47 Nos sistemas em batelada, os digestores são preenchidos com resíduo fresco, com ou sem adição de inóculo, para reagirem até total degradação. Reatores em batelada são, frequentemente, processos em leito de lixiviado onde sólidos são hidrolisados por circulação do lixiviado sobre um leito de matéria orgânica. Recirculação do lixiviado estimula a degradação para uma dispersão mais eficiente do inóculo, nutrientes e produtos da degradação (LISSENS et al., 2001).
Digestores de resíduos sólidos em batelada funcionam de maneira similar a aterros sanitários convencionais, contudo, fornecem o potencial para uma atenuação mais rápida, completa e previsível dos constituintes dos resíduos sólidos e reduzem a poluição ambiental (AGDAG; SPONZA, 2007). Sistemas em batelada são os sistemas mais usados, pois são mais simples, possuem menores custos de implantação e manutenção (RAO; SINGH, 2004).
De acordo com Lissens et al. (2001), tais sistemas são projetados em três configurações:
Sistema em batelada em um estágio – O lixiviado é recirculado até o topo do
mesmo reator em que é produzido. Pode ocorrer entupimento do fundo, interrompendo o escoamento do lixiviado.
Sistema em batelada sequencial – O lixiviado do reator abastecido com resíduo
fresco, contendo altas concentrações de ácidos orgânicos, é recirculado para outro reator, onde ocorre a metanogênese. O lixiviado desse reator é então recirculado até o reator acidogênico.
Sistema híbrido batelada–UASB – Nesse sistema, o reator metanogênico é
substituído por um reator UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), sistema que tem boa eficiência em tratar efluentes líquidos com alta concentração de ácidos e elevada carga orgânica.
Em relação a sistemas com dois estágios, o sistema em batelada pode ser operado em conjunto com um reator UASB de segundo estagio ou filtro anaeróbio, com o lixiviado gerado no primeiro estagio sendo bombeado para o reator metanogênico, para posterior degradação, pois o lixiviado tem um baixo conteúdo de sólidos, possibilitando que reatores de alta-taxa, como reatores UASB ou filtros anaeróbios, possam ser usados no segundo estagio, e um alto tempo de retenção é atingido nesses
48 reatores por meio da formação de grânulos ou biomassa presa a meios suportes (LETTINGA, 1995).
Lehtomaki et al. (2008) estudaram, em escala laboratorial, a co-digestão de ensilado de grama em reatores em batelada de leito de lixiviado, tanto em estágio único quanto com um segundo reator UASB, conectado ao reator principal. O processo de dois estagios obteve produção mais alta de metano; 66% do potencial total de metano foi conseguido após 55 dias de retenção de sólidos, enquanto no processo de único estagio só 20% do potencial foi extraído durante o correspondente período.
O uso de reatores em dois estágios se resume a estudos laboratoriais. Em escala real há o predomínio de reatores em batelada de um estágio, pela facilidade de operação e custo.
Na cidade de Nustedt, Alémanha, foi construído o primeiro digestor com tecnologia DRANCO, cujo substrato são culturas energéticas (Figura 3). O material digerido nessa usina é retornado ao campo, para ser usado como nutriente. Material fresco é misturado junto com 5 ou 6 toneladas de material digerido vindo do fundo do digestor e a mistura é bombeada de volta para o topo do digestor. O material digerido flui do topo ao fundo apenas por gravidade. Nenhuma mistura é necessária dentro do digestor seco. O material digerido é extraído do fundo do digestor, a cada 2 ou 3 dias. Nenhuma água, ou liquido é adicionado, por isso a digestão ocorre em condições mais sólidas possíveis. O sistema DRANCO é destaque na Europa, em relação a sistemas secos. Esse processo consiste de digestor anaeróbio termofílico, seguido por uma curta fase de maturação aeróbia. Durante a digestão anaeróbia, parte do material é convertida em biogás e o material sólido extraído do digestor é estabilizado aerobiamente, formando um produto higienicamente seguro. Algumas vantagens desse sistema, segundo De Baere (2004), são:
Digestão intensiva e confiável.
Não e necessária mistura dentro do digestor. Digestor em formato simples (cônico). Evita e minimiza produção de resíduos. Não formação de escuma.
49 Figura 3 – Processo de digestão da fazenda Dranco.
Fonte: De Baere, 2004
O digestor possui fluxo vertical e consiste de duas zonas separadas. Uma zona superior, onde uma fermentação intensa é mantida por reciclagem constante do material digerido ativo e remistura com substrato fresco a cada 2 ou 3 dias. A segunda zona é a zona de pós-fermentação, onde o digerido é pós fermentado por 2 ou 3 dias adicionais, sem alimentação extra para que a geração de biogás possa ser completada. O material descendente em direção à zona de extração do fundo não é reciclado e alimentado, e, sim, removido do processo. O digerido pós-fermentado é armazenado e posteriormente usado no campo (REICHERT, 2005).
A planta em Nustedt foi projetada para tratar em torno de 12500 toneladas por ano de culturas agrícolas, consistindo de 6200 toneladas de milho, 2400 toneladas de girassol, 2000 toneladas de centeio, 600 toneladas de grama, junto com 1200 toneladas de esterco sólido. Na Tabela 10 é mostrada a composição dos substratos usados nessa usina.
50 Tabela 10 – Composição do substrato usado na usina Dranco-Farm em Nustedt.
Substrato MS(%) SV(% no DM) Biogás (Nm3/ton) (%) Milho 30-33 90-95 190-210 47 Girassol 20 85-90 90 18 Rye 30-40 85-95 150-90 15 Grama 15-30 85-95 90-120 4 Esterco solido 20-35 40-50 30-50 15 Média 29 85 145 100
MS = Matéria seca, SV = Sólidos voláteis. Fonte: De Baere, 2007.
O reator tem um volume de 1200 m3, com um diâmetro de 8,5m e altura de 25m. O biogás é capturado no topo do reator e flui para o armazenamento de biogás e subsequentemente para as máquinas a gás. A capacidade da atual é de 750 kW (DeBAERE, 2007).
Outro sistema importante usado em escala real é o sistema VALORGA, sendo que essa empresa foi a primeira a construir uma estação em escala real, em 1988, na cidade de Amiens, França, com capacidade de 85000 tonelada/ano de resíduos agrícolas. (REICHERT, 2005).
O processo da planta Valorga consiste de seis unidades: unidade de recebimento e processamento do resíduo, DA, cura do composto, utilização do biogás, tratamento efluentes gasosos, e uma unidade opcional de tratamento de esgotos (quando o efluente não é tratado em ETE municipal). A planta inclui balança para pesagem dos caminhões, local fechado para descarga com tratamento do ar, separador eletromagnético e triagem para retirada de outros materiais, e triturador para redução do tamanho das partículas. Depois disso, o resíduo é alimentado continuamente à unidade de DA (REICHERT, 2005).
O reator Valorga é um cilindro vertical de concreto com cerca de 20 m de altura e 10 m de diâmetro interno (Figura 2). Há uma parede vertical interna em toda a extensão vertical e a 2/3 do diâmetro do reator. Esta repartição interna minimiza a formação de curto-circuito e assegura fluxo contínuo em toda extensão do reator. Os orifícios para alimentação e retirada da massa digerida ficam localizados nos dois lados desta parede. A mistura material em digestão é feita pela injeção de biogás à alta pressão através de orifícios na base do reator. Não há partes mecânicas e a manutenção se resume à limpeza periódica dos orifícios da base do digestor. Após a digestão o material digerido passa por um filtro-prensa para retirada do excesso de umidade. O lixiviado é
51 usado na recirculação e o excesso tratado (in situ ou em uma ETE), e a parte sólida é enviada à planta de compostagem, onde permanece por duas semanas. O biogás gerado é utilizado para geração de eletricidade e vapor ou é injetado na rede de gás da cidade (SINGH, 2002).
Na Tabela 11 são mostradas as principais características do sistema Valorga.
Tabela 11 – Características de plantas com sistema Valorga
Característica Valor
Reator úmido ou seco, e teor de sólidos (%) Seco, TS = 25 a 35%
Número de estágios Único
TDH 18 a 25 dias
Tipo de reator Vertical bipartido, alimentação pela base Produção de biogás (Nm3/tRSU) 80 a 160
Sistema de mistura de resíduo no interior do reator
Recirculação do biogás aquecido e a alta pressão pela base do reator
Temperatura Mesofilica (40oC) ou termofilica (55oC). Fonte: Singh, 2002
52 3. MATERIAL E MÉTODOS
Todos os experimentos foram realizados no LABOSAN (Laboratório de Saneamento) do Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental (DEHA) da Universidade Federal do Ceará (UFC. A pesquisa foi dividida em três fases, nas quais foram testados diferentes configurações e reatores na digestão anaeróbia das tortas de mamona e algodão.
Na primeira fase, comparou-se o desempenho da degradação anaeróbia de tortas de mamona e algodão na produção de biogás, estabilização da matéria orgânica, bem como a avaliação de parâmetros operacionais responsáveis pela estabilidade do processo. Essa parte do experimento foi dividida em duas etapas, sendo testadas duas configurações de carregamento, com razão entre 1:1 inóculo:substrato e posteriormente com razão 2:1 inóculo:substrato em relação a sólidos voláteis.
Na segunda fase, foi realizado um experimento relativo ao tratamento do alto teor de amônia, gerado pela degradação do substrato. Por meio da adição de diferentes tipos de zeolitas ao meio, se buscou amenizar os efeitos danosos que a geração de amônia no meio causa à estabilidade e eficiência do sistema.
Na terceira fase, foram testados vários pré-tratamentos físico-químicos, para facilitar a hidrólise e, consequentemente, aumentar a geração de biogás. Na Figura 4 é mostrado um resumo das fases da pesquisa.
Figura 4 – Resumo das diversas fases da pesquisa.
53 3.1. Substratos.
Os reatores, em todas as fases, foram alimentados com uma mistura de tortas de oleaginosas, mais um inóculo, responsável pela co-digestão, para o qual foi usado lodo proveniente de reator anaeróbio. Os substratos utilizados na pesquisa foram as tortas de mamona (Ricinus Communis L.) e algodão (Gossypium hirsutum L), duas oleaginosas utilizadas para extração de óleo, mas cujo resíduo tem a sua utilização como alimentação animal restrita devido a problemas de toxicidade. Nas Figuras 5 e 6 são mostradas fotos de amostras das tortas de mamona e algodão usadas na pesquisa, respectivamente.
Figura 5 – Amostra de torta de mamona utilizada no experimento
Fonte: (Autor (2012)
Figura 6 – Amostra de torta de algodão utilizada no experimento
54 A torta de mamona utilizada foi doada pela OLVEQ (Indústria e Comercio de Óleos Vegetais, Quixadá, CE), enquanto a torta de algodão foi doada pelo Departamento de Zootecnia da Universidade Federal do Ceará (Fortaleza, CE). Segundo os fornecedores, a torta de mamona é o resíduo pós extração do óleo, que foi obtida por meio de prensagem a frio em filtro prensa. A torta de algodão foi obtida após a extração do óleo, também por extração mecânica a frio, usando filtro prensa.
Todas as tortas utilizadas na pesquisa foram armazenadas, segundo os fornecedores, por um período anterior a um mês após sua produção. Tentou-se evitar produtos armazenados por mais tempo, pois o tempo de armazenamento poderia implicar em perda de potencial para produção de metano.
Antes de serem utilizados, os substratos foram triturados em um moinho de bancada, para a obtenção de uma fração de tamanho de partícula menor que 3 cm. Na Tabela 12 é mostrada a caracterização bromatológica das tortas utilizadas na pesquisa. As análises foram realizadas no Departamento de Zootecnia da Universidade Federal do Ceará, com exceção das análises de Nitrogênio total e Carbono orgânico total, realizadas no Departamento de Solos da mesma Universidade.
Tabela 12 – Caracterização bromatológica dos substratos usados no experimento.
Parâmetro Torta de mamona Torta de algodão
Matéria seca total (%) 92,90 95,30
Proteina bruta (%) 24,63 25,62 Extrato etéreo (%) 18,58 16,23 Matéria mineral (%) 5,57 5,08 Fibra em detergente neutro (%) 55,07 52,07 Fibra em detergente ácido (%) 45,64 36,51 Lignina(%) 31,85 9,30 COT (g/kg) 335,5 424,57 NT(g/kg) 28,42 20,1
COT = Carbono Orgânico Total; NT = Nitrogênio total Fonte: Autor (2012)
55 3.2. Inóculo
O lodo anaeróbio utilizado como inóculo foi proveniente de um reator anaeróbio IC (Internal Circulation) de uma estação de tratamento de esgoto de uma fábrica de cerveja (AMBEV, Horizonte, CE.). Os valores médios dos parâmetros físico- químicos do lodo utilizado como inóculo nos diversos experimentos são mostrados na Tabela 13.
Tabela 13 – Caracterização físico-química do inóculo utilizado na pesquisa.
Parâmetros Unidade Valores médios
pH - 7,15 ST mg/L 71385 SV mg/L 52030 SF mg/L 19355 DQOtot mg O2 /L 2635 Alcalinidade mg CaCO3/L 1467 Amônia mg NH4+/L 12,16 NTK mg N/L 2430
ST = sólidos voláteis, SV = Sólidos voláteis, SF = Sólidos fixos, DQOtot = DQO total, NTK = nitrogênio
total kjiedahl.
3.3. Reatores
Foram utilizados reatores em batelada em todas as fases da pesquisa, sendo a configuração mais utilizada quando tratamos de digestão anaeróbia de sólidos orgânicos, o que possibilitaria uma comparação melhor com dados de outros trabalhos, levando em conta a grande heterogeneidade de dados gerados nessa linha de pesquisa.
Nas fases 1 e 2 da pesquisa foram utilizados reatores em batelada de 15 litros de volume total, confeccionados pela ACS Fibras (Fortaleza, CE), os quais foram carregados com torta de oleaginosa, inóculo, agente tamponante e nutrientes. Os digestores possuem formato cilíndrico e foram fabricados com PRFV (poliéster reforçado com fibra de vidro), com 12 litros de volume útil, 25 cm de diâmetro e 75 cm de altura. Foram instalados dispositivos para coleta de lixiviado e para medição de biogás, conforme as Figuras 7, 8 e 9.
56 Figura 7 – Esquema dos digestores anaeróbios usados na pesquisa.
Fonte: Autor (2012).
Figura 8 – Reatores utilizados nas fases 1 e 2 da pesquisa.
Fonte: Autor (2012).
A coleta do lixiviado para monitoramento do sistema foi realizada através de
57 Figura 9 – Dispositivos usados para coleta do lixiviado.
Fonte: Autor (2012).
Na parte interna inferior, foi colocado um meio filtrante com cerca de 10 cm de altura, constituído de seixo e pedregulho com granulometria entre 4 e 10 mm, a fim de se evitarem possíveis entupimentos no ponto de saída do lixiviado.
Para medição do biogás na tampa de cada reator, foi instalado um registro de
¼” de ferro fundido, ao qual foi acoplada uma mangueira de silicone de mesmo
diâmetro, que foi então ligada a um sistema de medição de vazão de gás (Figuras 10 e 11) e também a um sistema de armazenamento de biogás para posterior análise cromatográfica, conforme descrito no item 3.7.
Evitaram-se possíveis fugas de biogás através da tampa superior e outros pontos, por meio de vedação com borracha de silicone.
Figura 10 – Reator conectado a medidor de gás digital.
58 Figura 11 – Conexão para captura de biogás do sistema.
Fonte: Autor (2012).
Na fase 3, foram utilizados reatores de vidro com volume de 1 L. Esses reatores menores possibilitaram a utilização de um maior numero de reatores, além de permitirem uma medição de volume e caracterização do biogás de forma mais segura do que nos reatores maiores utilizados nas etapas anteriores. Os reatores, após inoculados com substrato, inóculo, nutrientes e agente tamponante, foram fechados com uma tampa constituída de um lacre plástico mais um septo para captura de biogás, realizado por meio de uma seringa (Hamilton Gastight), para posterior medição de vazão e caracterização, conforme mostrado no item 3.7. Os reatores utilizados nesta etapa da pesquisa são mostrados na Figura 12.
59 Figura 12 – Reatores utilizados na fase 3 da pesquisa.
Fonte: Autor (2012).
Após inoculados e carregados, os reatores foram mantidos em uma incubadora (TECNAL TE-420) a uma temperatura controlada de 35 0C, conforme a Figura 13, até que a produção de biogás cessasse.
Figura 13 – Reatores utilizados na fase 3, dentro da incubadora
60 3.4. Carregamento.
Os reatores foram alimentados com diferentes proporções de torta de oleaginosa e co-substrato (inóculo), em relação à porcentagem de SV (sólidos voláteis) na massa, em diferentes etapas da pesquisa. Nas fases 1 e 2, em que foram utilizados reatores com volume de 15 litros, foi medido previamente o volume relativo a 10 kg de peso bruto de lodo anaeróbio,e para essa quantidade de massa, calculada a quantidade de SV com base em ensaios feitos previamente, que determinaram a proporção de sólidos voláteis na massa de lodo. Foi pesada em balança digital (BL320H SHIMADZU), após ser analisada em relação a sólidos totais (ST) e sólidos voláteis (SV), a massa bruta necessária de substrato (torta) para se obter a relação com base em SV entre substrato e inóculo da configuração exigida em cada fase da pesquisa. Foram adicionados macro e micronutrientes, além de agente tamponante, conforme mostrado no item 3.6.1., constituindo, assim, o meio de reação. O meio de reação de cada reator foi, então, caracterizado em relação a parâmetros físico-químicos, antes do carregamento dos reatores.Os reatores foram alimentados através do compartimento superior, com o meio de reação, composto pela mistura de inóculo e substrato. Para garantir a mistura adequada entre inóculo e substrato, o meio de reação foi agitado manualmente utilizando-se uma haste de metal.
Na terceira fase, os substratos foram previamente hidrolisados por tratamento físico-químicos (térmico, ultrassônico, acido e alcalino), com exceção dos reatores controles, conforme o item 3.6.2. Foram, então, pesadas quantidades em massa bruta de lodo e tortas, de modo a se obter uma relação entre inóculo e substrato de 2 para 1 em relação a SV, para cada reator. Foram adicionados macro e micronutrientes, além de agente tamponante, conforme mostrado no item 3.6, constituindo, assim, o meio de reação. O meio de reação de cada reator foi, então, caracterizado em relação a parâmetros físico-químicos, antes do carregamento dos reatores. Foram, então, retirados 400 mL desse meio de reação e levados às garrafas de 1 litro, que funcionaram como reator, os quais possuíam, desse modo, um volume de headspace de 600 mL.
3.5. Interpretação de resultados
A interpretação dos resultados foi feita utilizando-se os seguintes parâmetros:
61
Equivalente estequiométrico de metano de DQO
Em temperatura e pressão padrão, cada kilograma de DQO removida irá gerar 0,35m3 de metano da equação de oxidação.
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O
(16g) (64g)
Logo, 1 g de DQO = 0,25g de CH4
0,25 g de CH4 são equivalentes a (0,25/16) moles de gás = 0,015625
1 mol de gás no NTP = 22,4 l
Logo, 1gDQO = 0,015625 x 22,4 = 0,35 l de CH4
Nos experimentos realizados na fase 3, esses valores foram convertidos levando em consideração o volume constante dos frascos e garrafas utilizados, a temperatura constante de 35oC e a pressão exercida pela produção de biogás dentro do sistema.
Produção específica de metano
Igual ao equivalente estequiométrico de metano dividido pela concentração de sólidos voláteis, também chamado de Biochemichal methane potential (BMP) (LCH4 g-1
SV).
Produção volumétrica de metano
Igual ao equivalente estequiométrico de metano dividido pelo volume do reator e os dias de alimentação (l CH4 l-1reator d-1).
Atividade metanogênica
Igual ao equivalente estequiométrico de metano dividido pela concentração de sólidos voláteis e os dias de alimentação (g DQO/ gSV.d-1).
62 Tempo de permanência do inóculo dentro do reator (unidade: dia).
Tempo de detenção de sólidos (TDS).
Tempo de permanência do substrato dentro do reator, igual ao tempo de um ciclo de operação. (unidade: dia).
Razão entre inóculo e substrato (I/S).
A razão da quantidade entre inóculo e substrato com base em sólidos voláteis.
Taxa de carregamento de substrato fresco.
Igual à quantidade de substrato fresco adicionado (g SV) ao reator dividido pelo volume útil do reator (L). (Unidade: g SV l-1)
Taxa de carregamento orgânico (TCO).
A quantidade de substrato fresco adicionado (g SV) ao reator dividido pelo volume útil do reator (l) e divido pelo número de dias do ciclo. (Unidade: g SV l-1d-1).
3.6. Desenvolvimento do experimento.
3.6.1. Efeito da concentração de sólidos na digestão anaeróbia das tortas de oleaginosas