Concepção, construção e operação de um biodigestor e modelagem matemática da biogestão anaeróbica

Abstract

Resumo: A biodigestão anaeróbica é um processo onde resíduos orgânicos, como dejetos de animais, são transformados em biofertilizante e em biogás. O biofertilizante é um excelente adubo natural, rico em nitrogênio. O biogás, um gás composto de metano e gás carbônico, pode ser usado para aquecimento e geração de eletricidade. No entanto, a biodigestão não é muito utilizada no Brasil. Isso deve ao fato de que há falta de mão de obra especializada para orientar o produtor rural, falta de apoio financeiro e falta de tecnologias mais acessíveis. Tendo em vista esses problemas, o objetivo deste trabalho era o de projetar, construir e operar um biodigestor modular de fácil instalação, que possa ser instalado nos lugares mais remotos do país. Esse biodigestor foi construído em manilhas de concreto empilhadas e enterradas. Esta estratégia possibilita que o reator seja construído rapidamente devido às manilhas serem pré-fabricadas, diminuindo a mão obra para a construção do sistema. No entanto, o sistema apresentou muitos problemas operacionais, devido a algumas falhas na construção e implementação do processo. Sendo assim, não foi possível quantificar precisamente o desempenho do biodigestor, mas foi possível identificar as falhas e corrigi-las. Assim se torna necessário a continuação do projeto para quantificar o desempenho do sistema. Além disso, um modelo matemático foi proposto para que seja possível uma posterior otimização da biodigestão anaeróbica. Esse modelo consiste de 16 equações diferenciais ordinárias que descreve o comportamento dinâmico de biodigestores CSTR. O modelo foi codificado em FORTRAN e solucionado através do método de Euler devido a problemas de convergência encontrados em outros métodos. O modelo foi capaz de descrever as tendências de um conjunto de resultados disponíveis na literatura, podendo ser usado como ferramenta para a otimização de biodigestores CSTR ou ser utilizado como modelo cinético de modelos matemáticos para biodigestores mais complexos como o UASB e o filtro anaeróbico.

Abstract: Anaerobic biodigestion is a process in which organic residues, such as animal wastes, are transformed into biofertilizer and biogas. The biofertilizer produced is an excellent source of nitrogen. The biogas produced is composed of methane and carbon dioxide and can be used for heating and for the generation of electricity. However, biodigestion is little used in Brazil. This is due to several factors, including the lack of specialists who can guide rural producers, the lack of financial support and the lack of readily accessible technologies. The objective of the current work was to design, build and operate a modular biodigestor that can be installed in remote regions. The biodigestor was built from concrete stormwater pipe sections that were buried to form a vertical cylinder. This construction strategy makes it possible to build the reactor quickly, since the stormwater pipe sections are prefabricated, which decreases the amount of labor necessary during the construction step. However, the system presented many operational problems, due to various failures in the construction of the bioreactor and the operation of the process. These problems meant that it was not possible to quantify the performance of the biodigestor precisely, however, it was possible to identify the flaws and to correct them. In a continuation of the project, it will be necessary to characterize the performance of the system. Another significant part of the work involved the proposal of a mathematical model that could be used to guide optimization of the anaerobic biodigestion process. The model consists of 16 ordinary differential equations that describe the dynamic behavior of CSTR biodigestors. The model was coded in FORTRAN and solved through the method of Euler, due to convergence problems encountered with other methods. The model was capable to describe the tendencies within a set of literature results and can be used as tool to guide the optimization of CSTR biodigestors optimization or to provide the basis of a kinetic model within mathematical models of more complex biodigestors such as the UASB and the anaerobic filter.