Desenvolvimento e análise experimental de Biodigestores modulares de baixo tempo de residência

Abstract

Resumo: Há muito tempo e em várias regiões do mundo, a digestão anaeróbia desenvolvida em biodigestores é utilizada para a estabilização e/ou tratamento de substratos orgânicos, com consequente produção de biogás e biofertilizante. Desta forma, biodigestores têm sido utilizados tanto para atender a questão energética como a de saneamento ambiental. O histórico mostra que diversos modelos de biodigestores anaeróbios foram desenvolvidos para esses fins. Neste contexto, o presente trabalho aborda o desenvolvimento de um modelo de biodigestor modular, de baixo custo e com baixo tempo de processamento do substrato. O equipamento proposto foi desenvolvido e implementado no Núcleo de Pesquisa e Desenvolvimento de Energia Autossustentável - NPDEAS da Universidade Federal do Paraná (UFPR) em Curitiba, PR. Foram realizadas etapas para a construção do biodigestor modular proposto: levantamento de dados e projeto; construção do biodigestor modular; inoculação do reator com dejeto suíno e análise experimental do funcionamento do biodigestor, de forma que foram realizados diversos ensaios de parâmetros físico-químicos em amostras coletadas em diferentes pontos do biodigestor, tais como na entrada (substrato bruto), no interior e na saída (efluente tratado), assim como a produção de biogás também foi avaliada. Os parâmetros considerados naquela avaliação, foram: Demanda Química de Oxigênio (DQO), Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO), série de sólidos, gordura total (extrato etéreo), pH, proteínas totais e nitrogênio total; fósforo total, e, carbono orgânico. Os resultados evidenciaram que o biodigestor foi capaz de atingir uma eficiência de redução média de DQO de 43%, redução média em 13% no valor de fósforo total, 50% na remoção de gordura, 27% na remoção média de sólidos voláteis e eficiência de redução em 19% da DBO. O biogás gerado durante a operação do biodigestor foi igualmente avaliado, de forma que os resultados apontaram para uma composição média de 34% de CO2 (dióxido de carbono); 0,016% de NH3 (amônia); 0,003% de H2S (ácido sulfídrico) e de 66% de CH4 (gás metano). Os resultados obtidos mostram que o biodigestor modular desenvolvido apresentou um desempenho de produção de metano no biogás, superior a estudos anteriores reportados neste trabalho, para os quais foram citados valores na faixa de 60 a 64,2% de gás metano. Além disso, este trabalho propõe 3 novas figuras de mérito para avaliar o desempenho e o grau de compactação de biodigestores: i) taxa de rendimento ou taxa de densidade de produção de biogás; ii) densidade de produção de biogás e iii) tempo de residência orgânico. Em outras palavras, as novas figuras de mérito propostas permitem avaliar o grau de compactação do biodigestor. Os valores obtidos demonstram que o biodigestor proposto neste trabalho de fato apresenta baixo tempo de residência orgânico de 3,3 dias comparativamente aos sistemas tradicionais, que é o tempo necessário de permanência do substrato no reator para produzir 1m³ de biogás Kg–¹ O2 m·³ reator.

Abstract: Anaerobic digestion developed in digesters has been used for stabilization and/or treatment of organic substrates, with consequent production of biogas and fertilizer, in various regions of the world for a long time. Thus, both the energy issue and the environmental sanitation may be considered. Historical data shows that several types of anaerobic digesters have been developed for such purpose. However, there is still a demand for the use of concepts and innovations in digesters. In this context, this paper discusses the development of a modular, low cost and short hydraulic residence time digester. The proposed model was implemented in the Center for Research and Development of Self-Sustaining Energy - NPDEAS, at Federal University of Paraná (UFPR) in Curitiba, PR. Some steps have been conducted aiming the design of the proposed digester: data collection and project, construction of the digester, inoculation of the reactor with swine sewage and experimental performance evaluation of the digester. Various tests were performed as to determine physicochemical parameters in samples collected at different points such as the inlet (raw substrate), inside and exit (treated effluent) of the digester. The biogas production was also evaluated. The parameters considered in that evaluation were: Chemical Oxygen Demand (COD), Biochemical Oxygen Demand (BOD), Solids, Total Fat (ether extract), pH, total protein, total nitrogen, total phosphorus and organic carbon. The most significant results showed that the model was able to achieve an average COD reduction efficiency around 43%, a 13% average reduction in the amount of total phosphorus, removal of 50% of fat, a 27% average reduction in the removal of volatile solids and efficiency of 19% in BOD removal. The biogas generated during operation of the digester was also assessed, so that the results showed an average composition of 66% CH4 (methane); 34% CO2 (carbon dioxide), 0.016% NH3 (ammonia) and 0.003% H2S (hydrogen sulfide). Such results show that the digester model developed presented a superior performance concerning methane production in biogas when compared to other studies here reported, whose results are in the range of 60% to 64.2% methane. Also, this paper proposes three new figures of merit for assessing the performance and the degree of compaction of digesters: i) rate of yield or rate density biogas production, ii) density of biogas production and iii) residence time of organic .The new figures of merit proposed allow the assessment of the packing degree of the biodigester. The values obtained demonstrate that the proposed digester actually presents a short organic residence time around 3,3 days compared to traditional systems, what is needed residence time of the substrate in the reactor to produce 1m³ de biogás Kg-¹ O2 m·³ reator.