir de matéria orgânica.
São Bernardo do Campo 2012
Estudo das formas de obtenção de gás e energia a partir de matéria orgânica.
Trabalho de conclusão de curso apresentado à Faculdade de São Bernardo do Campo no curso de ciências química como requisito parcial para obtenção do titulo químico com atribuições tecnológicas.
Orientador (a): Ms. Edith Marie Malateaux de Souza
São Bernardo do Campo 2012
Agradecemos à Deus por sua presença constante em nossas vidas nos capacitando em condições física e intelectual. A Profª. Edith Marie Malateaux de Souza por seu apoio e dedicação constante tanto na escolha do tema quanto na elaboração deste trabalho. A nossa família pelo apoio e compreensão. A faculdade e aos professores da FASB, que durante estes quatro anos nos muniram de informações e conhecimentos o que nos deu condições para a elaboração deste trabalho.
O biogás pode ser obtido na degradação da matéria orgânica, é composto principalmente por gás metano; é um gás de efeito estufa que contribui com o aquecimento global. O Brasil tem grande potencial para o aproveitamento energético do biogás considerando a grande quantidade de gados criados no país e conseqüentemente a grande produção de esterco. A conversão energética do gás metano é uma solução eficiente para o grande volume de gás metano gerado e como consequência, ao produzir energia lucra-se com créditos de carbono, um tratado internacional para aqueles que minimizam a emissão de poluentes. A exploração de recursos renováveis contribui com a preservação do meio ambiente além de descentralizar a geração de energia e a dependência das fontes de energia tradicionais como petróleo, carvão mineral e gás natural. Estas fontes são altamente poluentes e não renováveis, pois, são recursos naturais que não podem ser reutilizados a uma escala que possa sustentar a sua taxa de consumo.
PALAVRAS CHAVES: Biogás, gás metano, esterco, energia, créditos de carbono.
Criação de gado em Mato Grosso do Sul .............................................................................. Esterco de aves poedeiras ...................................................................................................... Processos de digestão anaeróbia............................................................................................ Iodo orgânico seco rico em nitrogênio e fósforo, pronto para ser usado na plantação ........................................................................................................................... Esquema de instalação e utilização do biogás ....................................................................... Esquema interno de um digestor ........................................................................................... Funcionamento do biodigestor .............................................................................................. Exemplo de biodigestor indiano ............................................................................................ Exemplo de biodigestor chinês.............................................................................................. Exemplo de biodigestor caseiro ............................................................................................ Biodigestor vertical ............................................................................................................... Biodigestor horizontal ........................................................................................................... Purificador ou amplificador do biogás .................................................................................. Esquema do purificador do biogás ........................................................................................ Gasômetro (armazenamento de gás em PVC) ....................................................................... Grupo motor gerador ............................................................................................................ Processo combinado de aproveitamento ..............................................................................
Ilustração 1 Ilustração 2 Ilustração 3 Ilustração 4
Ilustração 5 Ilustração 6 Ilustração 7 Ilustração 8 Ilustração 9 Ilustração 1 0 Ilustração 11 Ilustração 12 Ilustração 13 Ilustração 1 4 Ilustração 15 Ilustração 16 Ilustração 17
Composição média do biogás .................................................................................................. 14 Relação comparativa de 1 m³ do biogás com os combustíveis usuais ...................................... 15 Capacidade de geração de 1 m³ de biogás ................................................................................. 29 Análise do biogás antes do Sistema de Purificação ou Amplificação ...................................... 31 Análise do biogás após o sistema de purificação .........................................................................
Tabela 1 Tabela 2 Tabela 3 Tabela 4 Tabela 5
Tradicionalmente, o esterco animal tem dado pouco ou nenhum retorno a sociedade. Nos casos de grandes rebanhos, esse tipo de matéria orgânica é um problema grave, atua como vetor de doenças e contamina a água e o solo quando estão expostos ao ar livre. Entretanto, com o tratamento adequado, o esterco animal pode trazer excelentes benefícios. Nos últimos anos houve uma procura nas regiões que possuem grandes concentrações de animais para aplicar-se uma forma de tratamento a estes resíduos com o objetivo de reduzir os impactos ambientais e atender as exigências de sustentabilidade energética. Uma saída para este problema foi realizar a digestão anaeróbia do resíduo destes animais tendo como produto o biogás. A fermentação deste resíduo apresenta uma excelente alternativa para a produção do gás metano, isto porque além de reduzir a taxa da poluição e contaminação, promove a geração de energia renovável. Sendo assim, existem diversos motivos para a elaboração de um projeto, para que com o uso de biodigestores, ocorra a redução da carga de matéria orgânica lançada no meio ambiente, além de controlar proliferação de moscas e emissão de odores desagradáveis, diminuir a emissão de dióxido de carbono e metano na atmosfera por meio da queima deste resíduo, apresentar a melhor forma de aproveitamento de restos de natureza orgânica e, principalmente, oferecer um melhor destino a esses materiais (COSTA, 2002). O estudo deste gás teve grande importância ao constatar que ele pode ser produzido com o uso de um equipamento bastante eficiente chamado biodigestor anaeróbico. O biogás obtido da biodigestão de dejetos de animais pode ter diversas aplicações, tais como: combustível substituto do gás liquefeito de petróleo, aquecimento de caldeiras, movimentação mecânica, geradores de energia elétrica, em cozinhas rurais e residenciais, aquecimento para criadouros, estufa vegetal e etc. Os resíduos deste processo podem também ser utilizados como fertilizante do solo. (OLIVEIRA, 2006). Hoje a energia renovável vem ganhando força favorecendo as tecnologias de obtenção do biogás, que como uma alternativa viável a realidade atual, pode ser uma boa opção para a crise de energia existente e a fragilidade do sistema de hidroelétricas que inclusive já culminou em apagões no Brasil (COELHO, 2003). Portanto o objetivo deste trabalho é apresentar uma alternativa para geração de energia, a partir da obtenção do biogás proveniente de dejetos de animais tratados por biodigestores. Esta medida terá impactos positivos na qualidade de vida ao gerar menos
poluição com o destino adequado para o esterco, apresentar os pontos positivos e negativos na utilização do gás metano, suas principais aplicações e viabilidade de contribuir para uma medida sustentável com eficiência e lucratividade, além do beneficio na utilização do gás em que o agricultor terá ganhos em créditos de carbono e poderá utilizar o subproduto da obtenção do biogás que é o biofertilizante em suas lavouras.
Há no mundo aproximadamente 1,3 bilhões de bois e vacas, no Brasil cria-se aproximadamente 930 bilhões de porcos, 1,7 bilhões de ovelhas e cabras, 1,4 bilhões de patos, gansos e perus, 1,7 milhões de búfalos, além de os frangos e galinhas. Há hoje no pais, cerca de 172 milhões de cabeças de gado bovino e muitos criadouros, representados na ilustração 1. O rebanho bovino nacional perde apenas para o rebanho da Índia, onde é proibido matar vacas (ROCHA, 2006).
Ilustração 1 – Criação de gado em Mato Grosso do Sul. Fonte: SEGANFREDO, 2000.
O esterco pode ser lucrativo quando se comparado ao alto preço do petróleo, considerando que o gás metano pode substituir a gasolina como gerador de energia, após a obtenção do gás metano o subproduto pode ser aplicado na agricultura como adubo, isto portanto fez com que os agricultores abrissem os olhos para os dejetos dos animais, que até então seriam apenas utilizados para descarte nas fazendas, até agora pouco aproveitado, e que representava aparentemente mais prejuizo do que um recurso econômico. A medida que valoriza-se o esterco, ele ganha espaço na economia do agricultor e pode passar a ser utilizado de forma mais eficiente e mais efetiva para uma grande quantidade de esterco que é dispensado todos os dias (NOVAGERAR, 2012).
A ilustração 2 representa um espaço destinado à disposição de esterco. Pode-se perceber que a quantidade produzida é bastante significativa.
Ilustração 2 – Esterco de aves poedeiras. Fonte: SEGANFREDO, 2000.
O aproveitamento do esterco para obter o biogás não é fácil devido a dificuldade em seu manejo e desconsiderado em muias fazendas pela falta de uma regulamentação ambiental adequada. Porém é importante que os agricultores passem a olhar o que hoje é considerado um rejeito, como uma oportunidade lucrativa sendo esta de maneira sustentável e ecologicamente correta (NOVAGERAR, 2012).
2.3 - CARACTERIZAÇÃO DO BIOGÁS
O biogás é um gás inflamável produzido por microorganismos, quando matérias orgânicas são fermentadas dentro de determinados limites de temperatura, teor de umidade e acidez, em um ambiente impermeável ao ar (COSTA, 2002). É considerado um combustível gasoso que possui um conteúdo energético muito elevado, um alto poder calorífico, semelhante ao do gás natural. Sendo o metano o principal constituinte do biogás, este não tem cheiro, cor, nem sabor. Estando ele puro e em condições normais de pressão e temperatura, pode obter um poder calorífico de aproximadamente
A Tabela 2 apresenta a relação comparativa de 1m^3 do biogás com outros combustíveis.
Tipo de Combustíveis Quantidade Gasolina 0,6 l Querosene 0,57 l Óleo diesel 0,55 l Gás Liquefeito 0,45 Kg Etanol 0,79 l Lenha 1,538 Kg Energia elétrica 1,428 kwh Tabela 2 – Relação comparativa de 1m^3 do biogás com os combustíveis usuais. Fonte: DEGANUTTI, 2002.
Observa-se na tabela 3 que no caso dos dejetos suínos como matéria-prima, a produção de 1 m^3 de biogás requer somente 12 kg de dejetos suínos. Assim sendo, se um suíno produz cerca de 2,25 kg de dejetos/dia, são necessários cerca de 5 animais para a produção de 12 kg/diários de dejetos, com consequente produção de 1m^3 de biogás (BARRERA. 1993).
Material Quantidade Esterco fresco de vaca 25 kg Esterco de suíno 12 kg Esterco seco de galinha 5 kg Resíduos vegetais 25 kg Lixo 20 kg Tabela 3 – Capacidade de geração de 1m^3 de Biogás. Fonte: BARRERA, 1993.
A produção do biogás é também conhecida por digestão anaeróbia ou tratamento de residuos orgânicos por decomposição. Representa um processo natural que ocorre em pântanos, lagos, rios, aterros sanitários, esterco de animais, lodo, lixo doméstico, resíduos agrícolas entre outros, dessa forma é possível obter naturalmente uma importante parte do ciclo biogeoquímico do carbono gerando o gás metano. A produção do biogás começa a se processar por volta de 20 dias, aumentando até chegar ao máximo na terceira semana e conseqüentemente diminuindo lentamente durante o período de fermentação e, para não ocupar o biodigestor nas fases de produção mínima, que pode atrapalhar o bom andamento de todo o processo, é viável programá-lo para um período de produção de 5 a 6 semanas (COELHO, 2004). O biogás obtido é constituído principalmente por metano (CH 4 ), dióxido de carbono (CO 2 ), gás amônia (NH 3 ), sulfeto de hidrogênio (H 2 S) e nitrogênio (N 2 ). No caso do esterco de animais, a digestão anaeróbia é mais indicada para ser realizada em biodigestores devidamente projetados, em que, neste processo produz-se uma mistura gasosa que pode ser usada como fonte de energia e o resíduo desses biodigestores é um excelente biofertilizante. (COELHO, 2005).
2.4.1 - Digestão anaeróbia
Há muito tempo, os processos de fermentação anaeróbia para a obtenção do gás metano foram utilizados pelo homem para o tratamento das águas residuais, nos sistemas caracterizados como "fossas sépticas". A digestão anaeróbia procede dos ecossistemas anaeróbicos naturais e significa a conversão microbiológica de matéria orgânica em metano na inexistência ou ausência de oxigênio, por meio do processo de decomposição bacteriana desses materiais. Este processo ocorre em vários ambientes anaeróbicos naturais, tais como, depósitos não solúveis de água marinha ou água doce, solos alagados, campos de arroz, em regiões vulcânicas, de fontes quentes ou zonas hidrotermais de águas profundas, no estomago dos mamíferos ruminantes e nos sedimentos de águas residuais (NOGUEIRA, 1986). A conversão anaeróbia de substratos orgânicos, desde a hidrólise até a produção do biogás, é realizada por bactérias quimioheterotróficas não metanogênicas (microorganismos que obtém energia e átomos de carbono de fontes orgânicas, associam fonte de átomos de
transformações, é retirado dos próprios compostos que constituem o material orgânico (CARBALLA, 2004).
2.4.1.3 - Estágio metanogênese – 3º estágio
A metanogênese (transforma o hidrogênio e o acido acético em metano e dióxido de carbono) é o que restringe a velocidade do processo de digestão de forma total, embora a temperatura abaixo dos 20oC, a hidrólise possa se tornar também limitante. As bactérias metanogênicas transformam o gás hidrogênio (H 2 ), o acido acético e o dióxido de carbono em gás metano (CH 4 ). Estas bactérias são muito sensíveis as mudanças do meio, tais como o pH e temperatura. As bactérias que crescem mais rapidamente são as que produzem metano a partir de hidrogênio, do que aquelas que usam ácido acético, de modo que as metanogênicas acetotróficas geralmente restringe a taxa de transformação de material orgânico complexo presente no esgoto para biogás (BIOEXELL, 2006).
Em resumo o metano é obtido conforme a ilustração 3, pelas bactérias por meio da redução de ácido acético ou a partir da redução de dióxido de carbono. As reações catabólicas são: (a) acetogênese: CH 3 COOH → CH 4 + CO 2 (b) metanogênese: 4H 2 + CO 2 → CH 4 + 2H 2 O
Ilustração 3 – Processos de digestão anaeróbia. Fonte: AZEVEDO, 2000.
2.4.2 - Condições para produção do biogás
A obtenção do biogás exige condições especificas para um rendimento satisfatório considerando que a sua produção é feita com uso de bactérias anaeróbias, existem condicionantes de sobrevivência destas, as condições de vida para as bactérias depende da impermeabilidade ao ar, pois a decomposição da matéria orgânica na presença de ar (O 2 ) produz apenas dióxido de carbono, isto exige que o biodigestor seja totalmente vedado (CARBALLA, 2004). A temperatura por sua vez esta diretamente relacionada ao condicionamento ideal das bactérias, principalmente as que produzem o metano, já que estas são muito sensíveis a variação da temperatura. A faixa ideal de temperatura para a produção de biogás é de 35ºC a 45ºC, sendo mais importante a não existência de variações bruscas de temperatura. Em países tropicais ou subtropicais o biodigestor dispensa sistema adicional de aquecimento (COSTA, 2002). Outra variante a ser controlada é a variação do valor do pH, alterações no interior do biodigestor podem afetar drasticamente as bactérias envolvidas no processo. A média do valor do mesmo varia entre 6,0 a 8,0, tendo o pH 7,0 como ponto ótimo. Isso ocorre naturalmente quando o processo se dá em condições normais. A quantidade de água também deve ser controlada, em um biodigestor o teor de água ideal deve variar entre 60 % a 90 % do peso do conteúdo total (ARRUDA, 2002). Estas bactérias necessitam de nutrientes e seus principais nutrientes são o carbono, nitrogênio e sais orgânicos, deve-se manter uma relação especifica de carbono para nitrogênio, que deve ser mantida entre 20:1 a 30:1. A produção de biogás não é bem sucedida se apenas uma fonte de material for utilizada (OLIVEIRA, 2006). O biogás tem aplicações importantes por conta de sua composição. Tudo dependerá da boa qualidade conforme sua purificação e quantidade do biogás produzido, ao término da purificação poderá ser utilizado em geradores de energia, iluminação, aquecimento, entre outros (ROCHA,2006).
