Biodigestor anaeróbico é um sistema destinado a produção de biogás, principalmente o metano, através do tratamento de um leito fluidizado sem a presença de oxigênio. Durante o processo, a matéria orgânica contida no afluente é digerida pelas bactérias, que atuam na falta de oxigênio (por isso é chamado de anaeróbio). Esta digestão realizada pelas bactérias produz o biogás que pode ser transformado em energia. O resíduo líquido deste processo passa por um sistema de limpeza, através de um filtro biológico. Assim, a água fica limpa e pronta para o uso. Consistem basicamente numa câmara de fermentação, onde é processada a biodigestão da matéria orgânica, numa campânula que armazena o gás produzido ou, simplesmente, numa saída para esse gás, numa entrada do substrato a ser fermentado e numa saída para o efluente produzido pelo processo. É uma tecnologia simples, cuja principal preocupação é a manutenção das propriedades fermentativas da biomassa bacteriana. São muitos os modelos de biodigestores, alguns com importantes detalhes construtivos, que dependem do tipo de aplicação a que são destinados e, também, do nível tecnológico disponível. Eles visam satisfazer determinadas demandas específicas para cada caso, como, por exemplo, o saneamento, o atendimento de uma demanda energética e a utilização do material biodegradado como fertilizante. O biodigestor deve ser concebido com o objetivo de proporcionar essas vantagens citadas, embora seja reconhecidamente difícil atender as três de forma integrada e otimizada e podem ser classificados de acordo com o tipo de construção, modo de operação, a forma de armazenamento do gás, fluxo das substâncias em fermentação, temperatura de operação, com ou sem agitação e com ou sem dispositivos para agregar a biomassa bacteriana (LETTINGA, 1991).
As alternativas de construção de biodigestores são muitas e se resumem, de maneira geral, numa combinação de diferentes características por exemplo, um biodigestor pode ser contínuo, enterrado, mesofílico, de fluxo vertical, pode utilizar um gasômetro externo, possuir um agitador e uma matriz interna para auxiliar na agregação das bactérias. Estas são, normalmente, as características dos reatores de grande porte, construídos nas décadas recentes para o tratamento do esgoto doméstico. No estudo desenvolvido neste trabalho estão sendo utilizados os Biodigestores de Fluxo Ascendente. O processo de biodigestão, se conduzido em reatores convencionais, é relativamente lento, com tempos de retenção hidráulica do resíduo dentro do reator de vários dias, ou mesmo semanas, para se completar o processo. Esse era, sem dúvida, o principal obstáculo técnico para uma eventual aplicação do processo de digestão anaeróbia para a vinhaça. No entanto, é sabido que a redução do tempo de retenção pode ser obtida mantendo-se uma elevada concentração de microorganismos no interior do reator, o que pode ser conseguido por recirculação externa ou retenção interna dos microorganismos. Os biodigestores de alta eficiência, geralmente com fluxo ascendente, podem alcançar este objetivo (PINTO, 1999).
Um dos mais importantes acontecimentos na área de tratamento de efluentes, nas décadas recentes, foi o desenvolvimento do reator de fluxo ascendente com manta de lodo (UASB = Upflow Anaerobic Sludge Blanket). É o biodigestor de elevada eficiência mais estudado e aplicado em todo o mundo (LAMO, 1991).
De acordo com Lamo (1991), para o caso da biodigestão anaeróbia da vinhaça, estão em operação biodigestores UASB, com sucesso comprovado, sendo que este equipamento é dimensionado levando-se em conta:
Produção máxima diária de etanol da destilaria em estudo;
Volume de vinhaça a ser gerado em conseqüência dessa produção;
DQO do efluente, dado devido a sua origem do processo de fabricação;
Carga orgânica a ser removida por dia.
A partir desses dados determina-se o volume do reator (diâmetro e altura), possibilitando o fornecimento da produção de biogás para o sistema. No reator UASB em sua coluna ascendente consiste de um leito de lodo, uma zona de sedimentação, e o separador de fase. Este separador de fases, um dispositivo característico do reator, tem a finalidade de dividir a zona de digestão (parte inferior), onde se encontra a
manta de lodo responsável pela digestão anaeróbia, e a zona de sedimentação (parte superior). A água residuária, que segue uma trajetória ascendente dentro do reator, desde a sua parte mais baixa, atravessa a zona de digestão escoando a seguir pelas passagens do separador de fases e alcançando a zona de sedimentação.
O afluente após entrar e ser distribuído pelo fundo do reator UASB, flui pela zona de digestão, onde se encontra o leito de lodo, ocorrendo a mistura do material orgânico nele presente com o lodo. Os sólidos orgânicos suspensos são quebrados, biodegradados e digeridos através de uma transformação anaeróbia, resultando na produção de biogás e no crescimento da biomassa bacteriana. O biogás segue em trajetória ascendente com o líquido, após este ultrapassar a camada de lodo, em direção ao separador de fases.
No separador de fases, a área disponível para o escoamento ascendente do líquido deve ser de tal forma que o líquido, ao se aproximar da superfície líquida livre, tenha sua velocidade progressivamente reduzida, de modo a ser superada pela velocidade de sedimentação das partículas, oriundas dos flocos de lodo arrastados pelas condições hidráulicas ou flotados. Isto possibilita que este material sólido que passa pelas aberturas no separador de fases, alcançando a zona superior do reator, possa se sedimentar sobre a superfície inclinada do separador de fases. Naturalmente que esta condição dependerá das condições hidráulicas do escoamento. Desse modo, o acúmulo sucessivo de sólidos implicará conseqüentemente, no aumento contínuo do peso desse material o qual, em um dado momento, tornar-se-á maior que a força de atrito e, então, deslizarão, voltando para a zona de digestão, na parte inferior do reator. Assim, a presença de uma zona de sedimentação acima do separador de fases resulta na retenção do lodo, permitindo a presença de uma grande massa na zona de digestão, enquanto se descarrega um efluente substancialmente livre de sólidos sedimentáveis. Na parte interna do separador de fases fica a câmara de acumulação do biogás que se forma na zona de digestão (LAMO, 1991).
O projeto do UASB garante os dois pré-requisitos para digestão anaeróbia eficiente: a) através do escoamento ascensional do afluente passando pela camada de lodo, assegura-se um contato intenso entre o material orgânico e o lodo e b) o decantador interno garante a retenção de uma grande massa de lodo no reator. Com o fluxo ascendente a estabilização da matéria orgânica ocorre na zona da manta de lodo, não havendo necessidade de dispositivos de mistura, pois esta é promovida pelo fluxo ascensional e pelas bolhas de gás (PINTO, 1997).